多铁性材料具有共存的铁电性和磁性, 是一种 新型多功能材料, 提供了同时用电极化和磁化来编 码储存信息的可能性. 更有价值的是, 共存的磁性和 铁电性之间存在强烈的耦合, 从而可能实现磁性和 铁电性的互相调控. 因此, 仅就目前的预测来看, 多 铁性材料在传感器、自旋电子学等领域有广阔的应用 前景; 许多潜在的应用正随着研究工作的深入而不 断揭示出来[115~120].
最简单和直接的应用是利用电极化(电压)对外
1123 图33 不同温度和电磁场构形下GdMnO3和TbMnO3的介电谱[110]
图34 TbMn2O5 ((a)和(b))和YMn2O5((c)和(d))在不同温度和构形下的远红外透射谱[111]
加 磁 场 的 敏 感 性 来 制 作 磁 场 传 感 器, 如图36所 示.
这一应用这里不再详述, 而其逆过程—— 外加电场或 电极化的改变对系统磁矩的影响, 似乎更具吸引力.
遗憾的是, 目前几乎所有的单相多铁性材料都是反
铁磁的, 不表现出宏观磁矩或者宏观磁矩很小, 外加 电场或电极化的改变即使导致磁化方向的变化, 在 宏观上也难以体现出来. 因此, 反铁磁状态对外加电 场的响应很难监测.
图35 (a)和(b)分别为TbMnO3中顺电相和铁电相下由非弹性中子散射实验得到的自旋波色散关系, 图中虚线是LaMnO3的 色散关系, 以便比较; (c)为两种相下的元激发谱, (d)为铁电相下螺旋状自旋序的三个磁振子模式的示意图[112]
图 36 采用多铁性材料测量磁场的示意. 图中中间层(白 色区域)为多铁性材料层, 而上下两层(灰色)为铁磁金属.
外加磁场在多铁性材料中产生垂直于磁场方向的极化, 从 而得到了一个电压
Ramesh 等提出可以利用反铁磁对铁磁的磁钉扎 (magnetic pinning)来实现对这一效应的观测. 他们指 出可以在反铁磁的多铁性材料薄膜上生长一层软磁 材料(非常类似于 GMR 器件—— 自旋阀中的情况), 结构如图37所示. 由于磁钉扎效应, 外加磁场导致
图37 反铁磁-铁电多铁性材料薄膜上生长一层软铁磁材 料. 这样多铁性材料会对铁磁层产生磁钉扎效应. 而外加 电场导致多铁性材料磁性的改变通过磁钉扎效应会使铁磁
层磁化反向[115]
反铁磁多铁性材料磁矩改变, 由此导致软铁磁层磁 化方向改变, 从而实现信息的读取[115].
基于这一想法, 有人在(0001)方向外延生长的 YMnO3 薄 膜 上 生 长 一 层 N iF e合 金 薄 膜 , 观 测 到 YMnO3薄膜的反铁磁性的确对NiFe合金磁矩(亦即永 磁合金Py)起到了钉扎和交换偏置(exchange bias)作
用 [116]. 考虑到多铁性材料中铁电性与磁性总是存在
一定程度的耦合和调控, 反铁磁性和铁电性的耦合
1125 必然会影响铁磁层的性质, 因此研究者认为电场应
该会影响反铁磁对铁磁层的交换偏置. 实验首先采 用Cr2O3这一表现出磁电耦合效应但不是多铁性材料 的反铁磁体作为钉扎层, 制备Cr2O3/铁磁合金双层结
构[117]. 采用YMnO3这一多铁性体作为钉扎层的交换
偏置系统Pt/YMnO3/Py(结构如图 38(b)中的插图所示) 表现出更为显著的性质[118], 如图38所示. 图 38(a)是不 同外加电场下系统于2 K时的磁滞回线. 可以看到在 外加偏置电场Ve=0 时, 回线明显偏离中心, 表明存在 一个大约为60 Oe(1 Oe=79.58 A/m)的偏置磁场. 而 随着温度增加, 系统磁矩迅速下降, 偏置场也随之下 降, 如图38(a)中的小图所示. 这可能是由于YMnO3
具 有 很 低 的 面 内 磁 晶 各 向 异 性( m a g n e t i c a n i - sotropy)所致. 外加电场使得 M(H)回线偏置逐渐消失, 当外加电场增加到1.2 V 时, 回线变成了完全中央对 称形状. 这一过程表明, 适当强度的电场可以导致 Py 磁化反转. 如图 38(b)所示, 在 3 kOe 的磁场下将 样品冷却到2 K 之后, 于−100 Oe 磁场下测量系统的 磁矩, 可以发现随着外加电场增加, 系统磁矩反向.
这一实验表明, 通过这样一个耦合系统能够实现电
图38 (a) Pt/YMnO3/Py 结构在不同外加电场 Ve下的M(H) 回线, 插图给出了磁化强度同温度的关系; (b) 磁化强度
同外加电场Ve的关系, 插图给出了系统结构示意图[118]
场对磁矩方向的调控. 应注意到, 如果再减小甚至改 变外加电场的方向却不能使磁矩还原.
外加电场对系统的输运性质也有很大的调控作 用. 图 39 所示为 5 K下不同外加电场下系统的各向异 性 磁 电 阻 效 应(anisotropic magnetoresistance effect, AMR), θ是外加磁场同测量电流方向之间的夹角. 可 以发现, 当外加电场增加时, ~270 K附近出现一额外 的电阻极小. 这是因为外加偏置电压使得共轴交换 偏置能量势垒降低[118].
图39 不同外加电场Ve下Pt/YMnO3/Py结构的各向异性 磁电阻效应[118]
最近, 铁电随机读取存储器取得了很多进展, 读 写时间缩短到5 ns, 存储密度达到了 64 Mb. 然而有一 个重要的问题—— 非破坏性读取问题, 还没得到解决.
而恰恰相反, 磁随机存储器(MRAM)的读取是非破坏 性的, 但由于其读取时间较慢以及磁写入所需功率 较 大 等 缺 点, 最近的发展不是很快, 直到 2006 年 Freescale公司才宣布研制成功一很小容量的MRAM用 于 测 试. 多 铁 性 材 料 的 出 现 使 得 联 合 FeRAM 和 MRAM各自优点—— 低功率电写入操作和非破坏性 磁 读 取 操 作 成 为 可 能. 因 此 有 可 能 同 EEPROMs (electrically erasable programmable read-only memo-ries)等竞争. 最近, 法国Fert教授(GMR效应的发现人, 2007 年获得Nobel物理学奖)研究组采用多铁性材料 La0.1Bi0.9MnO3(LBMO) 超 薄 薄 膜 材 料 作 为 磁 隧 道 结 (magnetic tunneling junction, MTJ)中绝缘层(barrier), 发现这一系统的电阻表现出四态行为 [119]. 该隧道结 分别采用磁性的La2/3Sr1/3MnO3(LSMO)和非磁性金属 Au作为底电极和上电极, 其结构和能级示意图如图
40 所示. 2 nm厚的LBMO薄膜仍然保持铁电性和铁磁 性, 如图 41 所示. 该结构表现出正常的隧道磁电阻 效应, 即当底电极LSMO和绝缘层LBMO的磁化方向 一致时, 系统具有较低的电阻率; 而当两者磁化方向 相反时, 电阻率较高(图 42).
图40 各种情况下LSMO/LBMO/Au结构的能量
示意图[119]
除了多铁性 LBMO 薄膜绝缘层的磁化行为能影 响隧道结的电阻之外, 其铁电行为也能影响隧道结 的电阻, 使隧道结表现出较大电致电阻效应. 图 43(a) 是这一系统的I-V 特性曲线, 可以看到很清楚的回线 特征: 当外加电场从+2 V 到−2 V 时隧穿电流 I 较小.
因此外加电场会对系统的 TMR 效应有很大影响, 如 图43(c)所示. 施加正方向电场+2 V 后, 隧道结电阻 会较高. 这样, 在这一系统中就实现了电阻四态系统, 如图43(d)~(g)所示, 可以在其中实现信息存储.