实现室温下铁磁性和铁电性共存的材料-低功耗和超高密度磁存储器的发展之路-

[摘要]

东京工业大学 科技创新研究院 Gen Hojo，前沿材料研究所前助理教授（现任九州大学研究生院理工学研究生院副教授），Masaki Higashi教授，等人的研究小组。铁磁：第1项）和储存电力的性质（铁电：第2)项被证实在室温下共存。尽管室温下两种特性的共存作为利用铁酸铋实现下一代磁存储器的关键而引起了人们的关注，但由于磁性杂质的影响，它从未被实验证实是必要的。

同一研究小组以薄膜形式稳定了钴酸铁酸铋，并详细研究了其磁性能和介电性能。结果表明，磁特性随温度而变化，在低温下消失的磁特性在室温下出现。它还具有储存电力的能力。铁磁性和铁电性之间相关性的确认有望促进基于新原理的低功耗、高速存取和大容量的下一代磁存储器的开发。

研究小组包括东京工业大学以及印度 Bose 基础科学研究中心的前研究生 Ryo Kawabe、研究生 Keisuke Shimizu 和研究生 Men Yamamoto。

研究成果

研究背景

由于智能手机的普及以及大数据处理的信息量爆炸性增加，信息设备的功耗成为一个问题，因此对低功耗、高记录密度和非易失性的下一代存储设备的需求不断增长。从这个角度来看，吸引人们注意的是磁性和铁电性的结合多铁性物质（第 3 项）。如果磁性和铁电性之间的相关性足够强，并且可以通过电场反转磁化方向，则有望实现低功耗、高记录密度和简单元件结构的下一代磁存储器，同时利用当前磁存储器的非易失性和高稳定性等特性。

研究成果

到目前为止菱面体钙钛矿（第 4 项）高铁酸铋反铁磁性（第5项）（严格来说，除了反铁磁序之外，摆线调制（第 6 项叠加）并且已知存在铁电性（图 1 左）。

这次，由 Hojo 副教授和 Higashi 教授领导的研究小组成功地以薄膜形式稳定了铁酸钴酸铋，其中铁被钴部分取代，从而可以评估铁电性。介电特性评价的结果确认薄膜样品在室温下为铁电材料（图2左）。

此外，通过控制薄膜生长的方向，磁体的特性会根据温度而变化，因此在室温下弱铁磁性（第 7 项）出现（图 2 右）。由于自旋排列的变化，这种磁性本质上是铁磁性穆斯堡尔谱的磁结构分析支持了这一点。 （第 8 项）（图 1 右）。还表明，随着温度和钴取代量的增加，该铁磁相变得稳定。

未来发展

这一结果通过实验证明了铁磁性钴酸铋薄膜在室温下铁磁性和铁电性的共存，这被认为是实现新型磁存储器的关键。此外，由于铁电极化和自发磁化之间存在相互正交的关系，因此它可以为通过反转电极化写入磁信息的新型磁存储材料以及使用电荷和磁化作为信息的大容量多值存储器的应用开辟道路。预计这将刺激基于高铁酸铋的多铁材料的发展。

附加说明

本研究的一部分得到了神奈川科学技术院战略研究种子培育项目“创新型大型负热膨胀材料的创造”（代表人：东正树，东京工业大学教授）、文部科学省科学研究补助金/新学术领域研究“探索纳米结构信息的前沿-材料科学的新发展”（代表人：田中功，京都大学教授）、基础研究A“阐明铋铅钙钛矿和巨行星中s-d轨道之间电荷分布的变化”向负热膨胀的发展”（代表人：东京工业大学教授东正树），旭硝子基金会青年科学家继续资助“Bi基多铁性薄膜的磁结构控制和通过电场实现磁化反转”（代表人：北条（九州大学前副教授）这项工作得到了新一代研究所研究补助金“开发用于实现下一代存储器的铋基多铁性材料”（代表人：北条，九州大学前副教授）和文部科学省纳米技术平台的支持

[术语解释]

1. 铁磁：电子具有称为自旋的内部自由度，可以与旋转进行比较，并且可以采取两种状态（例如，向上和向下）。相邻电子的自旋沿同一方向排列的状态称为铁磁态。

2. 铁电：铁电性是指即使在没有施加电场（电压除以施加电压的样品的厚度）时也具有电极化（由于材料中的阳离子和阴离子的重心未对准而导致的不平衡电荷）的性质，并且电极化的方向可以根据外部电场的方向可逆地反转。

3. 多铁性物质：通常指具有多个强级的物质。狭义上，它是指具有两种强秩序的物质：铁磁性和铁电性。

4. 菱面体钙钛矿：钙钛矿具有通式ABO₃表示。晶胞（原子的重复周期）向顶点延伸而不是立方体的晶体结构称为菱面体晶体。

5. 反铁磁性：相邻电子的自旋沿相反方向排列的状态称为反铁磁状态。自旋产生的磁化强度相互抵消，因此整体上不存在磁化强度。

6. 摆线调制：沿某个方向一点一点旋转的自旋阵列。连接自旋矢量的尖端形成摆线曲线。

7. 弱铁磁性：在反铁磁体中，自旋并不完全反平行，而是稍微倾斜。由于磁化没有完全抵消，因此出现自发磁化。

8. 穆斯堡尔谱：原子核不会反冲g穆斯堡尔核（此处⁵⁷Fe)的电子态和磁性的方法。

   已出版的杂志：先进材料

   标题：室温下由自旋结构变化引起的铁磁性

   BiFe_1-x公司_xO₃薄膜

   作者：Hajime Hojo、Ryo Kawabe、Keisuke Shimizu、Hajime Yamamoto、Ko Mibu、Kartik Samanta、Tanusri Saha-Dasgupta 和 Masaki Azuma

   DOI：101002/adma201603131

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图1：高铁酸铋（左）和高铁酸钴酸铋（右）的磁性结构示意图。由于高铁酸铋是一种反铁磁材料，自旋磁化强度相互抵消，不会出现自发磁化强度。另一方面，由于铁酸钴酸铋的自旋是倾斜的，因此磁化强度不会相互抵消，并且出现自发磁化。

　

　

图 2：室温下的高铁酸铋和高铁酸钴酸铋 (x是钴取代量））电极化对外部电场的依赖性（左）和磁化强度对外部磁场的依赖性。