基于PVDF的電控磁性研究進(jìn)展

王瑞琦劉向陽(yáng)

（1.西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077；2.西安通信學(xué)院，陜西 西安 710106）

基于PVDF的電控磁性研究進(jìn)展

王瑞琦1劉向陽(yáng)2

（1.西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077；2.西安通信學(xué)院，陜西 西安 710106）

當(dāng)代信息化存儲(chǔ)要求高垂直各向異性的存儲(chǔ)材料，電場(chǎng)控制體系的磁晶各向異性能作為一種新型的磁寫入方式而得到廣泛研究。基于PVDF的磁電效應(yīng)有很多研究，包括利用鐵電極化改變鐵磁層的磁矩、磁化易軸和磁結(jié)構(gòu)，以及利用鐵磁層或磁場(chǎng)來(lái)改變鐵電體特性。本文綜述基于有機(jī)鐵電體PVDF的電控磁性。關(guān)鍵詞：PVDF；磁存儲(chǔ)；電控磁性；磁晶各向異性能

信息的高密度存儲(chǔ)和安全便捷處理是信息社會(huì)的基礎(chǔ)。磁存儲(chǔ)要求能調(diào)控磁性材料的磁化強(qiáng)度，這樣才能方便實(shí)現(xiàn)讀寫。近幾年，電控磁性的磁寫入方式發(fā)展迅速，有不少研究都報(bào)道了該方面的成果。研究證實(shí)，利用鐵磁/鐵電界面磁電效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)磁性薄膜的物性調(diào)控，能調(diào)控包括磁化強(qiáng)度、磁有序、MAE和交換偏置等在內(nèi)的多種磁學(xué)性質(zhì)。

有機(jī)鐵電體聚偏氟乙烯（Polyvinylidene fluoride，PVDF）具有綠色無(wú)毒、質(zhì)量輕、耐化學(xué)腐蝕、柔性和加工性能好等性質(zhì)，被用在基于多鐵異質(zhì)結(jié)的電控磁性研究中。在PVDF與鐵磁體組成的異質(zhì)結(jié)中，通過(guò)鐵電/鐵磁界面磁電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電控磁性。

1 有機(jī)鐵電體PVDF

PVDF的分子式為-（CH2-CF2）n-，β相是PVDF的鐵電相，晶格常數(shù)如下：a=8.58?，b=4.91?，c=2.56?。圖1為 β相PVDF的球棍模型，碳鏈沿c軸方向，箭頭代表電極化強(qiáng)度P。因?yàn)樵诿總€(gè)CH2-CF2分子中，極化強(qiáng)度由氟原子指向氫原子，而所有電極距同向，因此高聚物分子顯示出整體的極性。

圖1 PVDF的分子結(jié)構(gòu)

Bune在1998年使用朗格繆爾膜制備了含聚偏氟乙烯70%和聚三氟乙烯30%的鐵電聚合物［1］，在滯回曲線中可以看到，當(dāng)薄膜厚度減到只有2層時(shí)，該薄膜仍保存著鐵電滯回特性，由此說(shuō)明聚偏氟乙烯（聚三氟乙烯）是一種高度有序的二維有機(jī)鐵電體，且沉積在鐵磁金屬表面時(shí)成鍵很弱，主要作用為物理吸附。

2 PVDF 對(duì)磁性的調(diào)控

諸多基于有機(jī)鐵電體的電控磁性研究都使用PVDF作為鐵電體，一般構(gòu)造PVDF/鐵磁體異質(zhì)結(jié)，運(yùn)用界面磁電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)鐵電體對(duì)磁性的調(diào)控。

實(shí)驗(yàn)上，A.Mardana制備了如圖2所示楔形結(jié)構(gòu)［2］。首先，把P（VDF-TrFE，70%PVDF和30%PTrFE）沉積在Co金屬上面，再于上面加鋁電極。如圖3所示，PVDF極化向上時(shí)，單軸各向異性常數(shù)Keff為正，而PVDF極化向下時(shí)，Keff為負(fù)。這里正負(fù)代表磁化易軸垂直于面和在面內(nèi)。

圖2 樣品側(cè)視圖

圖3 有效單軸各向異性常數(shù)Keff對(duì)Co厚度的函數(shù)

理論上如圖4所示，Lopez-Encarnacion研究了PVDF多鐵隧道結(jié)Co/PVDF/[Fe]/Co(0001)［3］，右邊添加單層鐵打破對(duì)稱性。Lopez-Encarnacion計(jì)算兩電極平行磁化時(shí)多數(shù)自旋和少數(shù)自旋的電導(dǎo)、反向磁化時(shí)的總電導(dǎo)、隧道磁阻和隧道電阻。結(jié)果證實(shí)，Co/PVDF/Co隧道結(jié)存在一個(gè)少數(shù)自旋統(tǒng)治的電導(dǎo)，該研究表明鐵電極化可以控制電子和自旋輸運(yùn)。

筆者及其他研究者通過(guò)第一性原理計(jì)算，構(gòu)造了PVDF/Fe/Cu/Ag異質(zhì)結(jié)［4］，如圖5所示。發(fā)現(xiàn)PVDF的鐵電極矩可以靈活地調(diào)控異質(zhì)結(jié)的磁晶各向異性能（MAE）。特別是通過(guò)鐵電極化反轉(zhuǎn)可以使鐵磁金屬Fe層的磁化易軸實(shí)現(xiàn)從面內(nèi)到面外的90°翻轉(zhuǎn)。PVDF極化的上下，分別對(duì)應(yīng)體系MAE的負(fù)正。這意味可以將磁化易軸從平行界面的方向翻轉(zhuǎn)到垂直于界面，兩個(gè)方向分別代表存儲(chǔ)中的“1”和“0”，因而實(shí)現(xiàn)了鐵電控制的磁性存儲(chǔ)。PVDF類似“有機(jī)塑料”，將使未來(lái)鐵電控制的磁存儲(chǔ)器輕便可折，穿戴于人類身上。

圖4 Co/PVDF/[Fe]/Co(0001)多鐵隧道結(jié)（PVDF極化方向向左）

圖5 PVDF/Fe/Cu/Ag異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)代信息化存儲(chǔ)要求高垂直各向異性的存儲(chǔ)材料，電場(chǎng)控制體系的磁晶各向異性能作為一種新型的磁寫入方式而得到廣泛研究。本文綜述了基于有機(jī)鐵電體PVDF的電控磁性。近年來(lái)，理論和實(shí)驗(yàn)研究指出，通過(guò)巧妙地設(shè)計(jì)界面結(jié)構(gòu)，可有效調(diào)控材料的磁化強(qiáng)度、磁有序、MAE和交換偏置等多種磁學(xué)性質(zhì)。

［1］AV Bune，VM Fridkin，S.Ducharme，et al.S.G.Yudin, and A.Zlatkin.Two-dimensional ferroelectric films［J］.Nature，1998（391）：874-877.

［2］A Mardana，S Ducharme，S Adenwalla.Ferroelectric Control of Magnetic Anisotropy［J］.Nano Lett，2011（11）：3862-3867.

［3］JM.López-Encarnación，JD Burton，EY Tsymbal.Organic Multiferroic Tunnel Junctions with Ferroelectric Poly(vinylidene fluoride)Barriers［J］.Nano Lett，2011（11）：599-603.

Research Progress of Electronically Controlled Magnetic Properties Based on PVDF

Wang Ruiqi1Liu Xiangyang2
（1.Xi'an Aeronautics University，Xi'an Shaanxi 710077；2.Xi'an Institute of Communications，Xi'an Shaanxi710106）

The current information storage requires high vertical anisotropic storage materials,and the magnetic anisotropy of the electric field control system has been widely studied as a new type of magnetic writing method.There are many studies on the magnetic effect based on PVDF,including the use of ferroelectric polarization to change the magnetic moment of the ferromagnetic layer,the easy axis and the magnetic structure,and the use of ferromagnetic layer or magnetic field to change the ferroelectric properties.This paper reviewed the electrically controlled magnetism of organic ferroelectrics based on PVDF.

PVDF；magnetic storage；electronically controlled magnetic properties；magnetocrystalline anisotropy

TM221

A

1003-5168（2017）05-0143-02

2017-04-15

王瑞琦（1989-），男，碩士，助教，研究方向：信息功能材料。