基于磁电耦合材料的新型信息存储器件研究

The magentoelectric coupling effect between ferroelectricity and ferromagnetism in materials provides additional freedoms of physical states for information storage and shows great potential in developing new generation of memory devices. Magnetoelectric coupling coefficient, as an important parameter determined by the interaction of magnetization and polarization, can be used as a non-volatile physical state to store information. In this project, we propose a novel memory devices based on the change of magnetoelectric coupling coefficient. We will select magnetoelectric heterostructures as the study object and investigate systematically the feasibility of this type memory devices. On this basis, we will extend the function of the memory device to the brain-like memories such as synaptic memory and boolean logic operation. These will provide substantial basis for application of the proposed memory devices with high density and low power consumption, and promote the information technology development of our country.

材料中铁电性和铁磁性的相互作用所产生的磁电耦合效应，为信息存储提供了额外的物理状态自由度，在开发高性能存储器方面显示出巨大的应用潜力。磁电耦合系数作为磁电耦合材料中的重要参量，体现了材料磁化和电极化的综合性能，具备非易失性存储的物理状态特征。本项目拟选用具有非线性磁电耦合效应的磁性金属/铁电（压电）异质结作为研究对象，利用其独特的电-磁关联特性，实现以磁电耦合系数为物理状态的信息存储，探索构建基于磁电耦合系数变化的电写-电读型非易失性存储器的可能性。基于此器件，发展具有类神经突触记忆和逻辑运算功能的新型类人脑存储原型器件。本项目的开展，在新原理器件开发方面具有重要意义，有望获得自主知识产权的信息存储技术，从而推动我国信息存储技术领域的发展。

磁电耦合效应是指磁场控制电极化或者电场控制磁性的物理现象，为开发新型电子器件提供了额外的物理状态自由度，具有巨大的应用潜力。磁电耦合系数作为磁电耦合材料的重要参量，体现了材料磁化和电极化的耦合性能，其随外加物理场的变化可以表现出非线性回滞行为，具备作为非易失存储的物理状态特征。本项目基于磁电耦合效应，建立起电荷-磁通之间的直接关联，继而实现了第四种基本电路元件—忆耦器，并构建了完整的电路元件关系图。在此基础上，本项目研究了Ni/PMN-PT/Ni、Metglas/PMN-PT/Metglas、Cu/P(VDF-TrFE)/ Metglas、Cu/P(VDF-TrFE)/Ni等多种无机和有机多铁性异质结型忆耦器件，以及六角铁氧体Sr3Co2Fe24O41单晶忆耦器件的结构设计、制备、磁电耦合机制以及性能改善，研究了忆耦器以磁电耦合系数为存储状态的非易性存储工作原理，实现了忆耦器的多态非易失性存储，并利用这种多态存储特性，进一步实现了忆耦器的布尔逻辑运算功能和神经突触可塑性的模拟。这些功能的实现展现了忆耦器在未来非冯∙诺依曼架构的计算系统中的应用潜力。