磁电界面-新功能的新前景

磁电(ME)材料是指外部磁场影响极化，电场亚博网站下载影响材料磁化的材料。¹众所周知的ME材料的例子是Cr₂O_3.其中菱形单元电池和反铁磁阶段中断线性ME耦合所需的空间反转和时间反转对称。

在多铁质材料中——同时表现出两种(或两种以上)铁序的材料，例如铁电性和反铁磁性，电磁耦合通常更强。亚博网站下载例如,BiFeO_3.是具有反铁磁Neel温度TN=643K和铁电居里温度TC=1103K的室温多铁氧体。²

由于多铁质材料具有潜在的新亚博网站下载器件功能，近年来引起了人们相当大的兴趣。磁电多铁质允许通过电场转换磁化强度的可能性。这为信息存储应用程序提供了丰富的机会。特别是，这一特性可以消除磁随机多余存储器(MRAM)小型化的主要障碍，其中写操作需要磁场或大电流。另一种可能性是开发具有多种稳定状态的存储位^3、4或混合内存和逻辑功能。⁵

然而，块体多铁质材料的数量是有限的，特别是那些在室温下保持其ME亚博网站下载性能。复合多铁材料，如铁电(FE)和铁磁(FM)化合物的层状异质结构，显著拓宽了多铁材料的类别。亚博网站下载这些异质结构中的ME耦合发生在界面上。

可以预期两种类型的耦合：（i）由于界面处的电子效果而直接;（ii）间接介导的菌株介导。迄今为止几乎所有实际结构都使用材料的弹性性能来介导ME耦合。然而，从所涉及的物理学的角度和设备应用是通过纯电子机制发生的耦合的更有趣。

在过去的几年中，内布拉斯加大学林肯分校的一个理论小组和材料研究科学与工程中心(MRSEC)投入了大量的精力来了解磁电界面的物理特性。亚博网站下载亚博老虎机网登录研究的重点有三种现象:(1)电场对界面(表面)磁化强度的影响，特别是通过相邻FE层的FE极化，(2)对表面磁晶各向异性的影响;(iii)铁电(多铁)隧道结中FM/FE界面上的电子和自旋输运。

界面磁化

当金属膜暴露于电场时，感应表面电荷σ=ε₀E屏蔽是指超过金属屏蔽长度的电场。在调频金属中，由于自旋带的交换分裂引起表面磁化，屏蔽电荷是自旋依赖的米_年代，如图1所示。第一个原则计算显示，我的响应是元素FM金属的响应很小，大致与Cr的顺序相同₂O_3.但仅限于表面。⁶

图1．由于外加电场在Fe(001)表面上的诱导自旋密度。

在铁磁体和介电介质的界面上，电磁效应可以显著增强，因为感应表面电荷与介电常数成正比。对于高k介质，介电常数可以大到100甚至更大，这使ME响应增加了两个或多个数量级。⁷

利用有限元材料产生场效应可以进一步增强电子驱动的ME效应。在这种情况下，FM材料中自旋依赖的屏蔽是在FE/FM界面的极化电荷的响应下发生的。后者可以通过改变FE极化来改变。对SrRuO预测了这种ME效应_3./ BaTiO_3.磁矩变化量为0.31µ的接口_B界面上的Ru原子是FE极化反转的结果。⁸

界面键合机制可能在FM/FE界面的ME效应中起重要作用。⁹界面原子位移的变化改变了轨道杂化，影响了界面磁矩。Fe/BaTiO的第一性原理计算_3.(001)界面的磁矩变化较大，为0.25µ_B当电极化被电场转换时，每一个界面单元单元。⁹对Fe也预测了类似的效应_3.O₄/ BaTiO_3.接口。¹⁰有趣的是，洛杉矶_{1 -χ}一个_χMnO_3./ BaTiO_3.（001）界面，其中A是二价阳离子，通过反转Fe偏振，存在从铁磁性到反铁磁性的接口磁气顺序。¹¹

表面磁晶各向异性

特别是利用外加电场控制磁性材料的磁晶各向异性。由于MCA决定了稳定的磁化方向，所以通过电场调整FM薄膜的各向异性可以切换磁矩。

对于金属铁磁体，电子驱动的ME效应仅限于界面，因此电场只影响表面(界面)MCA。⁶3d铁磁体效果来自3的相对人口的变化d- 与MCA能量有不同的贡献的助剂（参见图1）。最近，针对Fe / MgO（001）界面实验证明了界面MCA上的应用电场对界面MCA的强烈影响。¹²

界面MCA能量的变化可用于通过应用的电场切换磁化。⁶最近在MgO/FeCo界面显示垂直MCA的实验中证实了这一预测。¹³使用MCA和形状各向异性能量等于的FECO膜厚度，实现了平面内和平面外状态之间的电压辅助磁化切换。

甚至可以更有效地在FE/FM接口控制MCA。Fe/BaTiO的第一性原理计算_3.研究表明，钛酸钡的电极化发生了逆转_3.在Fe薄膜表面产生了相当大的变化。¹⁴

铁电和多体隧道结

多体隧道结（MFTJS）涉及多功能设备的新概念，最近吸引了重大兴趣。¹⁵MFTJ利用FM和FE极化来控制电子和自旋隧穿的能力。

图2．不同类型的隧道结示意图:(a)磁性隧道结(MTJ);铁电隧道结(FTJ);(c, d)多铁隧道结(MFTJ)，在MTJ (c)中有铁电势垒和多铁势垒(d)。铁磁(FM)，铁电(FE)，普通金属(NM)，绝缘(I)和多铁(MF)层在适当的地方被标明。

铁电隧道结

MFTJ是一种特定类型的铁电隧道结（FTJ）。在FTJ中，FT薄膜用作两个金属电极之间的屏障（图2B）。¹⁵FTJ的关键特性是隧道电钻（TER），这是FTJ的电阻变化与FE偏振的反转。图3中示出了TER效果的原点。3.偏振切换通过在界面处的静电电位（a）静电电位而影响接口传输功能;（b）接口粘合强度;和/或（c）与压电响应相关的应变。¹⁵

(a)静电效应是由于fjs界面上极化电荷的不完全屏蔽造成的。¹⁶这将在界面上产生有限尺寸的电荷耗尽(积累)区域，从而在具有不同电极的ftj中形成不对称的电位分布。如果在FTJ界面上增加一层薄薄的介电层，预计的TER效应会变得特别强。¹⁷(b)在原子计算中，界面键合对TER的作用变得明显。¹⁸界面的存在对负责发红极化的原子位移施加限制，因为铁电的边界处的原子粘合到电极上。（c）压电效应是重要的，因为大多数铁电都是压电的。特别地，原子位移会影响屏障中的衰减速率，从而通过它传输。¹⁸

图3．影响铁电隧道结隧穿的机制:(a)界面静电势，(b)界面键合，(c)应变。ref。# 15。

实验上，关键问题是揭示FE极化和隧穿电导之间的关系。这是最近三个实验组独立的实验观察到的与钛酸钡FE极化开关相关的TER效应的结果_3.或铅_{1 -χ}Zr._χTiO_3.铁的电影。^{19日,20日,21日}如预测，^16,17.观察到的效应是非常巨大的，显示出2 - 3个数量级的电阻变化。

多铁性超导隧道结

MFTJ是具有FM电极的FTJ，或等效为具有FE势垒的磁隧道结(MTJ)(见图2a和图2c)。¹⁵电子从FM金属电极穿过薄的绝缘阻挡层是自旋极化的。因此，在MTJ中，隧穿电流取决于两个FM电极的相对磁化方向，这种现象被称为隧穿磁阻(TMR)。在MFTJ中，TER和TMR效应共存。²²因此，MFTJ是一种四态电阻器件，电阻可以通过电场和磁场进行切换。

Srruo的第一原理运输计算_3./ BaTiO_3./ SrRuO_3.MFTJS表明，Fe位移会影响不同的界面传输，用于电极的平行和反平行磁化方向，导致TMR。⁴非对称接口终止(RuO₂/包和TiO₂/SrO)产生不同的极化轮廓时，FE极化被切换，产生TER。同样的原则应该适用于任何具有非对称接口的MFTJ。另一种MFTJ是可行的，用单相多铁氧体作为势垒(图2d)。^3.

总之，与磁电界面和铁电(多铁)隧道结相关的新兴研究领域涉及有趣的基础物理学，并为技术应用提供了令人兴奋的机会。传统器件中没有的新功能可能为纳米电子学、自旋电子学和信息存储开辟新的方向。

参考文献

1.W. Eerenstein, N. D. Mathur，和J.F. Scott，多铁质和磁电材料，自然442,759 -765(2006)。亚博网站下载
2.李建平，李建平，多铁质薄膜的研究进展，无机材料学报，6,21-29(2007)。
3.M. Gajek, M. Bibes, S. Fusil, K. Bouzehouane, J. Fontcuberta, A. Barthélémy, A. Fert，隧道连接的多铁屏障，自然材料。6,296-302(2007)。
4.J. P. Velev, c。Duan, J. D. Burton, A. Smogunov, M. Niranjan, E. Tosatti, S. S. Jaswal, E. Y. Tsymbal, Magnetic tunnel junction with铁电势垒:从第一原理预测四种电阻态，Nano Lett. 9, 427-432(2009)。
5.磁电子学与磁电学，北京:清华大学，2004。物质17,L39-L44(2005)。
6. C.-G.段，J.P.Velev，R.F.Sabirianov，Z.Zhu，J. Chu，S. jaswal和E. Y. Y. Tsycal，Fellycontic金属薄膜表面磁电效应，物理。rev. lett。101,137201（2008）。
7.J.M. Rondinelli, M. Stengel, N. Spaldin，载子介导的复杂氧化物异质结构的磁电，自然纳米技术，3,46-50(2008)。
8.M.K. Niranjan, J. d . Burton, J. P. Velev, S. S. Jaswal, E. Y. Tsymbal, SrRuO的磁电效应_3./ BaTiO_3.(001)接口:ab-initio研究，应用程序。理论物理。Lett. 95,052501(2009)。
9.C.-G。Duan, S. S. Jaswal, E. Y. Tsymbal，预测Fe/BaTiO的磁电效应_3.多层膜:磁性铁电控制，物理。Rev. Lett. 97,047201(2006)。
10. M.K.Niranjan，J.P.Velev，C.-G。段，S. S. Jaswal和E. Y. Tsymbal，Fe的磁电效应_3.O₄/ BaTiO_3.（001）界面：第一原理研究，物理。Rev. B 78,104405（2008）。
11.J. D. Burton和E. Y. Tsymbal，锰/铁电界面电诱导磁重构的预测，物理学报。Rev. B 80,174406(2009)。
12.T. Maruyama, Y. Shiota, T. Nozaki, K. Ohta, N. Toda, M. Mizuguchi, a . a . Tulapurkar, T. Shinjo, M. Shiraishi, S. Mizukami, Y. Ando和Y. Suzuki，铁原子层中电压诱导的磁各向异性的大变化。《自然纳米》，4,158-161(2009)。
13.Shiota Y.， Maruyama T.， Nozaki T.， Shinjo T.，白石M.，和Y. Suzuki，超薄铁中的电压辅助磁化开关₈₀有限公司_20.合金层,达成。理论物理。特快2,063001(2009)。
14.C.-G。liu, J. Velev, R. Sabirianov, W. Mei, S. Jaswal, E. Y. Tsymbal, et al .，铁磁/铁电界面的磁各向异性。理论物理。Lett. 92,122905(2008)。
15.E. Y. Tsymbal和H. Kohlstedt，隧道穿过铁电体，科学313,181-183(2006)。亚博老虎机网登录
16.铁电隧道结的电阻值研究，物理学报，63(2):449 - 452。Rev. Lett. 94, 246802(2005)。
17.王永平，王永平，王永平，基于复合势垒的铁电隧道结的隧穿电阻，无机材料学报。理论物理。Lett. 95,052902(2009)。
18.J. P. Velev, c。[11] Duan, K. D. Belashchenko, S. S. Jaswal, E. Y. Tsymbal, E. Y. Tsymbal, Pt/BaTiO中铁电性对电子传递的影响_3./Pt隧道连接，物理。Rev. Lett. 98, 137201(2007)。
19.V. Garcia, S. Fusil, K. Bouzehouane, S. Enouz-Vedrenne, N. D. Mathur, A. Barthélémy, M. Bibes，用于非破坏性铁电态读出的巨大隧道电阻，《自然》4608,81-84(2009)。
20.P. Maksymovych, S. Jesse, P. Yu, R. Ramesh, A.P. Baddorf, S.V. Kalinin, P. Maksymovych, S. Jesse, P. Yu, R. Ramesh, A.P. Baddorf, S.V. Kalinin, P. M亚博老虎机网登录aksymovych, S. Jesse, P. Yu, R. Ramesh, A.P. Baddorf, S.V. Kalinin, P. Maksymovych, S. Jesse, p。
21. A. Gruverman，D. Wu，H. Lu，Y. Wang，H.W.Jang，C. M. M. Fopman，M.Y。Zhuravlev，D. Felker，M.Rzchowski，C.-B。EOM，以及E. Y. Tsymbal，纳米型纳米型隧道交叉点的Tsymbal，隧道电气探测效应，纳米字母9,3539-3543（2009）。
22.M. Y. Zhuravlev, S. S. Jaswal, E. Y. Tsymbal, R. F. Sabirianov，自旋注入铁电开关，应用。理论物理。Lett. 87,222114(2005)。