磁电复合：利益婚姻

异质婚姻

君欲说磁电 千年未有缘

本言无对称 界面许婚姻

南院文心妙 纯刚梦呓悬

后生约夏夜 对月韵新欢

备注：南院—南策文；纯刚—段纯刚

1. 引子

首先说明一点：西安交通大学做功能材料研究的有两位刘明，都很帅！笔者是大刘明。

很多人认为，人类社会的发展总结起来就两条主线：第一是对能源的驾驭。因为火的使用，人区别于其它动物，于是人类开始征服整个世界，虽然更多是征服同类。近代人类对蒸汽动力的使用开启了工业时代，随后又渐渐驯服核能这个潘多拉魔鬼。这些征服之路也从正反两方面印证人类文明的成熟和未来星际拓展的无限可能。第二是对信息的驾驭。这一主线体现了文明的更多内涵。有比喻云：能源是文明的肌肉，信息是文明的神经。此类比喻让人产生很多基于医学生物学的联想。亦有打油诗曰：文字书籍烽火台，无线互联计算机。古老文明的生生不息仰赖文字书籍的代代相传，而无线电与计算机问世则提高了人类信息传播和处理的效率。半导体产业发展，让人类信息学进入了奥林匹克式的竞争，不断追求更小、更快、更节能、更多功能。在这场永无止境、永不停歇的竞赛中，除了我们自己变得更加精疲力竭之外，也浮现出一个核心问题：如何用最少的能量处理最大量的信息？！

关于这一问题，不同领域的学者有不同说法，大概都想将功劳与贡献多一些揽到自己身上。比如，材料学者说：左手一个桶能源，右手一个桶信息，那材料学就是挑起两只桶的一根扁担。牛叉！这一比喻形象但不是那么生动，并没有将扁担与桶的关系表达到位。不过，有一点很像：科学技术的上游是数理化，下游是工程技术。材料科学这支扁担将能源和信息送到千家万户，却不知千家万户喜欢的只是桶里的东西。他们将扁担往门背后一扔，就没扁担什么事了。这一点，材料学者感同身受、不胜委屈。

扁担角色当久了，材料人就只剩下一贯的清高。我们愿意振振有词：材料学自身发展逻辑体现了人类社会的发展水平以及科技的高度。它经历了天然材料、合成高分子材料、人工设计材料和智能材料四个发展阶段。其中，智能材料 (Intelligent Materials) 是材料科学最前沿领域之一。它是一大类能感知外部刺激、能判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料也是现代高技术新材料发展的方向之一，据说将支撑未来高技术的发展，并使传统意义下功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，从而实现结构功能化、功能多样化。

图1. 材料人在MRS 大会上做一次艺术家，以释放内心的情怀。这里显示两幅MRS 会议上“ Science as Art ” 获奖图片 (左图为2018 春季MRS 获奖作品、右图为2017 秋季MRS 获奖作品)。https://www.mrs.org/science-as-art

当然，材料人也有情怀的、也可以是艺术家和画家。图 1 所示为 2017 和 2018 年度MRS 大会“材料与艺术”主题展览的两张图片，其美亦美哉，其奇亦奇耶。

鼓动与口号就暂且喊到这里，笔者开始来点实在的东西。

2. 磁与电：利益婚姻

本文的主角是智能磁电材料，即一类包含了电学特性和磁学特性的智能材料 [1]。物理人早就无可奈何地认识到，磁与电不是一家人，对称性上两大家族毫无渊源、所在行业也毫无相通之处。这在科普文章“电控磁性：遥远与眼前”中有所交代。因此，学者们运用电控磁或磁控电来实现智能的、有目的的功能调控，纯粹是利益驱动，而核心利益关系则显示于图2 [1]。如果仅从电控磁的角度出发，电是基本的能量媒介，磁是信息存储和信息处理的核心媒介，这是本性的差别，却很门当户对。因此，磁与电联姻，不过就是一段利益婚姻，当可持久否？！事实上，智能磁电材料在微波器件中的应用却值得关注，它可降低该类器件装备在卫星、航天器、机载雷达及单兵通讯系统中的体积、重量和能耗，在无线通信、国防安全等领域具有意义。本号也曾多次推送磁电耦合方面的科普文章，如“多铁性迷思(1)：山重水复疑无路”、“互易是理想、非互易是现实”等等。

图2. 序参量(电极化强度、磁化强度和应变) 及其共轭场(电场、磁场和应力) 之间的关系。图片来自文献[1]。

智能磁电材料分为单相和多相两类。国内的南京大学、中科院物理所、中科大等单位在单相磁电新材料制备与第一性计算等方面进行过探索。单相体系目前尚存在若干尚未克服的问题，离实际应用尚需时日。与此不同，借助异质结嫁接，构建磁电复合材料以实现功能集成和添加，使其具有更高磁电耦合系数，则成为当前复合磁电材料实用化的基础。

限于篇幅，本文只涉及复合磁电材料这一亚类别。

的确，智能磁电复合材料本质上更是磁与电的强行联姻，以实现高效率能源与信息转化，并最终制造低功耗、微型化、可调节与超快响应的电子元器件。磁电材料应用上，目前尚只有复合体系有若干动人之处，引起学术界和工业界关注。当前，微波电子元器件中高功耗、高热量、噪声大、响应慢等问题较为严重，而磁电复合材料部分解决这些问题的优势正在变得明显。

历史上看，智能磁电复合材料最初为1972 年在西门子工作的Suchtelen 所提出。他建议利用界面，将压电材料与磁致伸缩材料复合。1994 年，南策文发展了非线性格林函数理论，求解两组铁性参量间的本构方程，获得灵感。这算是一个milestone 的工作，所以我们说南策文文心妙哉。2000 年开始，基于宏观尺度磁电复合材料获得了10 ~ 10³ V/Oe·cm 的磁电耦合系数，推动磁电材料走入器件应用的研发轨道。这方面，如今在北京大学神游的董蜀湘贡献卓越，虽然很多人并不了解他。由于这些潜在应用价值，美国、日本、韩国以及英国、德国、荷兰、法国等欧洲国家地区都投入了经费和资源。我国自2001 年起在这一领域的工作逐步增加，目前已有几十家机构从事这方面的研究。特别是清华、北大、南大、西交大、物理所、中科大、兰大等单位，都在基础研究和原型器件开发方面取得了一些成果。

只是，这些材料和原型器件的潜在应用频段主要集中于中低频，高频磁电应用的工作相对要薄弱很多。这方面进展，以美国东北大学孙年祥团队为代表。举例而言，FeGaB / AlN 拥有良好微波特性，适用于高频器件。孙年祥们曾研发出比当前小型天线要小100 倍的新一代磁电天线原型，有可能在便携式无线通讯系统中发挥作用。当然，到底能不能用也不是孙年祥们说了算的。

这里存在一些概念上的创新思路：传统天线需要精确设计金属结构大小，以实现与特定波长电磁信号产生共振。由此，天线尺寸与工作频率直接相关，限制了天线微型化。例如，10 GHz 频段的天线，频率已经很高了吧？但是天线特征尺寸大约在几个厘米。这么大的特征尺寸，如何能够实现高密度集成？

与此不同，使用磁电薄膜制备天线，利用的是特定电磁波频率而非波长来产生共振，从而大大缩小天线尺寸。通过几何设计，还可控制薄膜共振频率，实现从特高频 (UHF) 到甚高频 (VHF) 的跨越。该技术在便携式无线通讯系统中具有应用潜力，包括可穿戴式电子设备、智能手机、可植入天线和物联网等领域。过去一些年，孙年祥们，包括笔者在内，所做的一些工作还得到《科学》、《自然》和《科技日报》等媒体的报道。

好吧，接下来就看磁电材料人能不能真的向前走出几步了！

3. 重要的是界面

先看问题。上述传统磁电复合材料的耦合靠界面应力传递。应变高频和长时间反复，寿命自然是问题，所以实际应用存在先天不足。另外，基于铁电压电基片的磁电复合材料，需要很大调控电压 (400 V ~ 600 V)，这给集成造成困难，此路不通。基于铁电磁性薄膜的应力调控，又受制于基底束缚。所以，需要一种新的思路来克服这些问题。

一种方案就是借助不同的人工复合材料界面，看看复合界面上有没有文章可做。事实上，多年来，材料人也算是殚精竭虑、机关算尽，的确换来了一些界面新效应，可以为电场调控磁性所运用，获得强磁电耦合。这一思路有一些优点，最近几年进展还算不错：

(1)  早在2006 年，段纯刚们根据第一性原理计算预言：Fe / BaTiO₃ (BTO) 体系随着BTO 极化强度变化，表面电荷积累会影响超薄 Fe 原子层中自旋大小和磁各向异性场 [2]。这属于非应力调控的界面磁电耦合。在(La_1-xSr_x)MnO₃ (LSMO) / Pb(Zr,Ti)O₃ (PZT) 中也有类似效应 [3]。这是段纯刚的成名作之一，虽然有快十年心存疑惑而无人过问。原因很简单：您将单质金属 Fe 沉积到一个氧化物表面上，彼 Fe 还是此 Fe 吗？段纯刚当时并不知道怎么回答，近几年才有一些有钱人邀得鬼斧神工，说：是的，彼 Fe 是此 Fe ！

(2)   利用电解质等界面调控方式改变氧化物薄膜结构与磁电性能。例如，施加一个小的电场，就可以在电解液 – 磁性层界面处形成高的电荷积累。相关实验说 Co / Pt、Co / Pd 等磁性层的垂直磁各向异性的确可以被一些电解液很好调控 [4]。不过，用电解液来调控，总觉得应用上不那么靠谱，这一结果的意义最多也就是确认段纯刚们“界面电荷积累是关键”之谬论是有道理的。可见段纯刚那时的想法的确很超前。

(3)   最近，有些工作，包括笔者的工作，说界面处可控氧化还原反应能实现电控磁性。这属于“界面电荷转移”的范畴，可以很物理，也可以比较化学。这一结果值得稍加详细介绍 [5]。

图3. (a) GdO_x / Co 异质结和实验装置示意图。(b) 初始 R_H~ H_z 曲线，样品未经任何处理(黑色曲线)、样品在200 ^oC 下退火10 分钟 (红色曲线)。(c) R_H~ H_z 曲线，样品在200 ^oC 下退火 10 分钟 (红色曲线)、样品在V_G = – 625 kV/cm 电场下保持 6 分钟后测量结果(蓝色曲线)、样品在V_G = + 625 kV/cm 电场及 200 ^oC下处理13 分钟后测量结果(紫红色曲线)。(d) 对 R_H~ H_y 关系的测量结果，步骤与(c) 类似。来自文献[5]。

为简单起见，考虑一 GdO_x/ Co 异质结，结构如图 3(a) 所示 [5]。相关研究表明，Gd₂O₃ 是一种氧离子导体。也就是说其中的 O 水性杨花、朝三暮四，稍加勾引即可投怀送抱。例如，施加负的电压 (V_G < 0) 时，O^2- 会移动至Co 薄膜中，改变 Co 的磁性能。事实上，最近实验显示，对 GdO_x 施加电场，的确可诱导 Co 界面层部分氧化，导致Co 薄膜的磁化强度翻转。其背后机制实际上是磁各向异性方向发生了变化，类似机制在“电控磁性：遥远与眼前”一文中也有讨论。

如果对这一异质结施加垂直外磁场 H_z，可得到图 3(b) 所示的反常霍尔电阻 R_H ~ H_z回线 (黑色曲线) 。显然，矩形 R_H ~ H_z回线表明样品具有较强垂直磁各向异性。经过200 ^oC 处理，R_H ~ H_z回线形状未发生变化，显示温度稳定性不错。现在看电场 V_G 的调控结果。

(1)  先对异质结施加 V_G = – 625 kV/cm 电场，测得 R_H ~ H_z回线如图 3(c) 中蓝线，意味着反常霍尔效应消失。

(2)  再对异质结施加 V_G = + 625 kV/cm 电场，反常霍尔效应重新恢复 (图 3(c) 中的紫红色回线)。可见，电场 V_G 可有效改变 Co 薄膜的磁各向异性，到此 Co 的磁矩翻转。

(3)  沿 y 轴方向施加磁场 H_y 也有类似效果，如图 3(d) 的 R_H ~ H_y 曲线所示。当 V_G = – 625 kV/cm，R_H ~ H_y 曲线从红线变为蓝线，反常霍尔效应消失。当 V_G = + 625 kV/cm时，又恢复为紫蓝色曲线。虽然 R_H ~ H_y 曲线并不呈现回线，但调控效应依然明显。

小结一下：俺们材料人的确取得一些进展。现在我们明白，从能量与信息转化效率角度而言，界面调控方式所需能量更低，调控效果也更好、更准确、更适用于大规模集成电路。由于系统不存在明显应力变化，其器件机械和性能稳定性与可靠性也较好。

当然，问题也不少！界面调控方法存在的问题是：(1) 氧化物薄膜制备工艺要求高，与Si 工艺乃至柔性电子器件工艺兼容性低。(2) 不可否认的是，针对氧化物 / 磁性金属异质结，各种物理化学效应可能都存在，很难说其中一种效应独立于其它之外。这给理解和控制设计带来不确定性。(3) 牵涉到界面离子物理化学过程，如电解质、界面氧化、离子迁移等动力学过程都不大可能很快，估摸着很难对高频调控有很大吸引力。

这些问题的出现，暗示界面调控还需要有更多物理元素介入，方能向实际应用走得更远。怎么办呢？最近又有一些新的生长点。笔者所熟悉的，至少有两种元素正在进入到磁电耦合复合材料中。这些生长点都很有创意、有些效应免不了令人击掌。只是，它们的高频磁电响应或者电控磁性能，似乎依旧不明不白。这些问题，在我们的工作中都得到一些关注。

只是，人不能至情至性、事不能求全责备。先走一步，看花开花落是否花满天。好，花开两朵、各表一枝！

4. 离子液体登场

第一枝：借助离子液体作为界面调控手段，实现磁电调控，特别是电控磁性。这一思路看起来源于上一节界面电荷聚集的物理，无非是借助带电离子易于运动的特点在磁电复合界面处形成大的电荷积累。果若如此，当无多大创新。殊不知，离子液体一登场，就搞出了很多意料不到的事情，让人羡慕嫉妒恨都上来哉。于是，各路君子都纷纷亮相，均在脸上涂上一层“离子液体”，其颜专美，其效良多！

所谓室温离子液体，简称离子液体，又称室温熔盐，具有饱和蒸气压极低、液程宽、溶解性好等特点。与固体不同，离子液体有丰富的化学、磁学、电学性质，这些性质实际上早就在电子元器件设计与开发过程中得到应用。材料人在百无聊赖中“忽然”得到灵感：如果将离子液体本身或其与导电聚合物共溶所制备成的薄胶层作为介电层，借助外加电场，可实现对功能薄膜界面多元序参量的动态调控。最近几年，这一思路应用到诸如 p – n 结、超导转变、金属绝缘体相变、居里温度、各向异性磁阻、自旋转移力矩等领域中。典型例子如 La_0.5Sr_0.5CoO_3−δ，其中电极化的离子液体可调控磁阻。La_0.6Sr_0.4MnO₃ 中，铁磁 -反铁磁以及金属 - 绝缘体相变也可借助离子液体控制。Fe₃O₄ 中，离子液体可以调控磁各向异性。

基于离子液体的磁电耦合体系，我国的研究与应用开发进展良好，诸如电场诱导磁性相变、各向异性磁阻调控、铁磁绝缘体相变、磁电耦合器件开发、自旋电子学调控等工作都有报道。将离子液体应用于磁电耦合领域，的确为探索磁电耦合材料、开发磁电耦合器件提供了新思路，亦值得笔者在此稍微啰嗦一些。

离子液体调控的物理化学路数并不复杂，不是那种惊天动地的新发现，教科书中都有章节描述。依据机理不同，研究可分两类：(1) 静电掺杂调控；(2) 电化学反应调控。当外加电场超过离子液体阈值 (电化学窗口)，本身会发生电化学反应。根据反应活性不同，作为电极的磁性薄膜会参与到电化学反应中。该反应反过来会从空间尺度及化学组分等方面对磁性薄膜进行功能改性，虽然这种改性往往是不可逆的、可能也是缓慢的。

作为一个实例，离子液体调控的基本物理过程之一类如图 4(a) (b) 所示。电压驱动液体中离子积聚在磁性超薄膜表面，与薄膜表层的感生电荷形成双电层结构。双电层界面处有极高电荷浓度 (10¹⁵ cm^-2)，会对功能超薄膜表层的电子云密度、能带结构、自旋轨道耦合产生深刻影响。与此同时，较低的调制电压 (< 2 V) 可以确保调控过程不受电化学反应的干扰。看君现在明白了：电场低还好，基本就是电荷聚集，物理上处理起来不难。电场稍高，带电离子就参与其中物理化学过程。这就复杂了，通常是物理人不喜欢、化学人却偏爱、材料人则两边不是人。

清华大学物理系的于浦们曾经在《Nature》上发表过一篇《选择性双离子开关电场控制的三态相变》的工作 [6]。他们在单一材料中实现了双离子电场可控结构相变 (如图 4 所示)，并揭示了基于三态相变过程中光、电和磁学特性调控的原型器件应用。当施加负电压时，离子液体中形成的内建电场驱动 O^2- 进入薄膜中，发生SrCoO_2.5 到SrCoO₃ 相变。当施加正电压时，离子液体中的内建电场驱动 H⁺ 进入薄膜中，发生SrCoO_2.5 到 HSrCoO_2.5相变。此外，这三个相还拥有完全不同的电学和磁学基态，即显示铁磁金属性的 SrCoO_3-δ、反铁磁绝缘性的 SrCoO_2.5、及弱铁磁绝缘性的 HSrCoO_2.5。理论上，可以预期，通过电场控制这些相之间的切换来实现多磁态之间的电场调控。实验上，O 的水性杨花给了材料人很多机会，从而可以创造 Nature。

如果没有SrCoO_x 系列丰富的物相、没有这些物相之间情同手足到穿一条裤子，于浦们大概也没有这么幸运。问题是，于浦们竟然遇到了天下之大而如此难得的一个体系，令人击掌！当然，这种幸运不会是因为于浦长得够帅、够高大所致，而是于浦们日夜不停地尝试、失败、再尝试、再失败后的结果。如果我们说这是科学的上帝所赐，大概也不为过。

图4. 电场控制 SrCoO_2.5、SrCoO_3−δ 和HSrCoO_2.5 三态相之间的转变 [6]。离子液体可将O^2- (a) 或 H⁺ (b) 注入进薄膜中。当施加负电压时 (a)，离子液体中形成的内建电场驱动 O^2- 进入薄膜中。当施加正电压时 (b)，离子液体中形成的内建电场驱动 H⁺ 进入薄膜中。(c) 电场调控SrCoO_2.5 的可逆相转变。其中晶体结构由第一性原理计算获得，红色和蓝色箭头分别代表负电压和正电压。(d) SrCoO_2.5、SrCoO_3−δ 和HSrCoO_2.5 的XRD 图谱。绿色阴影区域 (45°) 的衍射峰明显地显示出三种物质的不同。(e) LAST (002) 衍射峰的原位 XRD 图谱，结果表明电场控制SrCoO_2.5 的可逆过程。

除此以外，最近还报道了一些典型实例，如：(1) 在 (Ti, Co)O₂ 、SiRuO₃ 、La_0.5Sr_0.5CoO_3−δ 等体系中，实现了电极化离子液体对磁阻的调控。(2) 在 (La, Sr)MnO₃ [7] 、MgO/CoFeB 、Co等体系中，实现了电场对磁各向异性的调控。当然，笔者也愿意与看君分享自己的一些工作，如图 5 所示。这些工作包括：

(1)   在 [ Co / Pt ]_x 垂直磁各向异性交换耦合体系中，实现了对矫顽场的调制 (图 5a-b) [8]。当偏置电压为零时，样品表现出典型的垂直磁各向异性，随偏置电压增加磁易轴逐渐向面内方向移动。结果表明，离子液体可使样品发生明显的自旋重构转变现象。

(2)   在 RKKY 人工反铁磁体系中，实现了对交换耦合的调控 (图 5c-d) [9]。当外加电压为零时，样品具有双磁滞回线 (反铁磁状态)。外加电压增至 2 V 时，样品磁畴发生转变，表现出三磁滞回线的状态。

(3)   在 Pt / YIG 金属氧化物异质结中，实现对微波特性的调控，并制备了新型的微波器件原型 (图 5e) [10]。与传统器件相比，基于离子液体调控的微波器件具有能耗低及尺寸小等优点。在 – 110 ^oC下，电压变化 4.5 V ，可引起铁磁共振场 690 Oe 的变化 (图 5f)。

这些结果表明离子液体调控在电控存储器和电控微波器件中均有一定应用前景。所谓四两 (小电压) 拨千斤 (可调体系广泛、磁性变化大、磁电耦合系数高)，岂不快哉！依笔者之见，从进一步应用角度看，静电掺杂调控具有磁电耦合效应强、调控过程稳定、调控效应可逆等优点，推广前景应该更好。

图5. (a) 原位 ESR 曲线测量示意图，蓝色箭头为外磁场方向，黄色闭合曲线和黑色闭合曲线分别代表电磁场的磁场分量和电场分量。(b) 离子液体调控 [Co/Pt]_x 的面外磁滞回线。(c) 离子液体调控 FM / Ru / FM 人工反铁磁示意图。(d) FM / Ru / FM 人工反铁磁的双磁滞回线和三磁滞回线。(e) 基于 YIG / Pt / IL的新型微波器件原理图。(f) 离子液体调控 YIG 铁磁共振示意。

5. 向柔性进军

第二枝，是柔性电子材料或柔性智能材料。

其实，世上之事，无奇不有。世上之人，无梦不香。柔性电子学现在也是大行其道，好像什么材料要是不“柔”一下就没有时尚感，就像现在年青一代所喜欢的“娘”态一般。这是笔者的感觉。

作为 21 世纪最为热门的新型材料之一，柔性电子 (Flexible Electronics) 材料以其据说是广泛的应用和灵活性引起关注，据说也是未来微电子产业的重要方向。所谓柔性电子材料和器件，主要是将有机 / 无机电子器件制作在柔性 / 可延性塑料或薄金属基板上，形成集成器件。它们具有延展性、适应曲面环境、制造低成本而高效。由此，很多人就“想象”出柔性电子材料在国防、能源、信息、医疗等领域有潜在应用。2000 年，美国《Science》杂志将柔性电子技术进展列为当年世界十大科技成果之一，与生物克隆技术、人类基因组技术等科学进展并列。

此外，有一些大胆设想和不犯法的预言说：生物世界与电子器件的无缝连接是未来生物学和电子学发展交汇的必然趋势。生物和电子的深度融合将拓展人类身体的能力极限。例如，“特斯拉”总裁埃隆 • 马斯克倡导脑机接口项目，以图实现人脑思维直接控制机器、接入网络信息世界。基于柔性电子材料的生物融合器件将推动生物学和电子学发展。从能量与信息交汇的角度看，如果将人体引入这个融合体系，那么生物 - 信息 - 能量的无缝结合，可谓真正实现了华夏老祖宗观念中最高境界：天人合一。

好，声势已经形成、舆论已经就绪。在此大势之下，自旋电子学和磁电材料器件自然不甘寂寞。原因之一是这些群体都是人精，不仅会做梦，还会解梦，并使出浑身解数去实现梦。事实上，柔性电子学没有自旋电子学、没有磁电耦合，那也名不副实。

下面我们来看看这其中的现状、困难和未来。

首先，这些想象当然不是徒劳无功的，事实上一些正在变成现实。具体产品包括柔性有机发光二极管 OLED、柔性电子显示器、柔性印刷 RFID、柔性薄膜太阳能电池板、电子表面粘贴 (Skin Patches) 等。其次，柔性自旋电子材料与器件是柔性电子学的分支。柔性自旋电子材料是指具有柔性特征的磁性材料，如制备在各种柔性基底上的磁性薄膜及异质结。因此，柔性自旋电子学实际上为柔性磁电耦合材料及器件的发展提供了很好的基础和架构。

这些年来，柔性自旋电子学的确取得了一些进展。为本文描述作铺垫，笔者举两个例子：

(1) 在柔性基底上制备了磁性薄膜，研究了薄膜磁学性质随柔性基底形变而变化。2013 年，R. P. Cowburn 在 Advanced Functional Materials 上发表了柔性基底生长基于 RKKY 相互作用的人工反铁磁异质结。结果显示，磁性与生长在 Si 基底上的人工反铁磁结构相差不大，可满足柔性自旋电子学基本需要。该结构随基底和环境形变而产生应力，具有良好力学稳定性。

(2) 开发了基于柔性磁性薄膜/异质结的柔性自旋电子元器件，在柔性衬底上制备的各向异性磁阻 (Anisotropic Magnetic Resistance) 传感器具有2-3% 的磁阻率，可探测 150 nT 的微弱磁场 (相当于地磁场的1/400)，具有高灵敏度、柔韧性和稳定性，满足柔性磁传感器的基本需要。

与传统自旋电子学相比，柔性器件具有灵活性，可作为医疗健康设备穿戴于人体或生物体上。为实现更高功能的柔性自旋电子材料和器件，比如柔性磁传感器、柔性信号处理器、柔性天线、柔性磁存储器等，我们不但希望某些性质对柔性环境不敏感，也需要某些性质对柔性环境很敏感。前者如举重若轻，后者则如举轻若重。

纵观柔性电子学这些年取得的一些进展，笔者与其啰啰嗦嗦展示这些进展，还不如提出几个可能的问题，应当更受读者欢迎。

(1)  工作原理。传统自旋电子学器件的很多技术原理并不能用于柔性器件中。例如，在曲面的柔性基底上，器件形状随环境不断变化，传感或者读写机构也需要作出相应变化，这就很难。磁硬盘中，那个需要超高空间辨识精度 (nm) 的读写臂，如何能够随心起舞、千手观音呢？！因此，柔性自旋电子器件需要新的机制，例如运用自旋转移矩 (STT) 和自旋轨道矩 (SOT) 调控柔性磁性薄膜的信息读写和控制等。STT 和 SOT 等不但对应变敏感，而且需要较大驱动电流，会引起高能耗和散热等问题。众所周知，这些问题在传统自旋电子学中还没搞定呢，更别说柔性自旋电子学了。此时，磁电耦合调控也许更合适柔性自旋电子学，耶、耶，耶！

(2)   新的界面调控介质。如何在柔性衬底上调控各种磁异质结构的磁学性质？前文已经洋洋洒洒兜售了磁电复合体系电控磁性的界面电荷聚集机制，用离子液体是个好手段。但是，从器件应用角度，离子液体作为一种可流动液体，在集成电子器件和柔性电子器件应用中会产生诸如泄露、腐蚀、不便于保存等工程问题。在刚性器件中通过封装和后续措施也许可以弥补一二，但柔性环境中，您能想象离子液体该是多么令人厌恶？！所以，要换掉离子液体吧？

(3)   速度与效率问题。这一问题不仅在柔性体系，在传统体系亦是如此。无论是界面电荷聚集、界面带电离子物理化学、柔性界面耦合等新物理，还是电解质、离子液体、离子胶体等新材料，如何实现超高速电控磁性动力学大概还是目前很少触及的问题。目前绝大多数工作，毫无疑问都是准静态的，少数工作展示的特征时间也是在秒的量级。这是我们的研究尚未来临、却很致命的挑战。

一言以蔽之，材料人举轻若重或举重若轻的核心问题是低电压、低能耗、响应快以及稳定可靠的问题。由此，柔性磁电耦合材料及器件的需求就一目了然。或者说，传统自旋电子学存在的问题，在柔性自旋电子学中更严重，并且有更多问题出现。此乃柔性磁电耦合材料与器件的宿命，解决之方有生存之机！

针对这些困难，包括笔者在内的同行，可谓夜不能寐、日不食香。笔者曾经针对离子液体的困难，将离子液体与其它功能性有机聚合物(Functional Polymer) 相结合，形成同时具有离子液体对电场响应性和有机聚合物特性的离子胶体。这应该是一个妥协方案：既具有良好的柔性、延展性和灵活性，又可提高可调微电子 / 自旋电子器件的可靠性、降低调控介质对于器件的腐蚀性 [11]。我们在柔性衬底上初步实现了运用离子胶体对Co / Pt 垂直磁各向异性 [10] 与 RKKY 人工反铁磁的调控 [11]。离子胶可以改变磁性薄膜费米能级处的电子密度，从而有效改变其磁性能。详细描述可见参考文献 [10, 11]，亦显示于图 6。与离子液体相比，离子胶体的确不容易泄露、更容易集成在柔性器件中。

图6. (a) RKKY 磁性薄膜生长在 Kapton (I)、Mica (II)、离子胶体 (III) 上。(b) 和 (c) 不同厚度 Ru 样品的磁滞回线 [11]。随着 Ru 厚度增加，样品磁性从铁磁转变为反铁磁，继而再转变为铁磁 (当 Ru 厚度为 0.4 ~ 1.05 nm 时，样品表现为反铁磁性)。

6. 结语

笔者从物理、材料、器件应用等几个层面阐述了管所之见，此乃抛砖引玉。其实，如本文章所言，本来天然磁和电很难有什么瓜葛，但是为了巨大的利益 (减小能耗、自旋电子元器件的小型化、柔性等)，磁电两种特性在新型磁电材料的“做媒”下，结成了政治婚姻。

为了维持这段婚姻，有很多人从中或撮合、或作梗，有很多故事与是非。笔者也是其中积极撮合之一员。笔者参与的磁电复合材料及原型器件研究工作，看君如果有意，亦可参阅文献 [12-20]。其中，稍有意思的一篇工作 [11]，看君可点击文尾的“阅读原文”而一窥端倪。

只是，笔者要说：仅仅基于应用前景的利益婚姻是暂时的。如果在此期间，培养了科学方面的感情，那么这段磁电婚姻将更为美满。这需要后续学人对界面磁电复合的机制展开更深入的研究，开发更多更有效的新型调控手段。

客观地说，科学和应用这两方面的脚步，才刚刚开始，前方之路显然还很漫长。

7. 参考文献

1. Hu, J. M., Chen, L. Q. & Nan, C. W. Multiferroic Heterostructures Integrating Ferroelectric and Magnetic Materials. Adv. Mater. 28, 15-39, doi:10.1002/adma.201502824 (2016).

2. Duan, C. G., Jaswal, S. S. & Tsymbal, E. Y. Predicted magnetoelectric effect in Fe / BaTiO₃ multilayers: ferroelectric control of magnetism. Phys. Rev. Lett. 97, 047201, doi:10.1103/PhysRevLett.97.047201 (2006).

3. Spurgeon, S. R. et al. Polarization screening-induced magnetic phase gradients at complex oxide interfaces. Nat. Commun. 6, 6735, doi:10.1038/ncomms7735 (2015).

4. Yakushiji, K. et al. Ultrathin Co/Pt and Co/Pd superlattice films for MgO-based perpendicular magnetic tunnel junctions. Appl. Phys. Lett. 97, 232508, doi:10.1063/1.3524230 (2010).

5. Bi, C. et al. Reversible control of Co magnetism by voltage-induced oxidation. Phys.Rev. Lett. 113, 267202, doi:10.1103/PhysRevLett.113.267202 (2014).

6. Lu, N. et al. Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch. Nature 546, 124-128, doi:10.1038/nature22389 (2017).

7. Cui, B. et al. Electrical manipulation of orbital occupancy and magnetic anisotropy in manganites. Adv. Funct. Mater. 25, 864-870 (2015).

8. Zhao, S. et al. Quantitative Determination on Ionic-Liquid-Gating Control of Interfacial Magnetism. Adv. Mater. 29, 1606478, doi:10.1002/adma.201606478 (2017).

9. Yang, Q. et al. Ionic liquid gating control of RKKY interaction in FeCoB / Ru / FeCoB and (Pt/Co)₂ / Ru / (Co/Pt)₂ multilayers. Nat. Commun. 9, 991, doi:10.1038/s41467-018-03356-z (2018).

10. Zhao, S. et al. Low-Voltage Control of (Co/Pt)x Perpendicular Magnetic Anisotropy Heterostructure for Flexible Spintronics. ACS Nano 12, 7167-7173, doi:10.1021/acsnano.8b03097 (2018).

11. Yang, Q. et al. Ionic Gel Modulation of RKKY Interactions in Synthetic Anti-Ferromagnetic Nanostructures for Low Power Wearable Spintronic Devices. Adv. Mater, e1800449, doi:10.1002/adma.201800449 (2018).

12. Zhu, M. et al. Voltage control of spin wave resonance in La_0.5Sr_0.5MnO₃ / PMN-PT(001) multiferroic heterostructures. Appl. Phys. Lett. 111, 102903, doi:10.1063/1.4990545 (2017).

13. Xue, X. et al. Voltage Control of Two-Magnon Scattering and Induced Anomalous Magnetoelectric Coupling in Ni-Zn Ferrite. ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 43188-43196, doi:10.1021/acsami.7b15433 (2017).

14. Xue, X. et al. Discovery of Enhanced Magnetoelectric Coupling through Electric Field Control of Two-Magnon Scattering within Distorted Nanostructures. ACS Nano 11, 9286-9293, doi:10.1021/acsnano.7b04653 (2017).

15. Peng,B. et al. Deterministic Switching of Perpendicular Magnetic Anisotropy by Voltage Control of Spin Reorientation Transition in (Co/Pt)₃ / Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃ - PbTiO₃ Multiferroic Heterostructures. ACS Nano 11, 4337-4345, doi:10.1021/acsnano.7b01547 (2017).

16. Dong, G. et al. Thermal Driven Giant Spin Dynamics at Three-Dimensional Heteroepitaxial Interface in Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄ / BaTiO₃ - Pillar Nanocomposites. ACS Nano 12, 3751-3758, doi:10.1021/acsnano.8b00962 (2018).

17. Wang X. et al. E-field Control of the RKKY Interaction in FeCoB / Ru / FeCoB / PMN-PT (011) Multiferroic Heterostructures. Adv. Mater. 30, 1803612, doi: 10.1002/adma.201803612 (2018).

18. Zhao, S. et al. Ionic Liquid Gating Control of Spin Reorientation Transition and Switching of Perpendicular Magnetic Anisotropy. Adv. Mater. 30, 1801639, doi:10.1002/adma.201801639 (2018).

19. Guan, M. et al. Ionic Modulation of the Interfacial Magnetism in a Bilayer System Comprising a Heavy Metal and a Magnetic Insulator for Voltage-Tunable Spintronic Devices. Adv. Mater. 30, 1802902, doi:10.1002/adma.201802902 (2018).

20. Zhao, S. et al. Low-Voltage Control of (Co/Pt)_x Perpendicular Magnetic Anisotropy Heterostructure for Flexible Spintronics. ACS Nano 12, 7167−7173, doi: 10.1021/acsnano.8b03097(2018).

备注：

(1) 封面图片来自：

https://ceramics.org/ceramic-tech-today/move-over-silicon-magnetoelectric-multiferroics-and-tiny-transistors-could-enable-faster-computers-that-consume-less-power

图片说明：Anextra plane of iron atoms was inserted every ten repeats, substantiallychanging the magnetic properties. The jagged appearance of the lutetium atomsis due to atomic rumpling. Credit: Emily Ryan and Megan Holtz; CornellUniversity

(2) 题头小诗乃Ising所加。文中那些调侃挪喻之处，均由Ising所加工，与作者刘明无关。

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