未來信息存儲的領航者——多鐵性材料丨科普矽立方

編者按：中科院之聲與中國科學院上海矽酸鹽研究所聯合開設「科普矽立方」專欄，為大家介紹先進無機非金屬材料的前世今生。我們將帶你——認識晶格，挑戰勢壘，尋覓暗物質，今古論陶瓷；彌補缺陷，能級躍遷，嫦娥織外衣，溢彩話琉璃。

在現今高速發展的社會，信息存儲對人類的重要性不言而喻。信息存儲記錄了這個社會的發展，幫助人們更好地了解這個世界並推動它的發展。在我們的印象中，紙張似乎是信息存儲的開始。然而在信息載體出現之前，大腦才是最強大的信息存儲器。而後出現了用於信息存儲的工具——龜甲、竹片和紙張等。當時間流淌到近代，錄音磁帶的發明實現了模擬信號的存儲，這也標誌著磁性存儲時代的開始。

二十一世紀初，諾基亞成為移動手機的巔峰王者，MP3是年輕人的最愛，筆記本電腦是商務人士的標配，4G通信技術還沒有投入使用，百度雲尚未出生，光碟機還是信息存儲的中流砥柱。那時的移動和固定存儲設備，主流是機械硬碟和小容量的U盤，一臺幾百GB的電腦和一個8GB的U盤，就足夠滿足人們的日常工作生活需求。

圖1 各類電子信息存儲設備 （圖片來自網絡）

硬碟的信息存儲與讀取

在電子信息存儲設備出現飛漲的現今，你是否好奇過這些通信設備是如何存儲信息的呢？

以計算機硬碟為例，首先需要了解硬碟的大致結構組成。封閉的硬碟內部包含若干個磁碟片，磁碟片的每一面都被以轉軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成數量相同的多個磁軌，並從外緣「0」開始編號，具有相同編號的磁軌形成一個圓柱，即為柱面。而每個磁軌又被劃分為若干個扇區，每個扇區規定是512個字節，因此，通常硬碟的存儲容量=盤面數×柱面數×扇區數×512位元組。

圖2 硬碟的內部構架 （圖片來自網絡）

硬碟進行信息的存儲與讀取的關鍵材料是磁碟片上的磁塗層。磁塗層是由數量眾多的、體積極為細小的磁顆粒組成，若干個磁顆粒組成一個記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即0或1。

而信息存儲與讀取的基本原理是物理學中的電磁感應。奧斯特發現電流通過導體時，導體周圍會產生磁場；隨後法拉第發現導體的磁通量發生變化時，閉合迴路會產生電流。

磁碟片的每個磁碟面都相應有一個磁頭。磁碟寫入時，電流通過磁頭而產生的感應磁場將改變磁碟各個區域中組成磁塗層的磁顆粒的磁化方向。當給磁頭施加不同的電流方向時，使磁碟局部產生不同的磁極，產生的磁極在未受到外部磁場幹擾下是不會改變的，這樣便將輸入數據時的電信號轉化為磁信號持久化到磁碟上。在磁碟讀取時，磁頭就相當於一個探測器，其「掃描」過磁碟面的各個區域時，各個區域中磁顆粒的不同磁化方向被感應轉換成相應的電信號，電信號的變化進而被表達為「0」和「1」，成為所有數據的原始解碼。通過這種雙向的電磁感應作用便完成了磁碟數據的記錄和讀取。

圖3 磁碟內部結構圖（圖片來自網絡）

由此可見，若想增加硬碟的存儲容量，似乎需要增加磁碟片。可是近年來硬碟的趨勢是小型化，要求存儲設備在體積變小的同時，容量還要不斷增大。這又是如何辦到的？這是因為每個磁碟片上存儲信息的區域變小，存儲密度變大。但由此導致磁信號也隨之變弱了。

高密度的磁存儲——巨磁阻效應

此時，基於巨磁阻效應（GMR）的讀出磁頭應運而生。巨磁阻效應可以在磁性材料和非磁性材料相間的薄膜層中觀察到。即使在很弱的外加磁場下，這種結構物質的電阻值也可以產生很大的變化量。外加磁場的變化會改變兩鐵磁層的相對磁化強度取向平行或反平行。當兩鐵磁層的磁化取向相同（平行）時，通過的電流大電阻小；當兩鐵磁層的磁化取向相反（反平行）時，通過的電流小電阻變大。這二種不同的磁化狀態下的電阻變化可高達到10⁶，因此被稱為巨磁阻效應。

當巨磁阻效應應用於磁存儲設備的高密度讀出磁頭時，即使是非常微弱的磁場，也可以引起足夠的電流變化以便識別數據，從而大幅度提高了數據存儲的密度，使存儲單字節數據所需的磁性材料尺寸大大減少。因此，巨磁阻效應的發現者也獲得了2007年的諾貝爾物理學獎。

多種「鐵性」的耦合——「多鐵性材料」

巨磁阻效應關鍵之一是鐵磁性材料。而鐵磁性僅僅是多種「鐵性」之一。這裡「鐵性」就是「鐵的基本性質」，包括我們常常聽到的「鐵電性」、「鐵磁性」、「鐵彈性」等性能。如果一個材料同時具備其中的兩種或者多種性能的「鐵性」，這時它便成了「多鐵性材料」。

圖4 鐵電性、鐵磁性與鐵彈性之間的關係

多鐵性材料是具有鐵電性、（反）鐵磁性、鐵彈性等兩種或兩種以上「鐵性」而有序共存，並由於多種序參量之間的相互耦合作用產生新的效應的新型材料。概括上講，一些材料可以隨外場（電場、磁場和應力）翻轉而分別發生自發極化、自發磁矩或自發應變，並呈現非線性關係而出現電滯回線、磁滯回線或鐵彈回線，這樣相應的物質稱為鐵電體、鐵磁體和鐵彈體。三者可統稱為鐵性體。

分別具體上講，某些具有非中心對稱結構的電介質材料在一定溫度範圍內具有自發極化（正負電荷中心發生相對位移），而自發極化方向可隨外加電場翻轉的性質稱為鐵電性；而某些材料在一定溫度範圍內具有自發磁化，且在很小的磁場下就能磁化到飽和，這類材料具有的磁性稱為鐵磁性；某些電介質材料在一定溫度範圍內，應力與應變的關係曲線並非線性，而呈現與鐵磁體的磁滯回線及鐵電體的電滯回線相似特徵的現象，這種材料則具備鐵彈性。從經典電磁學的角度，磁場不會改變鐵電性（電極化方向），而電場也不會改變鐵磁性（電子自旋）。但從量子物理的角度出發，鐵電與鐵磁耦合將會產生磁電效應，即磁場可以控制材料的電極化，或者電場調控材料的磁性。

圖5 多鐵材料磁電效應示意圖

信息存儲的關鍵——多鐵隧道結

近年來，5G、雲計算、大數據等新型通信技術和IT技術的迅速發展產生了大量的數據，數據的膨脹速度比存儲器容量的增大速度快，而目前存儲器的主流是上文提到的電流控制磁頭進行信息的讀寫。這會帶來相當大的能耗問題。而利用多鐵性材料的磁電效應，即用電場替代電流調控磁場是最有希望解決能耗問題的方案之一。多鐵隧道結（組成磁頭的關鍵材料）就是具有電場調控磁性功能性的存儲器原型器件之一，從而滿足人們對低功耗、高密度、快速讀寫、大容量的非易失存儲器日趨緊迫的需求。

多鐵隧道結作為多鐵性材料應用的典型代表，多為鐵磁/鐵電(多鐵)/鐵磁三明治結構（如圖6），是發展新型信息存儲器的重要方向之一。兩端的鐵磁電極（FM）的磁化方向受磁場控制，而中間的鐵電電極（FE）的極化方向受電場控制。由於多鐵隧道結同時具備磁性隧道結的TMR效應和鐵電隧道結的TER效應，因此，通過磁場和電場的控制可以達到四種不同的阻態。

TMR效應（隧穿磁阻效應）：鐵磁電極磁化方向平行時，隧道結呈低阻態。鐵磁電極磁化方向反平行時，隧道結呈高阻態。TER效應（隧穿電致電阻效應）：鐵電勢壘極化方向的改變，會使隧道結電阻發生變化，從而分別產生高低阻態。

這要歸功於多鐵隧道結的鐵電/鐵磁界面磁電耦合效應：在外加電場的作用下鐵電勢壘極化方向的改變，或是外加磁場作用下鐵磁電極磁化方向的改變都會影響隧道結的電阻，從而產生四種不同的電阻狀態。即這四種電阻狀態的存在取決於上下電極的磁化方向（平行或反平行以及鐵電勢壘的極化方向）。

圖6 鐵磁電極與鐵電勢壘組成的多鐵隧道結示意圖

（FM：鐵磁電極，FE：鐵電電極）

多鐵性材料又可分為單相多鐵性材料和複合多鐵性材料。對於單相多鐵性材料，其具有本徵磁電效應，但大多數的單相多鐵性材料的磁電耦合係數小，無法在室溫下實現強磁電耦合效應，難以應用化。鐵酸鉍是目前單相本徵多鐵性材料中唯一在室溫下有望實現強磁電耦合效應的材料，其因豐富的物理內涵和潛在的應用價值而受到了廣泛的研究。而複合多鐵性材料則是通過鐵電相與鐵磁相的耦合產生磁電效應。因此，探索並研究鐵電/鐵磁界面磁電耦合的各種物理機制，闡明各個機制之間的相互競爭制約的關係相當重要。

然而迄今為止報導的室溫多鐵隧道結非常有限，且在室溫下的磁電耦合效應還不夠強，但是信息集成化存儲的發展依然需要多鐵性材料的領航。隨著「後浪科學家們」的不斷努力，也許在不遠的未來，多鐵性材料領航的新型信息存儲器就會出現在每個人的電子設備中。

參考文獻：

1. Spaldin N A, Fiebig M. The Renaissance of Magnetoelectric Multiferroics[J]. Science, 2005, 309(5733): p.391-392.

2. 劉俊明.多鐵性:做出不可能[J].物理學進展,2019,39(05):173-179.

3. Garcia V , Bibes M . Ferroelectric tunnel junctions for information storage and processing[J]. Nature Communications, 2014, 5.

來源：中國科學院上海矽酸鹽研究所