进展 | 基于单相多铁性材料实现室温非易失存储器

进入二十一世纪以来，人类已步入了信息时代，全球产生的数据总量正以年均50%的速度急剧增长。大量的数据需要存储，一方面带来了巨大的市场，另一方面也对信息存储技术提出了更高的要求。存储器通常分为易失性（volatile）和非易失性（nonvolatile）两大类。目前，计算机内存采用的动态和静态随机存储器（DRAM和SRAM）都属于易失性，在断电时存储的信息立即丢失。非易失存储器不仅在无电源供应时依然保持存储的数据，并且可以极大地降低功耗。因此，兼有高速度、大容量、低功耗和非易失等优点的新一代存储器，是信息存储技术未来发展的终极目标。基于不同的存储介质和工作原理，人们已经提出了多种非易失随机存储器, 如磁电阻存储器（MRAM）、铁电存储器（FeRAM）、阻变存储器（RRAM）和相变存储器（PCRAM）等。近年来，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心孙阳研究组围绕多铁性与磁电耦合效应开展了深入系统的研究，在国际上首先提出了一种基于非线性磁电耦合效应的新型非易失存储器—忆耦器。忆耦器采用磁电耦合系数的状态存储二进制信息，具有电写磁读、高速度、低功耗、并行读取、结构简单、易于制备等优点。孙阳研究组基于铁电/铁磁复合多铁性材料制备了一系列忆耦器，分别在室温下成功演示了非易失两态存储、多态存储和布尔逻辑运算[Phys. Rev. Applied 6, 021001 (2016)；Phys. Rev. Applied 6, 064028 (2016)；Appl. Phys. Lett. 109, 252902 (2016)]。

近期，孙阳研究组的博士生翟昆与尚大山副研究员、柴一晟副研究员等在忆耦器的研究方面取得了新的进展，首次基于单相多铁性材料的磁电耦合效应实现了室温非易失存储器。磁电耦合效应是指磁场改变电极化强度或者电场改变磁化强度的物理现象。单相材料的磁电耦合效应通常比较微弱，并且往往发生在低温，因而难以得到实际应用。孙阳研究组发现一种Z型六角铁氧体Sr₃Co₂Fe₂₄O₄₁单晶材料，在室温下具有螺旋锥型磁结构，可由逆Dzyaloshinskii-Moriya相互作用产生宏观电极化，并表现出蝴蝶曲线形状的非线性磁电耦合效应，因而可以用于构建忆耦器。他们的实验结果表明，基于该单相多铁性材料的忆耦器在室温下具有非易失信息存储功能，通过施加脉冲电压可以改变材料的一阶磁电耦合系数（α）或者二阶磁电耦合系数（β）的状态，从而实现二进制信息的非易失存储。这一工作首次将单相多铁性材料应用于室温的信息功能器件中，为自旋诱导的单相多铁性材料的实际应用奠定了基础。
　　

以上研究结果已经在线发表于Advanced Functional Materials 28, 1705771 (2018)。该工作得到了国家自然科学基金（11534015，51725104，51671213, 11674348），科技部（2016YFA0300701）和中国科学院（XDB07000000）项目的支持。参与本工作的合作者还包括：物理所沈保根院士和蔡建旺研究员等。