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1、在铁电极序工程可控的存储方面取得进展
随着大数据时代信息的快速增长，要求人们必需努力开发出具有超高密度信息存储和新型的多功能器件。利用外加电场控制极化的铁电材料为多能级态提供了新的平台。尤其是新出现的二维范德瓦尔斯铁电体由于其洁净的界面和窄的带隙可实现无损的数据读取和持久的数据写入。目前，二维范德瓦尔斯铁电材料中的极序工程化的光电流和多电阻态还尚未报道。
近期，山西师范大学许小红教授团队构建了基于二维范德瓦尔斯层状2Hα-In2Se3铁电材料的面内多态存储器件。通过施加面内电场调控铁电α-In2Se3层的极序，实现了可以相互切换的三种电阻态，其具有快的切换速度、良好的耐久性和保持性。值得注意的是，中间阻态和低阻态之间可以通过比其它基于2D铁电材料的存储器小1-2个数量级的超低电场来实现可逆切换。此外，还发现这三种不同的极序态表现出了特有的光响应。本工作拓展了2Hα-In2Se3在非易失性高密度存储器和新型的光电器件中的应用。
研究成果以“Control of Photocurrent and Multi-State Memory by Polar Order Engineering in 2H-Stackedα-In2Se3Ferroelectric”为题，发表在SCIENCE CHINA Materials期刊上（中科院一区，影响因子：8.273），博士生吕宝华为第一作者，薛武红副教授和许小红教授为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金和山西师范大学研究生科技创新项目的支持。
全文链接：
www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SCMs/doi/10.1007/s40843-021-1920-9
2、在电场对交换耦合作用的可逆调控方面取得进展
近年来，利用电场可逆调控复杂氧化物的磁电特性，从而实现异质结中丰富的物理相变，在新型氧化物基自旋电子学器件中具有重要的研究价值，因此受到研究者的广泛关注。与传统的静电场调控相比，利用离子液施加门电压，可以在异质结界面处形成高达1015cm−2的静电电荷浓度，进而将显著地影响复杂氧化物的性能。在众多的过渡金属氧化物中，SrCoO3-x材料具有良好的氧离子迁移通道，研究人员在该材料中已经实现了“一石三鸟”的可逆磁电性能调控（Nature 2017, 546, 124-128）。然而，这种材料与钙钛矿锰氧化物形成异质结，利用离子液体门电压的方法进行物性的调控，会产生怎样的新奇变化还未曾研究。
图（a）离子液体门电压双向可逆调控装置示意图；（b-c）SrCoO3-x/LaSrMnO3异质结中交换弹簧效应与交换偏置效应的可逆转换。
最近，许小红教授团队利用带有原位反射式高能电子衍射的脉冲激光沉积系统制备了高质量的SrCoO3-x/LaSrMnO3双层膜。通过磁性测试发现，当SrCoO3-x为铁磁、钙钛矿相时，异质结存在交换弹簧效应；而当SCO3-x为反铁磁、钙铁石相时，异质结存在交换偏置效应。之后，他们采用离子液体电场调控的方法，在异质结表面施加合适的门电压，从而控制氧离子在异质结上层SrCoO3-x中的可逆迁移，实现了SrCoO3-x层在铁磁、钙钛矿与反铁磁、钙铁石相之间的可逆转换，进而也实现了SrCoO3-x/LaSrMnO3异质结中交换偏置与交换弹簧效应的可逆、非易失的调控。本研究为氧化物器件中电场可逆调控磁性提供了新思路。
相关成果以《Electric-field reversible switching of the exchange spring andexchange bias effect in SrCoO3-x/La0.7Sr0.3MnO3heterostructures》为题，发表在ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13, 15774−15782。（影响因子：9.229）。博士生姬慧慧为第一作者，许小红教授、周国伟副教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。
全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c2225
3、发现在无极性2D材料中可诱导出铁电性
二维（2D）铁电材料在原子层依然具有强的室温铁电性，加之其独特的半导体特性，在铁电器件小型化以及解决传统铁电材料面临的问题方面具有很大的潜力，成为当前的研究热点。这些材料通常具有极性点群。然而在非极性2D材料中引入极性使其具有铁电性，从而实现更多功能和更灵活的调控，仍然是一个挑战。
最近，许小红教授团队与华中科技大学翟天佑教授课题组合作，通过理论和实验相结合，首次发现在立方相α-Ga2Se3本征缺陷半导体中位于[100]方向非对称位点的Ga空位可以使其产生极性和稳定的自发极化。第一性原理计算发现在立方相α-Ga2Se3[100]方向的非对称位点产生Ga空位会诱导极性产生自发极化，极化方向为[100]；Ga空位在相邻非对称位点的位移能够使极化发生可逆反转，具有可接受的扩散势垒（~0.78 eV）。实验上，通过空间限域的物理气相沉积法，成功制备了超薄立方相α-Ga2Se3纳米片。样品沿着（111）面择优生长，且具有明显的原子空位。原理上这些样品应该具有面内和面外铁电性。PFM结果显示相反电压处理的样品区域具有明显的PFM相位对比度，同时，样品具有接近180度的相位反转和对应的蝴蝶曲线，这些结果证实所生长的2Dα-Ga2Se3纳米片具有面外铁电性，而且铁电性在4 nm的超薄样品中依然存在。此外，2Dα-Ga2Se3基平面器件出现明显的双向整流特征和电滞回线，进一步证明样品还具有面内铁电性，变温的电滞回线和二次谐波说明该铁电材料的居里温度高达450 K。该项研究工作不仅为2D本征缺陷半导体的铁电性的理论和实验研究提供了一个激动人心的主题，而且为超高密度存储以及多功能光电器件挖掘了候选材料。
2Dα-Ga2Se3纳米片中非对称位点的本征缺陷及其位移诱导的高居里铁电性
相关工作以“Discovery of Robust Ferroelectricity in 2D Defective Semiconductorα‑Ga2Se3”为题，发表在Small期刊上（影响因子：13.281），薛武红副教授和研究生姜琦涛为共同第一作者，许小红教授和翟天佑教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202105599
4、Ga0.6Fe1.4O3多铁薄膜基于磁电耦合效应的纳米尺度磁化翻转现象
铁电与铁磁两种铁有序同时共存的磁电耦合(ME)多铁材料近年来一直备受科学界的关注。然而,目前发现的单相多铁材料大多数都表现出反铁磁性或者较低的工作温度，这严重限制了其在实际器件中的应用。如果一种材料能够在室温下实现铁电与铁磁之间的强烈耦合，那么我们不但可以利用磁场控制材料的铁电极化，更重要的是还可以利用电场来诱导磁化翻转，这无疑对制备高密度、低功耗的电写磁读存储器件具有重要的推动作用。因此，探索兼具高工作温度、高剩余磁化强度以及强ME耦合效应的单相多铁材料将成为未来研究的热点。铁酸镓（Ga2-xFexO3）体系由于拥有高于室温的单相多铁性以及强的磁电耦合效应，有望成为下一代多铁存储领域具有潜力的候选材料之一。
博士生张军（导师：许小红教授）和薛武红老师通过使用脉冲激光沉积法在Nb-SrTiO3单晶基片上成功外延了沿铁电极化（111）取向的Ga0.6Fe1.4O3薄膜。磁性测量结果显示薄膜表现出较强的室温亚铁磁性，铁电测量结果表明薄膜具有明显的室温铁电性。另外，通过导电的Nb-SrTiO3基片作为底电极，原子力显微镜的Co/Cr探针作为顶电极，施加较小的外电压，利用其内在的磁电耦合效应，对铁磁畴的磁化取向能进行可逆、非易失的调控（图1）。在指定区域内，磁畴翻转的变化率高达72%以上。这也是我们首次在罕见的亚铁磁单相多铁材料中观察到显著的室温电控磁畴翻转现象。
Nb-SrTiO3/Ga0.6Fe1.4O3薄膜电控磁畴翻转的MFM相位图
相关成果以《Nanoscale magnetization reversal by magnetoelectric coupling effect in Ga0.6Fe1.4O3 multiferroic thin film》为题，以封面论文的形式于2021年3月19日发表在ACS Applied Materials & Interfaces（2021, 13, 18194.影响因子9.229）杂志上。
全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acsami.0c21659
来源：山西师范大学、新材料资讯
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