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未来信息存储的领航者——多铁性材料

稿件来源:中国科学院上海硅酸盐研究所 责任编辑:ICAC 发布时间:2020-08-13

  在现今高速发展的社会,信息存储对人类的重要性不言而喻。信息存储记录了这个社会的发展,帮助人们更好地了解这个世界并推动它的发展。在我们的印象中,纸张似乎是信息存储的开始。然而在信息载体出现之前,大脑才是最强大的信息存储器。而后出现了用于信息存储的工具——龟甲、竹片和纸张等。当时间流淌到近代,录音磁带的发明实现了模拟信号的存储,这也标志着磁性存储时代的开始。

  二十一世纪初,诺基亚成为移动手机的巅峰王者,MP3是年轻人的最爱,笔记本电脑是商务人士的标配,4G通信技术还没有投入使用,百度云尚未出生,光驱还是信息存储的中流砥柱。那时的移动和固定存储设备,主流是机械硬盘和小容量的U盘,一台几百GB的电脑和一个8GB的U盘,就足够满足人们的日常工作生活需求。

  

  图1 各类电子信息存储设备 (图片来自网络) 

  硬盘的信息存储与读取 

  在电子信息存储设备出现飞涨的现今,你是否好奇过这些通信设备是如何存储信息的呢?

  以计算机硬盘为例,首先需要了解硬盘的大致结构组成。封闭的硬盘内部包含若干个磁盘片,磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成数量相同的多个磁道,并从外缘“0”开始编号,具有相同编号的磁道形成一个圆柱,即为柱面。而每个磁道又被划分为若干个扇区,每个扇区规定是512个字节,因此,通常硬盘的存储容量=盘面数×柱面数×扇区数×512字节。

  

  图2 硬盘的内部构架 (图片来自网络) 

  硬盘进行信息的存储与读取的关键材料是磁盘片上的磁涂层。磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成,若干个磁颗粒组成一个记录单元来记录1比特(bit)信息,即0或1。

  而信息存储与读取的基本原理是物理学中的电磁感应。奥斯特发现电流通过导体时,导体周围会产生磁场;随后法拉第发现导体的磁通量发生变化时,闭合回路会产生电流。

  磁盘片的每个磁盘面都相应有一个磁头。磁盘写入时,电流通过磁头而产生的感应磁场将改变磁盘各个区域中组成磁涂层的磁颗粒的磁化方向。当给磁头施加不同的电流方向时,使磁盘局部产生不同的磁极,产生的磁极在未受到外部磁场干扰下是不会改变的,这样便将输入数据时的电信号转化为磁信号持久化到磁盘上。在磁盘读取时,磁头就相当于一个探测器,其“扫描”过磁盘面的各个区域时,各个区域中磁颗粒的不同磁化方向被感应转换成相应的电信号,电信号的变化进而被表达为“0”和“1”,成为所有数据的原始译码。通过这种双向的电磁感应作用便完成了磁盘数据的记录和读取。

  

  图3 磁盘内部结构图(图片来自网络) 

  由此可见,若想增加硬盘的存储容量,似乎需要增加磁盘片。可是近年来硬盘的趋势是小型化,要求存储设备在体积变小的同时,容量还要不断增大。这又是如何办到的?这是因为每个磁盘片上存储信息的区域变小,存储密度变大。但由此导致磁信号也随之变弱了。

  高密度的磁存储——巨磁阻效应 

  此时,基于巨磁阻效应(GMR)的读出磁头应运而生。巨磁阻效应可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层中观察到。即使在很弱的外加磁场下,这种结构物质的电阻值也可以产生很大的变化量。外加磁场的变化会改变两铁磁层的相对磁化强度取向平行或反平行。当两铁磁层的磁化取向相同(平行)时,通过的电流大电阻小;当两铁磁层的磁化取向相反(反平行)时,通过的电流小电阻变大。这二种不同的磁化状态下的电阻变化可高达到106,因此被称为巨磁阻效应。

  当巨磁阻效应应用于磁存储设备的高密度读出磁头时,即使是非常微弱的磁场,也可以引起足够的电流变化以便识别数据,从而大幅度提高了数据存储的密度,使存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大大减少。因此,巨磁阻效应的发现者也获得了2007年的诺贝尔物理学奖。

  多种“铁性”的耦合——“多铁性材料” 

  巨磁阻效应关键之一是铁磁性材料。而铁磁性仅仅是多种“铁性”之一。这里“铁性”就是“铁的基本性质”,包括我们常常听到的“铁电性”、“铁磁性”、“铁弹性”等性能。如果一个材料同时具备其中的两种或者多种性能的“铁性”,这时它便成了“多铁性材料”。

  

  图4 铁电性、铁磁性与铁弹性之间的关系 

  多铁性材料是具有铁电性、(反)铁磁性、铁弹性等两种或两种以上“铁性”而有序共存,并由于多种序参量之间的相互耦合作用产生新的效应的新型材料。概括上讲,一些材料可以随外场(电场、磁场和应力)翻转而分别发生自发极化、自发磁矩或自发应变,并呈现非线性关系而出现电滞回线、磁滞回线或铁弹回线,这样相应的物质称为铁电体、铁磁体和铁弹体。三者可统称为铁性体。

  分别具体上讲,某些具有非中心对称结构的电介质材料在一定温度范围内具有自发极化(正负电荷中心发生相对位移),而自发极化方向可随外加电场翻转的性质称为铁电性;而某些材料在一定温度范围内具有自发磁化,且在很小的磁场下就能磁化到饱和,这类材料具有的磁性称为铁磁性;某些电介质材料在一定温度范围内,应力与应变的关系曲线并非线性,而呈现与铁磁体的磁滞回线及铁电体的电滞回线相似特征的现象,这种材料则具备铁弹性。从经典电磁学的角度,磁场不会改变铁电性(电极化方向),而电场也不会改变铁磁性(电子自旋)。但从量子物理的角度出发,铁电与铁磁耦合将会产生磁电效应,即磁场可以控制材料的电极化,或者电场调控材料的磁性。

  

  图5 多铁材料磁电效应示意图 

  信息存储的关键——多铁隧道结 

  近年来,5G、云计算、大数据等新型通信技术和IT技术的迅速发展产生了大量的数据,数据的膨胀速度比存储器容量的增大速度快,而目前存储器的主流是上文提到的电流控制磁头进行信息的读写。这会带来相当大的能耗问题。而利用多铁性材料的磁电效应,即用电场替代电流调控磁场是最有希望解决能耗问题的方案之一。多铁隧道结(组成磁头的关键材料)就是具有电场调控磁性功能性的存储器原型器件之一,从而满足人们对低功耗、高密度、快速读写、大容量的非易失存储器日趋紧迫的需求。

  多铁隧道结作为多铁性材料应用的典型代表,多为铁磁/铁电(多铁)/铁磁三明治结构(如图6),是发展新型信息存储器的重要方向之一。两端的铁磁电极(FM)的磁化方向受磁场控制,而中间的铁电电极(FE)的极化方向受电场控制。由于多铁隧道结同时具备磁性隧道结的TMR效应和铁电隧道结的TER效应,因此,通过磁场和电场的控制可以达到四种不同的阻态。

  TMR效应(隧穿磁阻效应):铁磁电极磁化方向平行时,隧道结呈低阻态。铁磁电极磁化方向反平行时,隧道结呈高阻态。TER效应(隧穿电致电阻效应):铁电势垒极化方向的改变,会使隧道结电阻发生变化,从而分别产生高低阻态。

  这要归功于多铁隧道结的铁电/铁磁界面磁电耦合效应:在外加电场的作用下铁电势垒极化方向的改变,或是外加磁场作用下铁磁电极磁化方向的改变都会影响隧道结的电阻,从而产生四种不同的电阻状态。即这四种电阻状态的存在取决于上下电极的磁化方向(平行或反平行以及铁电势垒的极化方向)。

  

  图6 铁磁电极与铁电势垒组成的多铁隧道结示意图 

  (FM:铁磁电极,FE:铁电电极) 

  多铁性材料又可分为单相多铁性材料和复合多铁性材料。对于单相多铁性材料,其具有本征磁电效应,但大多数的单相多铁性材料的磁电耦合系数小,无法在室温下实现强磁电耦合效应,难以应用化。铁酸铋是目前单相本征多铁性材料中唯一在室温下有望实现强磁电耦合效应的材料,其因丰富的物理内涵和潜在的应用价值而受到了广泛的研究。而复合多铁性材料则是通过铁电相与铁磁相的耦合产生磁电效应。因此,探索并研究铁电/铁磁界面磁电耦合的各种物理机制,阐明各个机制之间的相互竞争制约的关系相当重要。

  然而迄今为止报道的室温多铁隧道结非常有限,且在室温下的磁电耦合效应还不够强,但是信息集成化存储的发展依然需要多铁性材料的领航。随着“后浪科学家们”的不断努力,也许在不远的未来,多铁性材料领航的新型信息存储器就会出现在每个人的电子设备中。

  参考文献:

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

  2. 刘俊明.多铁性:做出不可能[J].物理学进展,2019,39(05):173-179.

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

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