2021年5月25日，北京量子信息科学研究院量子材料与器件研究部半导体自旋光电子学团队吴锐副研究员，在国际知名杂志《自然·电子学》（Nature Electronics）上发表了“1-3”型多铁纳米复合薄膜中的磁电调控研究成果。吴锐为第一作者兼通讯作者，来自剑桥大学的Tuhin Maity博士和Judith Driscoll教授为共同通讯作者。

随着数字技术的迅速发展，到 2030 年，信息通信技术将消耗全球总电力的 20%。世界各地的数据中心所用电力预计将占其中的三分之一，这将超过许多国家的所有能源消耗。与此同时，信息通信技术的碳足迹将激增至目前的10倍。新的超低功耗计算机存储技术既能最大限度地减少环境影响，又能满足消费者日益增长的需求。因此，研究人员正在努力对其进行探索和研究。

磁电耦合（magnetoelectric coupling）效应为新内存设备以及新型类脑计算提供了解决方案。磁电耦合允许材料的磁化强度由电场控制，反之亦然。由于器件工作时通过的电流极小，电阻损失将降至最低。与传统的电流驱动的自旋存储器件相比，能耗可以降低 2 个数量级。除此之外，该效应如果被用于存算一体神经形态计算，还可以通过最大限度地减少中央处理器和内存之间的物理分离（即“内存墙”，存在于冯·诺伊曼-架构的计算机中）而显著降低器件功耗。

然而，虽经过近20年的紧张研究，目前仍然没有一个适用于磁电随机存储器件的材料系统出现。这样的系统要求在没有任何偏置磁场的情况下，可以在室温下产生相当大的逆磁电耦合效应（即电场对磁性的调控），并且具有极低的漏电。吴锐和来自剑桥大学等国内外研究机构的合作者，在此项工作中取得了里程碑式的成果。他们通过非常简单的生长过程，完成了自组装垂直取向的三相纳米复合材料（即“1-3”型磁电复合结构）的“一蹴而就”式的制备，从而无需像制备复杂的电子材料那样精确控制薄膜结构（图 1）。薄膜阵列中良好分离的纳米柱子非常适用于内存电路的制造，天然的垂直结构无需像传统的技术中那样采用多次昂贵的曝光刻蚀工艺，即材料本身就是器件。

图1  自组装三相纳米复合材料（a）和基于垂直取向的三相纳米复合材料的内存电路概念图（b）。

在这种由铁电（Na_0.5Bi_0.5TiO₃）、反铁磁（NiO）和亚铁磁（NiFe₂O₄）材料自组装形成的三相纳米复合薄膜中，存在三个重要的协同效应：低的漏电流（和界面p-n结的引入有关）、大的交换偏置效应（NiO-NiFe₂O₄）和反铁磁的磁弹效应（NiO），从而最终在室温下实现高性能的磁电调控（图2）。该研究表明，恰当的材料选择和结构设计，对于高性能信息存储器件的实现至关重要。该三相纳米复合薄膜既具有自组装制备上的简单性又具有功能上的复杂性，从某种角度上说这类似于大自然的工作原理。因此，该研究还显示了其在3D仿生方面的潜在应用，也可以作为低功耗类脑计算技术的未来方向。

图2  这种自组装的三相纳米复合材料表现出的三个协同效应（a），以及在室温下实现的电场对磁性的明显调控（b）。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41928-021-00584-y