用于磁电存储器的室温可逆电场调控多铁异质结交换偏置效应研究

Magnetoelectric random access memory based on multiferroic materilas with properties of nonvolatile, high speed, low-energy operations and high density, combines the functions of the DRAM, disk storage and high speed buffer, is an important research point of the next generation low-power storage memory. They are always the hot topics to research on the magnetoelectric coupling and the interface exchange coupling and to explore the interactions of charge, spin, orbital and lattice degrees of freedom at such heterointerfaces. ..The exchange bias effects of multiferroic heterointerfaces controllable by an electrical field were applied for designing different MERAMs. However their operation temperatures lower than room temperature because of their low blocking temperature limit their applications. In this proposal, the ferrite MFe2O4（M=Fe、Co、Ni）with reverse spinel structure and high curie temperature are selected to be the ferromagnetic materials. The epitaxial growth methods are used to prepare films and heterointerfaces. Devices that are simple and easy to manipulate will be designed and used to study the formation mechanism of the elecrtrically controlled exchange bias and the change processes of the interface states. The final aims are to find out the key factors having effects on the reversible manipulation, to rise the blocking temperature, to develop related theories and to realize the electrically controlled isothermal switching of the exchange-bias at room temperature.

基于多铁材料的磁电存储器具有非易失性、高速度、低功耗和高密度特点，兼具动态RAM、磁盘存储和高速缓冲存储器功能，是下一代超低功耗存储技术领域重要研究方向。研究多铁异质结磁电与界面交换耦合，诠释界面上晶格、轨道、自旋、电荷状态的演化过程，始终是本领域的研究热点。基于磁电与界面交换耦合的可逆电场调控交换偏置效应被用于设计多种磁电存储器，但目前研究结果中其截止温度过低导致工作温度难以达到室温，限制了磁电存储器的实际应用。本项目选择高居里温度的反尖晶石型铁氧体MFe2O4（M=Fe、Co、Ni）作为铁磁材料，采用外延生长的方式制备高质量的薄膜和MFe2O4/BiFeO3异质结；设计简单易操作的器件模型，系统地研究电控交换偏置耦合效应的形成机制，研究异质界面状态的演化过程，找出影响可逆操作的关键因素，提高异质结交换偏置的截止温度至300K左右，发展出相关理论，在室温下实现交换偏置效应的可逆电场调控。

基于多铁材料的磁电存储器具有非易失性、高速度、低功耗和高密度特点，兼具动态RAM、磁盘存储和高速缓冲存储器功能，是下一代超低功耗存储技术领域重要研究方向。基于磁电与界面交换耦合的可逆电场调控交换偏置效应被用于设计多种磁电存储器，但目前研究结果中其截止温度过低导致工作温度难以达到室温，限制了磁电存储器的实际应用。本项目围绕基于多铁异质结交换偏置耦合效应的电写磁读存储器的关键科学问题，在BiFeO3单相多铁材料的改性与磁电效应、磁性薄膜材料的改性与磁电效应、MFe2O4/BiFeO3（M=Ni、Co）异质结交换偏置效应研究以及简单器件验证方面，取得了理论和实验上的成果。我们选择高居里温度的反尖晶石型铁氧体MFe2O4（M=Fe、Co、Ni）作为铁磁材料，成功制备出MFe2O4/BiFeO3（M=Ni, Co）双层薄膜，在室温下仍然可以观察到交换偏置场, 从测试的M-T曲线图上可以看出MFe2O4/BiFeO3（M=Ni, Co）双层薄膜在300 K以上磁各向异性才会消失，交换偏置效应的截止温度得到了明显提高。在此基础上，我们采用简单器件结构，实现了基于多铁异质结交换偏置耦合效应的器件工作温度在300K左右的可逆电控磁操作，验证了电写磁读的可控性，这是电场控制磁器件研究的重要一步，为未来该类器件的实现打下了基础。项目执行期间，我们和中国硅酸盐学会特陶分会一起承办了600人以上的大型学术会议1次，邀请国内外本领域的同行进行了相关研讨；和学生一起参加国内会议3人次，参加国际会议5人次，发表SCI论文18篇，申请专利3项，培养博士后1名，博士生4名，硕士生4名。其中博士后1名已出站；博士生3名，硕士生1名已毕业。后续还有尚未毕业的博士和硕士生，将继续完善后期工作。