全固态和固/液磁电复合材料中磁性的电压控制

当今的微电子和自旋电子时代正见证着一种不断增长的冲动，即实现具有增强功能的新型纳米级器件。在纳米尺度上控制材料特性的各种现象中，磁电效应(ME)在世界范围内的研究活动中占有重要地位，它与物质中的磁和电之间的耦合有关。从技术角度来看，已经设想了几种低功耗ME应用，包括存储器存储和处理，射频/微波信号的调谐和滤波，能量转换和收集，传感和驱动装置。根据定义，使用磁场H，按照：

式中α_D为ME直接耦合系数。或者，当施加电场E产生磁化M时，可以实现反向ME效应。

式中α_C为逆ME耦合系数。迄今为止，主要的研究集中在研究电场来控制各种磁性能，包括磁各向异性、磁转变温度、磁矩、自旋极化、交换偏置、铁磁共振、磁拓扑、和磁电阻。

在磁性和电自由度之间表现出固有耦合的材料被分为两大类，单相ME和单相ME多铁性材料(MFs)。前者包括具有电极性和磁极性内在相互作用的材料。Cr₂O₃是最早发现和研究最多的单相MEs之一，同时表现出反铁磁性和电极化。在更严格的要求下，单相ME mf表现出铁磁性和铁电序之间的内在联系，例如众所周知的BiFeO₃ (BFO)和TbMnO₃。

由于ME效应的强度与电导率和磁化率值有关，单相ME MFs比单相ME具有更大的磁电耦合系数α。例如，在Cr₂O₃的情况下，施加106 V cm⁻¹的电场只允许在包含大约106个反铁磁耦合自旋的晶格中翻转几个铁磁耦合自旋。相比之下，在50 × 103 V cm⁻¹的较低电场下，Dy_0.7Tb_0.3FeO₃的单相ME - MF中出现了自旋的完全宏观反转。

通过使用一类特殊的非水电解质，即所谓的离子液体(ILs)，可以克服上述一些限制，离子液体表现为低熔点盐。在分解之前，ILs可以承受大电压(高达约±3.5 V)的作用，并且在液相中具有更宽的温度窗(通常为200 K < T < 600 K)。有趣的是，在冷冻状态下，ILs也被有效地利用来诱导SrTiO₃ (STO)和KTaO₃中的绝缘到超导转变。

图1 a) ME复合体系中ME效应的介质。b)通过电压驱动应变、电荷载流子掺杂和化学插层在磁性材料中典型的受影响长度尺度。¹

图2 a)在BTO衬底上生长的FeRh薄膜的电压驱动应变磁化控制。²

此外，液体燃料的蒸气压较低，这意味着其可燃性较低，并允许在真空条件下进行实验。液体电解质的一个普遍缺点是需要一个合适的(通常是笨重的)外壳，以避免由于与环境的相互作用而溢出和降解。然而，离子凝胶的应用已经部分解决了这一问题，离子凝胶是由嵌入聚合物基体的il制成的半固态电解质溶液组成。

尽管存在一些阻碍固体/液体ME复合材料研究的障碍，但与全固态ME相比，它们具有一定的优势。例如，在器件制造方面，液体门控方法允许覆盖大表面积的样品，而不管其形态如何，如薄膜，纳米颗粒，和多孔材料，只需将所需量的电解质倒在样品上。

相反，制备具有少量结构缺陷的高质量异质结构，其存在会导致泄漏电流的形成等不利影响，在生长条件的优化方面可能非常苛刻，并且通常需要使用昂贵的沉积技术，例如物理气相沉积方法。此外，在某些情况下，电解质门控可以实现更强的ME效应，并且比全固态ME具有更长的器件寿命。

1.Hu, J.-M.;  Chen, L.-Q.; Nan, C.-W., Multiferroic Heterostructures Integrating Ferroelectric and Magnetic Materials. Adv. Mater. 2016, 28 (1), 15-39.

2.Cherifi, R. O.;  Ivanovskaya, V.;  Phillips, L. C.;  Zobelli, A.;  Infante, I. C.;  Jacquet, E.;  Garcia, V.;  Fusil, S.;  Briddon, P. R.;  Guiblin, N.;  Mougin, A.;  Ünal, A. A.;  Kronast, F.;  Valencia, S.;  Dkhil, B.;  Barthélémy, A.; Bibes, M., Electric-field control of magnetic order above room temperature. Nat. Mater. 2014, 13 (4), 345-351.

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