图4 铁电性、铁磁性与铁弹性之间的关系

多铁性材料是具有铁电性、（反）铁磁性、铁弹性等两种或两种以上“铁性”而有序共存，并由于多种序参量之间的相互耦合作用产生新的效应的新型材料。概括上讲，一些材料可以随外场（电场、磁场和应力）翻转而分别发生自发极化、自发磁矩或自发应变，并呈现非线性关系而出现电滞回线、磁滞回线或铁弹回线，这样相应的物质称为铁电体、铁磁体和铁弹体。三者可统称为铁性体。

分别具体上讲，某些具有非中心对称结构的电介质材料在一定温度范围内具有自发极化（正负电荷中心发生相对位移），而自发极化方向可随外加电场翻转的性质称为铁电性；而某些材料在一定温度范围内具有自发磁化，且在很小的磁场下就能磁化到饱和，这类材料具有的磁性称为铁磁性；某些电介质材料在一定温度范围内，应力与应变的关系曲线并非线性，而呈现与铁磁体的磁滞回线及铁电体的电滞回线相似特征的现象，这种材料则具备铁弹性。从经典电磁学的角度，磁场不会改变铁电性（电极化方向），而电场也不会改变铁磁性（电子自旋）。但从量子物理的角度出发，铁电与铁磁耦合将会产生磁电效应，即磁场可以控制材料的电极化，或者电场调控材料的磁性。

图5 多铁材料磁电效应示意图

信息存储的关键——多铁隧道结

近年来，5G、云计算、大数据等新型通信技术和IT技术的迅速发展产生了大量的数据，数据的膨胀速度比存储器容量的增大速度快，而目前存储器的主流是上文提到的电流控制磁头进行信息的读写。这会带来相当大的能耗问题。而利用多铁性材料的磁电效应，即用电场替代电流调控磁场是最有希望解决能耗问题的方案之一。多铁隧道结（组成磁头的关键材料）就是具有电场调控磁性功能性的存储器原型器件之一，从而满足人们对低功耗、高密度、快速读写、大容量的非易失存储器日趋紧迫的需求。

多铁隧道结作为多铁性材料应用的典型代表，多为铁磁/铁电(多铁)/铁磁三明治结构（如图6），是发展新型信息存储器的重要方向之一。两端的铁磁电极（FM）的磁化方向受磁场控制，而中间的铁电电极（FE）的极化方向受电场控制。由于多铁隧道结同时具备磁性隧道结的TMR效应和铁电隧道结的TER效应，因此，通过磁场和电场的控制可以达到四种不同的阻态。

TMR效应（隧穿磁阻效应）：铁磁电极磁化方向平行时，隧道结呈低阻态。铁磁电极磁化方向反平行时，隧道结呈高阻态。TER效应（隧穿电致电阻效应）：铁电势垒极化方向的改变，会使隧道结电阻发生变化，从而分别产生高低阻态。

这要归功于多铁隧道结的铁电/铁磁界面磁电耦合效应：在外加电场的作用下铁电势垒极化方向的改变，或是外加磁场作用下铁磁电极磁化方向的改变都会影响隧道结的电阻，从而产生四种不同的电阻状态。即这四种电阻状态的存在取决于上下电极的磁化方向（平行或反平行以及铁电势垒的极化方向）。

图6 铁磁电极与铁电势垒组成的多铁隧道结示意图

（FM：铁磁电极，FE：铁电电极）

多铁性材料又可分为单相多铁性材料和复合多铁性材料。对于单相多铁性材料，其具有本征磁电效应，但大多数的单相多铁性材料的磁电耦合系数小，无法在室温下实现强磁电耦合效应，难以应用化。铁酸铋是目前单相本征多铁性材料中唯一在室温下有望实现强磁电耦合效应的材料，其因丰富的物理内涵和潜在的应用价值而受到了广泛的研究。而复合多铁性材料则是通过铁电相与铁磁相的耦合产生磁电效应。因此，探索并研究铁电/铁磁界面磁电耦合的各种物理机制，阐明各个机制之间的相互竞争制约的关系相当重要。

然而迄今为止报道的室温多铁隧道结非常有限，且在室温下的磁电耦合效应还不够强，但是信息集成化存储的发展依然需要多铁性材料的领航。随着“后浪科学家们”的不断努力，也许在不远的未来，多铁性材料领航的新型信息存储器就会出现在每个人的电子设备中。

参考文献：

1. Spaldin N A, Fiebig M. The Renaissance of Magnetoelectric Multiferroics[J]. Science, 2005, 309(5733):

2. 刘俊明.多铁性:做出不可能[J].物理学进展,2019,39(05):173-179.

3. Garcia V , Bibes M . Ferroelectric tunnel junctions for information storage and processing[J]. Nature Communications, 2014, 5.

文章来源：《信息记录材料》 网址: http://www.xxjlcl.cn/zonghexinwen/2020/0720/381.html