铁电与磁电耦合信息存储材料和器件

随着当今大数据爆炸式发展，每天海量数据的存储和处理对信息材料和器件提出了高要求。然而，现有计算机系统采用信息存储和处理相分离以及多级存储器相分离的架构，其中商用非易失存储器(如闪存、硬盘等)的速度(>10 μs)慢，速度快(~10 ns)的DRAM内存信息易失，且都跟不上中央处理器(CPU)的处理速度(<1 ns)，数据在不同层级间的转移带来了难以降低的时间和能量损耗。为此，迫切需要基于新材料和新原理研发具有超快速度、超低能耗、非易失的多态信息存储元器件用以替代多级存储，甚至更进一步构建存算一体信息器件。

本研究室重点关注铁电与磁电耦合的信息存储材料和器件原型。铁电材料可用于信息的非易失存储，信息写入基于电控铁电翻转，具有写入电流小、速度快的原理优势。另外，各种磁电阻、自旋转移力矩等效应的相继发现，引发了自旋电子学信息存储器件的发展，但是磁调控一般需要大电流(>10⁶ A/cm²)，能耗较大。通过构建铁电/磁性多铁性材料、离子调控型磁电耦合结构等，并基于电荷、轨道、晶格、自旋等序参量耦合使得磁、电相互调控，利用电场而非电流调控磁性可大幅降低能耗。

1、主要研究内容：

1）高介电、铁电的电荷型信息存储材料：基于掺杂的HfO₂等材料，设计并调控材料组分、微结构、异质界面结构等，分别构筑具有高介电、稳定铁电的低漏电薄膜异质结构，研发适用于DRAM电容的高介电层材料，探索可支撑高密度FeRAM发展的高性能铁电薄膜材料。

2）铁电阻变器件原型及信息存储、存内逻辑以及存算一体：设计并制备基于异质结、隧道结、场效应管等器件结构的铁电阻变器件原型，调控铁电畴形态及翻转动力学，探索具有超高速、低功耗、多阻态等高性能信息存储的实现方案，研发逻辑、存算一体等新功能；设计并制备不同规模的铁电忆阻器阵列，探索神经网络计算的仿真和铁电计算等。

3）多铁性及离子调控的磁电耦合材料和器件：设计并制备多铁性异质结、离子调控型磁电耦合结构，结合铁磁/铁电界面磁电耦合、电控氢、氧离子等策略的设计原理实现电、磁间的相互调控，探索室温、快速、低能耗电控磁性，并通过对电荷、自旋输运性能的多场调控设计，构筑高性能自旋电子学信息存储原型器件。

2、已取得的研究进展包括：

1）新材料探索：①发现了新型室温磁电耦合层状多铁性材料Bi_4.2K_0.8Fe₂O_9+δ；②揭示出多铁性纳米材料以及氧化物庞磁电阻纳米结构体系的磁性质如交换偏置效应等，提出了自旋团簇玻璃态新概念，发现了电荷有序稳定态反常现象。

2）原型器件制作：制备出高品质的过渡金属氧化物薄膜、异质结，并设计构筑量子隧道结、场效应管等器件原型。

①设计并构建了铁电量子隧道结，基于界面能带工程实现了亚纳秒超快(较商用闪存快3个量级)、超低能耗(写入电流较磁、相变等存储器低3个量级)、多阻态、耐高温非易失存储；基于铁电畴形态和畴翻转动力学设计，在铁电量子隧道结中实现了亚纳秒电脉冲下电导态可非易失渐变调控的类脑突触器件，模拟构筑的人工神经网络具有高在线图像识别率。

②构建了铁磁/铁电/铁磁量子隧道结多态存储器件原型，实现了四至十电阻态转变，并基于界面离子重构相关的磁电耦合获得了电场调控的隧穿磁电阻效应、受自旋态调控的铁电畴翻转动力学及多塑性特征可调的电子突触器件；设计构筑多铁异质结，实现了电场驱动的磁畴180度翻转，并设计制备多铁自旋阀，基于电控磁获得多存储态，提高信息存储密度。