磁电界面 - 新功能的新兴视角

磁电（ME）材料是外部磁场影响极化的材料，欧洲杯足球竞彩并且电场影响材料的磁化。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。

ME耦合在多铁材料中通常更强，多铁材料同时表现出两个(或更多)铁阶，例如铁电和反铁磁性。欧洲杯足球竞彩例如,BiFeO_3.是一个室温多体型，具有反铁磁Neel温度Tn = 643K和铁电居里温度Tc = 1103K。²

由于多铁材料具有新的器件功欧洲杯足球竞彩能，近年来引起了人们的广泛关注。磁电型多铁体允许用电场转换磁化强度。这为信息存储应用程序提供了大量的机会。特别是，这种特性可以消除磁性随机过剩存储器(MRAM)小型化的主要障碍，因为写操作需要磁场或大电流。另一种可能是具有多种稳定状态的内存位元的发展^3,4.或混合存储和逻辑功能。⁵

然而，体块多铁材料的数量有限，特别是那些在室温下保持ME性能的多欧洲杯足球竞彩铁材料。复合多铁材料，如铁电(FE)和铁磁(FM)化合物的层状异质结构，极大地拓宽了多铁材料的种类。欧洲杯足球竞彩这些异质结构中的ME耦合发生在界面之间。

可以预料到两种类型的ME耦合:(i)直接由于界面上的电子效应;(ii)由菌株间接介导。到目前为止，几乎所有的实际结构都使用材料的弹性特性来调解ME耦合。然而，从涉及的物理和设备应用的角度来看，更有趣的是通过纯电子机制发生的耦合。

在过去的几年内，内布拉斯加州大学理论群体和材料研究科学与工程中心（MRSEC）投入了易于理解磁电界面的物理性质的重大努力。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球这些研究的焦点上的三种类型的现象：（i）影响电场界面（表面）磁化，特别是通过相邻的Fe层的Fe偏振，（ii）对表面磁镀型各向异性的影响;（iii）电子和旋转运输在铁电（多体型）隧道连接中的FM / FE接口。

接口磁化

当金属膜暴露于电场时，感应表面电荷σ=ε₀E在金属的屏蔽长度范围内屏蔽电场。在FM金属中，屏蔽电荷是依赖于自旋的，由于自旋带的交换分裂，诱导了表面磁化米_S.如图1所示。第一性原理计算表明，元素FM金属的ME响应较小，与Cr的阶数相同₂O_3.但仅限于表面。⁶

图1．由于施加的电场引起Fe（001）表面上的旋转密度。

可以在铁磁素和电介质之间的界面上基本上增强ME效果，因为感应的表面电荷与介电常数缩放。对于高k电介质，介电常数可以大约100甚至更大，这通过两个或更多个数量级来增加我的响应。⁷

电子驱动的ME效应可以通过使用FE材料产生场效应进一步增强。在这种情况下，FM材料中的自旋依赖屏蔽发生在FE/FM界面的极化电荷的响应中。后者可以通过开关FE极化来改变。这种ME效应被预测在SrRuO中_3./ Batio._3.界面磁矩变化为0.31µ_B在界面RU原子从FE偏振逆转导致。⁸

界面粘合机制可以在ME在FM / FE接口的ME效果中起重要作用。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）接口显示界面磁矩的大变化，0.25μ_B当电场改变电极化时，每个接口单元单元的电压。⁹预计FE的类似效果_3.O₄/ Batio._3.接口。¹⁰有趣的是，对于洛杉矶来说_1-χ一个_χmno._3./ Batio._3.(001)界面，其中A是一个二价阳离子，通过反转FE极化，有可能将界面磁序从铁磁转换为反铁磁。¹¹

表面磁晶各向异性

特别是有希望的是通过施加的电场控制磁性材料的磁镀各向异性（MCA）。由于MCA确定磁化的稳定取向，因此通过电场定制FM膜的各向异性允许切换磁矩。

对于金属铁磁体，电子驱动的ME效果限制在界面上，因此电场仅影响表面（接口）MCA。⁶3.d铁磁体的这种效应是由相对分布的变化引起的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

界面中MCA能量的变化可用于施加电场的磁化开关。⁶最近，在实验上实验该预测，用于表现出垂直MCA的MgO / FECO界面。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。

更有效的是，可以在FE/FM接口上控制MCA。Fe/BaTiO的第一性原理计算_3.双分子层显示BaTiO的电极化发生了逆转_3.在Fe膜的表面MCA能量中产生相当大的变化。¹⁴

铁电和多铁隧道结

多铁隧道结(MFTJs)是一种多功能器件的新概念，最近引起了人们的广泛关注。¹⁵MFTJS利用MFTJ成分的FM和FE偏振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);(b)铁电隧道结(FTJ);(c, d)多铁隧道结(MFTJ)， MTJ中有铁电势垒(c)和多铁势垒(d)。铁磁层(FM)、铁电层(FE)、普通金属层(NM)、绝缘层(I)和多铁层(MF)在适当的地方被指出。

铁电隧道连接

MFTJ是一种特殊类型的铁电隧道结(FTJ)。在FTJ中，FE薄膜充当两个金属电极之间的屏障(图2b)。¹⁵FTJ的关键特性是隧穿电阻(TER)，即随着FE极化的反转，FTJ的电阻发生变化。图3说明了TER效应的起源。极化开关通过改变(a)界面上的静电势来影响界面传输函数;(b)界面结合强度;和/或(c)与压电响应相关的应变。¹⁵

(a)静电效应是由于FTJs界面极化电荷的不完全屏蔽造成的。¹⁶这在接口处产生有限尺寸的电荷耗尽（累积）区域，因此在具有不同电极的FTJ中的不对称电位配置文件。如果放置在FTJ界面处额外的薄介电层，则预测的TER效应变得特别强。¹⁷（b）在原子计算中对TER的界面键合效果变得显而易见。¹⁸界面的存在限制了自发极化的原子位移，因为铁电边界上的原子是结合在电极上的。(c)压电效应很重要，因为大多数铁电体都是压电的。特别是，原子位移影响势垒中的衰变率，从而影响通过势垒的透射率。¹⁸

图3.．影响铁电隧道结中隧道隧道的机制：（a）界面处的静电电位，（b）界面粘合，（c）菌株。参考后。＃15。

在实验上，关键问题是揭示FE极化与隧道电导之间的关系。最近，三个实验小组报告了与BaTiO的FE极化开关相关的TER效应的独立实验观察结果_3.或PB._1-χZr._χTiO_3.铁的电影。^19,20,21如预测，^16、17观察到的影响是非常巨大的，显示出电阻变化的2 - 3个数量级。

多体隧道连接

MFTJ是具有FM电极的FTJ，或者等效地具有Fe屏障的磁隧道结（MTJ）（参见图2A和2C）。¹⁵通过薄的绝缘阻挡层从FM金属电极的电子隧穿是旋偏的。结果，在MTJ中，隧道电流取决于两个FM电极的相对磁化取向，这是称为隧道磁阻（TMR）的现象。在MFTJ中，TER和TMR效果共存。²²因此，MFTJ表示四个状态电阻器件，其中可以通过电场和磁场切换电阻。

SrRuO的第一性原理输运计算_3./ Batio._3./ SrRuO_3.MFTJs表明，FE位移对平行和反平行磁化取向的界面透射有不同的影响，从而导致TMR。⁴非对称接口终止(RuO₂/包和TiO₂/ SRO）在切换FE偏振时，产生不同的偏振曲线，产生TER。相同的原则应该适用于任何带有非对称界面的MFTJ。另一种类型的MFTJ是可行的，其中单相多体是用作屏障（图2D）。^3.

总之，新兴的研究领域与磁电界面和铁电（多元）隧道交叉路口有关的有趣基础物理，为技术应用提供令人兴奋的机会。传统设备中不可用的新功能可能打开纳米电子，闪光灯和信息存储的新方向。

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