1、在鐵電極序工程可控的儲存方面取得進展

隨著大資料時代資訊的快速增長，要求人們必需努力開發出具有超高密度資訊儲存和新型的多功能器件。利用外加電場控制極化的鐵電材料為多能級態提供了新的平臺。尤其是新出現的二維範德瓦爾斯鐵電體由於其潔淨的介面和窄的帶隙可實現無損的資料讀取和持久的資料寫入。目前，二維範德瓦爾斯鐵電材料中的極序工程化的光電流和多電阻態還尚未報道。

近期，山西師範大學許小紅教授團隊構建了基於二維範德瓦爾斯層狀2Hα-In2Se3鐵電材料的面內多型儲存器件。透過施加面內電場調控鐵電α-In2Se3層的極序，實現了可以相互切換的三種電阻態，其具有快的切換速度、良好的耐久性和保持性。值得注意的是，中間阻態和低阻態之間可以透過比其它基於2D鐵電材料的儲存器小1-2個數量級的超低電場來實現可逆切換。此外，還發現這三種不同的極序態表現出了特有的光響應。本工作拓展了2Hα-In2Se3在非易失性高密度儲存器和新型的光電器件中的應用。

研究成果以“Control of Photocurrent and Multi-State Memory by Polar Order Engineering in 2H-Stackedα-In2Se3Ferroelectric”為題，發表在SCIENCE CHINA Materials期刊上（中科院一區，影響因子：8.273），博士生呂寶華為第一作者，薛武紅副教授和許小紅教授為通訊作者。該工作得到國家自然科學基金和山西師範大學研究生科技創新專案的支援。

全文連結：

www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SCMs/doi/10.1007/s40843-021-1920-9

2、在電場對交換耦合作用的可逆調控方面取得進展

近年來，利用電場可逆調控複雜氧化物的磁電特性，從而實現異質結中豐富的物理相變，在新型氧化物基自旋電子學器件中具有重要的研究價值，因此受到研究者的廣泛關注。與傳統的靜電場調控相比，利用離子液施加門電壓，可以在異質結介面處形成高達1015cm−2的靜電電荷濃度，進而將顯著地影響複雜氧化物的效能。在眾多的過渡金屬氧化物中，SrCoO3-x材料具有良好的氧離子遷移通道，研究人員在該材料中已經實現了“一石三鳥”的可逆磁電效能調控（Nature 2017, 546, 124-128）。然而，這種材料與鈣鈦礦錳氧化物形成異質結，利用離子液體門電壓的方法進行物性的調控，會產生怎樣的新奇變化還未曾研究。

圖（a）離子液體門電壓雙向可逆調控裝置示意圖；（b-c）SrCoO3-x/LaSrMnO3異質結中交換彈簧效應與交換偏置效應的可逆轉換。

最近，許小紅教授團隊利用帶有原位反射式高能電子衍射的脈衝鐳射沉積系統製備了高質量的SrCoO3-x/LaSrMnO3雙層膜。透過磁性測試發現，當SrCoO3-x為鐵磁、鈣鈦礦相時，異質結存在交換彈簧效應；而當SCO3-x為反鐵磁、鈣鐵石相時，異質結存在交換偏置效應。之後，他們採用離子液體電場調控的方法，在異質結表面施加合適的門電壓，從而控制氧離子在異質結上層SrCoO3-x中的可逆遷移，實現了SrCoO3-x層在鐵磁、鈣鈦礦與反鐵磁、鈣鐵石相之間的可逆轉換，進而也實現了SrCoO3-x/LaSrMnO3異質結中交換偏置與交換彈簧效應的可逆、非易失的調控。本研究為氧化物器件中電場可逆調控磁性提供了新思路。

相關成果以《Electric-field reversible switching of the exchange spring andexchange bias effect in SrCoO3-x/La0.7Sr0.3MnO3heterostructures》為題，發表在ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13, 15774−15782。（影響因子：9.229）。博士生姬慧慧為第一作者，許小紅教授、周國偉副教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金等專案的支援。

全文連結：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c2225

3、發現在無極性2D材料中可誘匯出鐵電性

二維（2D）鐵電材料在原子層依然具有強的室溫鐵電性，加之其獨特的半導體特性，在鐵電器件小型化以及解決傳統鐵電材料面臨的問題方面具有很大的潛力，成為當前的研究熱點。這些材料通常具有極性點群。然而在非極性2D材料中引入極性使其具有鐵電性，從而實現更多功能和更靈活的調控，仍然是一個挑戰。

最近，許小紅教授團隊與華中科技大學翟天佑教授課題組合作，透過理論和實驗相結合，首次發現在立方相α-Ga2Se3本徵缺陷半導體中位於[100]方向非對稱位點的Ga空位可以使其產生極性和穩定的自發極化。第一性原理計算發現在立方相α-Ga2Se3[100]方向的非對稱位點產生Ga空位會誘導極性產生自發極化，極化方向為[100]；Ga空位在相鄰非對稱位點的位移能夠使極化發生可逆反轉，具有可接受的擴散勢壘（~0.78 eV）。實驗上，透過空間限域的物理氣相沉積法，成功製備了超薄立方相α-Ga2Se3奈米片。樣品沿著（111）面擇優生長，且具有明顯的原子空位。原理上這些樣品應該具有面內和麵外鐵電性。PFM結果顯示相反電壓處理的樣品區域具有明顯的PFM相位對比度，同時，樣品具有接近180度的相位反轉和對應的蝴蝶曲線，這些結果證實所生長的2Dα-Ga2Se3奈米片具有面外鐵電性，而且鐵電性在4 nm的超薄樣品中依然存在。此外，2Dα-Ga2Se3基平面器件出現明顯的雙向整流特徵和電滯回線，進一步證明樣品還具有面內鐵電性，變溫的電滯回線和二次諧波說明該鐵電材料的居里溫度高達450 K。該項研究工作不僅為2D本徵缺陷半導體的鐵電性的理論和實驗研究提供了一個激動人心的主題，而且為超高密度儲存以及多功能光電器件挖掘了候選材料。

2Dα-Ga2Se3奈米片中非對稱位點的本徵缺陷及其位移誘導的高居里鐵電性

相關工作以“Discovery of Robust Ferroelectricity in 2D Defective Semiconductorα‑Ga2Se3”為題，發表在Small期刊上（影響因子：13.281），薛武紅副教授和研究生薑琦濤為共同第一作者，許小紅教授和翟天佑教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金等專案的支援。

文章連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202105599

4、Ga0.6Fe1.4O3多鐵薄膜基於磁電耦合效應的奈米尺度磁化翻轉現象

鐵電與鐵磁兩種鐵有序同時共存的磁電耦合(ME)多鐵材料近年來一直備受科學界的關注。然而,目前發現的單相多鐵材料大多數都表現出反鐵磁性或者較低的工作溫度，這嚴重限制了其在實際器件中的應用。如果一種材料能夠在室溫下實現鐵電與鐵磁之間的強烈耦合，那麼我們不但可以利用磁場控制材料的鐵電極化，更重要的是還可以利用電場來誘導磁化翻轉，這無疑對製備高密度、低功耗的電寫磁讀儲存器件具有重要的推動作用。因此，探索兼具高工作溫度、高剩餘磁化強度以及強ME耦合效應的單相多鐵材料將成為未來研究的熱點。鐵酸鎵（Ga2-xFexO3）體系由於擁有高於室溫的單相多鐵性以及強的磁電耦合效應，有望成為下一代多鐵儲存領域具有潛力的候選材料之一。

博士生張軍（導師：許小紅教授）和薛武紅老師透過使用脈衝鐳射沉積法在Nb-SrTiO3單晶基片上成功外延了沿鐵電極化（111）取向的Ga0.6Fe1.4O3薄膜。磁性測量結果顯示薄膜表現出較強的室溫亞鐵磁性，鐵電測量結果表明薄膜具有明顯的室溫鐵電性。另外，透過導電的Nb-SrTiO3基片作為底電極，原子力顯微鏡的Co/Cr探針作為頂電極，施加較小的外電壓，利用其內在的磁電耦合效應，對鐵磁疇的磁化取向能進行可逆、非易失的調控（圖1）。在指定區域內，磁疇翻轉的變化率高達72%以上。這也是我們首次在罕見的亞鐵磁單相多鐵材料中觀察到顯著的室溫電控磁疇翻轉現象。

Nb-SrTiO3/Ga0.6Fe1.4O3薄膜電控磁疇翻轉的MFM相點陣圖

相關成果以《Nanoscale magnetization reversal by magnetoelectric coupling effect in Ga0.6Fe1.4O3 multiferroic thin film》為題，以封面論文的形式於2021年3月19日發表在ACS Applied Materials & Interfaces（2021, 13, 18194.影響因子9.229）雜誌上。

全文連結：

https://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acsami.0c21659

來源：山西師範大學、新材料資訊