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圖1 各類電子信息存儲設(shè)備 （圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

編者按：中科院之聲與中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所聯(lián)合開設(shè)“科普硅立方”專欄，為大家介紹先進(jìn)無機(jī)非金屬材料的前世今生。我們將帶你——認(rèn)識晶格，挑戰(zhàn)勢壘，尋覓暗物質(zhì)，今古論陶瓷；彌補(bǔ)缺陷，能級躍遷，嫦娥織外衣，溢彩話琉璃。

在現(xiàn)今高速發(fā)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(fā)展，幫助人們更好地了解這個世界并推動它的發(fā)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(xiàn)之前，大腦才是最強(qiáng)大的信息存儲器。而后出現(xiàn)了用于信息存儲的工具——龜甲、竹片和紙張等。當(dāng)時間流淌到近代，錄音磁帶的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了模擬信號的存儲，這也標(biāo)志著磁性存儲時代的開始。

二十一世紀(jì)初，諾基亞成為移動手機(jī)的巔峰王者，MP3是年輕人的最愛，筆記本電腦是商務(wù)人士的標(biāo)配，4G通信技術(shù)還沒有投入使用，百度云尚未出生，光驅(qū)還是信息存儲的中流砥柱。那時的移動和固定存儲設(shè)備，主流是機(jī)械硬盤和小容量的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。

硬盤的信息存儲與讀取

在電子信息存儲設(shè)備出現(xiàn)飛漲的現(xiàn)今，你是否好奇過這些通信設(shè)備是如何存儲信息的呢？

以計算機(jī)硬盤為例，首先需要了解硬盤的大致結(jié)構(gòu)組成。封閉的硬盤內(nèi)部包含若干個磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉(zhuǎn)軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成數(shù)量相同的多個磁道，并從外緣“0”開始編號，具有相同編號的磁道形成一個圓柱，即為柱面。而每個磁道又被劃分為若干個扇區(qū)，每個扇區(qū)規(guī)定是512個字節(jié)，因此，通常硬盤的存儲容量=盤面數(shù)×柱面數(shù)×扇區(qū)數(shù)×512字節(jié)。

圖2 硬盤的內(nèi)部構(gòu)架 （圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

硬盤進(jìn)行信息的存儲與讀取的關(guān)鍵材料是磁盤片上的磁涂層。磁涂層是由數(shù)量眾多的、體積極為細(xì)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(xué)中的電磁感應(yīng)。奧斯特發(fā)現(xiàn)電流通過導(dǎo)體時，導(dǎo)體周圍會產(chǎn)生磁場；隨后法拉第發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化時，閉合回路會產(chǎn)生電流。

磁盤片的每個磁盤面都相應(yīng)有一個磁頭。磁盤寫入時，電流通過磁頭而產(chǎn)生的感應(yīng)磁場將改變磁盤各個區(qū)域中組成磁涂層的磁顆粒的磁化方向。當(dāng)給磁頭施加不同的電流方向時，使磁盤局部產(chǎn)生不同的磁極，產(chǎn)生的磁極在未受到外部磁場干擾下是不會改變的，這樣便將輸入數(shù)據(jù)時的電信號轉(zhuǎn)化為磁信號持久化到磁盤上。在磁盤讀取時，磁頭就相當(dāng)于一個探測器，其“掃描”過磁盤面的各個區(qū)域時，各個區(qū)域中磁顆粒的不同磁化方向被感應(yīng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，電信號的變化進(jìn)而被表達(dá)為“0”和“1”，成為所有數(shù)據(jù)的原始譯碼。通過這種雙向的電磁感應(yīng)作用便完成了磁盤數(shù)據(jù)的記錄和讀取。

圖3 磁盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

由此可見，若想增加硬盤的存儲容量，似乎需要增加磁盤片?？墒墙陙碛脖P的趨勢是小型化，要求存儲設(shè)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?yàn)槊總€磁盤片上存儲信息的區(qū)域變小，存儲密度變大。但由此導(dǎo)致磁信號也隨之變?nèi)趿恕?span lang="EN-US">

高密度的磁存儲——巨磁阻效應(yīng)

此時，基于巨磁阻效應(yīng)（GMR）的讀出磁頭應(yīng)運(yùn)而生。巨磁阻效應(yīng)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(jié)構(gòu)物質(zhì)的電阻值也可以產(chǎn)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(qiáng)度取向平行或反平行。當(dāng)兩鐵磁層的磁化取向相同（平行）時，通過的電流大電阻??；當(dāng)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(tài)下的電阻變化可高達(dá)到10⁶，因此被稱為巨磁阻效應(yīng)。

當(dāng)巨磁阻效應(yīng)應(yīng)用于磁存儲設(shè)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(shù)據(jù)，從而大幅度提高了數(shù)據(jù)存儲的密度，使存儲單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大大減少。因此，巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者也獲得了2007年的諾貝爾物理學(xué)獎。

多種“鐵性”的耦合——“多鐵性材料”

巨磁阻效應(yīng)關(guān)鍵之一是鐵磁性材料。而鐵磁性僅僅是多種“鐵性”之一。這里“鐵性”就是“鐵的基本性質(zhì)”，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(guān)系

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，并由于多種序參量之間的相互耦合作用產(chǎn)生新的效應(yīng)的新型材料。概括上講，一些材料可以隨外場（電場、磁場和應(yīng)力）翻轉(zhuǎn)而分別發(fā)生自發(fā)極化、自發(fā)磁矩或自發(fā)應(yīng)變，并呈現(xiàn)非線性關(guān)系而出現(xiàn)電滯回線、磁滯回線或鐵彈回線，這樣相應(yīng)的物質(zhì)稱為鐵電體、鐵磁體和鐵彈體。三者可統(tǒng)稱為鐵性體。

分別具體上講，某些具有非中心對稱結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)材料在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化（正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移），而自發(fā)極化方向可隨外加電場翻轉(zhuǎn)的性質(zhì)稱為鐵電性；而某些材料在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)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(zhì)材料在一定溫度范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線并非線性，而呈現(xiàn)與鐵磁體的磁滯回線及鐵電體的電滯回線相似特征的現(xiàn)象，這種材料則具備鐵彈性。從經(jīng)典電磁學(xué)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(fā)，鐵電與鐵磁耦合將會產(chǎn)生磁電效應(yīng)，即磁場可以控制材料的電極化，或者電場調(diào)控材料的磁性。

圖5 多鐵材料磁電效應(yīng)示意圖

信息存儲的關(guān)鍵——多鐵隧道結(jié)

近年來，5G、云計算、大數(shù)據(jù)等新型通信技術(shù)和IT技術(shù)的迅速發(fā)展產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)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(jìn)行信息的讀寫。這會帶來相當(dāng)大的能耗問題。而利用多鐵性材料的磁電效應(yīng)，即用電場替代電流調(diào)控磁場是最有希望解決能耗問題的方案之一。多鐵隧道結(jié)（組成磁頭的關(guān)鍵材料）就是具有電場調(diào)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(jié)作為多鐵性材料應(yīng)用的典型代表，多為鐵磁/鐵電(多鐵)/鐵磁三明治結(jié)構(gòu)（如圖6），是發(fā)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。由于多鐵隧道結(jié)同時具備磁性隧道結(jié)的TMR效應(yīng)和鐵電隧道結(jié)的TER效應(yīng)，因此，通過磁場和電場的控制可以達(dá)到四種不同的阻態(tài)。

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

這要?dú)w功于多鐵隧道結(jié)的鐵電/鐵磁界面磁電耦合效應(yīng)：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(jié)的電阻，從而產(chǎn)生四種不同的電阻狀態(tài)。即這四種電阻狀態(tài)的存在取決于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(jié)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復(fù)合多鐵性材料。對于單相多鐵性材料，其具有本征磁電效應(yīng)，但大多數(shù)的單相多鐵性材料的磁電耦合系數(shù)小，無法在室溫下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)，難以應(yīng)用化。鐵酸鉍是目前單相本征多鐵性材料中唯一在室溫下有望實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)的材料，其因豐富的物理內(nèi)涵和潛在的應(yīng)用價值而受到了廣泛的研究。而復(fù)合多鐵性材料則是通過鐵電相與鐵磁相的耦合產(chǎn)生磁電效應(yīng)。因此，探索并研究鐵電/鐵磁界面磁電耦合的各種物理機(jī)制，闡明各個機(jī)制之間的相互競爭制約的關(guān)系相當(dāng)重要。

然而迄今為止報道的室溫多鐵隧道結(jié)非常有限，且在室溫下的磁電耦合效應(yīng)還不夠強(qiáng)，但是信息集成化存儲的發(fā)展依然需要多鐵性材料的領(lǐng)航。隨著“后浪科學(xué)家們”的不斷努力，也許在不遠(yuǎn)的未來，多鐵性材料領(lǐng)航的新型信息存儲器就會出現(xiàn)在每個人的電子設(shè)備中。

參考文獻(xiàn)：

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(xué)進(jìn)展,2019,39(05):173-179.

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

作者：楊帆  來源：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所