多铁性材料同时具有铁电、(反)铁磁等多种铁性有序，由于其独特的磁电耦合效应，在新型磁电传感、高性能信息存储等领域有广泛的应用前景。利用多重序量子材料中各种序的共存、竞争和耦合作用，对材料的电磁学行为进行量子调控是一种不同于传统半导体微电子学的全新方案，是后摩尔时代新型电子技术的发展方向之一。近日，本研究组成员董思宁博士后研究员、殷月伟助理研究员在相关领域取得了重要进展。 
　　在多铁性新材料探索方面，董思宁博士与中国科学院物理所李建奇研究员研究组合作，设计并合成出一种具有室温多铁性的Bi_4.2K_0.8Fe₂O_9+δ单晶纳米带新材料，该材料同构于高温超导体材料Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ，具有不同于过去已知多铁性材料的结构特点。该晶体在c轴方向上由结构上类似铁酸铋的钙钛矿层和绝缘性好的盐岩层交替排列而成，所以具有天然的磁电−介电超晶格结构，并在室温下表现出显著的磁电耦合效应。这种新型结构多铁性纳米材料可能有助于构建微型磁电器件。相关研究结果以“Room temperature multiferroicity in Bi_4.2K_0.8Fe₂O_9+δ”为题发表在自然出版集团《Scientific Reports》上[Sci. Rep. 3, 1245 (2013)]。

图1. 多铁性Bi_4.2K_0.8Fe₂O_9+δ纳米带的结构示意图和形貌及微结构照片

        在多铁性原型器件研发方面，殷月伟博士取得了突破性进展。与美国宾州州立大学的李奇教授研究组、纳布拉斯卡大学的E. Y. Tsymbal教授研究组等合作，设计并制备了基于多铁性界面磁电耦合的La_0.7Sr_0.3MnO₃/La_0.5Ca_0.5MnO₃/BaTiO₃/La_0.7Sr_0.3MnO₃隧道结，通过改变BaTiO₃势垒层的铁电极化方向，可以调控处于铁磁金属-反铁磁绝缘相界处的La_0.5Ca_0.5MnO₃的空穴浓度，使其发生金属-绝缘体转变，从而显著调控铁电隧道结的隧穿参数，使得隧穿磁电阻效应提高近两个数量级。同时，该器件由于铁磁、铁电的共存而表现出四重阻态特征，能够极大地提高非易失的存储密度。此工作可能有助于非硅基电子器件性能的增强和改善。该研究成果以“Enhanced Tunnelling Electroresistance Effect due to a Ferroelectrically Induced Phase Transition at a Magnetic Complex Oxide Interface”为题发表在《Nature Materials》杂志上[Nature Materials 12, 397 (2013)]。

图2. 多铁隧道结的结构和不同极化状态的示意图

　　上述研究工作得到了国家自然科学基金委及科技部资助。