首先說(shuō)明一點(diǎn)：西安交通大學(xué)做功能材料研究的有兩位劉明，都很帥！筆者是大劉明。

很多人認(rèn)為，人類社會(huì)的發(fā)展總結(jié)起來(lái)就兩條主線：第一是對(duì)能源的駕馭。因?yàn)榛鸬氖褂?，人區(qū)別于其它動(dòng)物，于是人類開(kāi)始征服整個(gè)世界，雖然更多是征服同類。近代人類對(duì)蒸汽動(dòng)力的使用開(kāi)啟了工業(yè)時(shí)代，隨后又漸漸馴服核能這個(gè)潘多拉魔鬼。這些征服之路也從正反兩方面印證人類文明的成熟和未來(lái)星際拓展的無(wú)限可能。第二是對(duì)信息的駕馭。這一主線體現(xiàn)了文明的更多內(nèi)涵。有比喻云：能源是文明的肌肉，信息是文明的神經(jīng)。此類比喻讓人產(chǎn)生很多基于醫(yī)學(xué)生物學(xué)的聯(lián)想。亦有打油詩(shī)曰：文字書(shū)籍烽火臺(tái)，無(wú)線互聯(lián)計(jì)算機(jī)。古老文明的生生不息仰賴文字書(shū)籍的代代相傳，而無(wú)線電與計(jì)算機(jī)問(wèn)世則提高了人類信息傳播和處理的效率。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，讓人類信息學(xué)進(jìn)入了奧林匹克式的競(jìng)爭(zhēng)，不斷追求更小、更快、更節(jié)能、更多功能。在這場(chǎng)永無(wú)止境、永不停歇的競(jìng)賽中，除了我們自己變得更加精疲力竭之外，也浮現(xiàn)出一個(gè)核心問(wèn)題：如何用最少的能量處理最大量的信息？！

關(guān)于這一問(wèn)題，不同領(lǐng)域的學(xué)者有不同說(shuō)法，大概都想將功勞與貢獻(xiàn)多一些攬到自己身上。比如，材料學(xué)者說(shuō)：左手一個(gè)桶能源，右手一個(gè)桶信息，那材料學(xué)就是挑起兩只桶的一根扁擔(dān)。牛叉！這一比喻形象但不是那么生動(dòng)，并沒(méi)有將扁擔(dān)與桶的關(guān)系表達(dá)到位。不過(guò)，有一點(diǎn)很像：科學(xué)技術(shù)的上游是數(shù)理化，下游是工程技術(shù)。材料科學(xué)這支扁擔(dān)將能源和信息送到千家萬(wàn)戶，卻不知千家萬(wàn)戶喜歡的只是桶里的東西。他們將扁擔(dān)往門(mén)背后一扔，就沒(méi)扁擔(dān)什么事了。這一點(diǎn)，材料學(xué)者感同身受、不勝委屈。

扁擔(dān)角色當(dāng)久了，材料人就只剩下一貫的清高。我們?cè)敢庹裾裼性~：材料學(xué)自身發(fā)展邏輯體現(xiàn)了人類社會(huì)的發(fā)展水平以及科技的高度。它經(jīng)歷了天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料和智能材料四個(gè)發(fā)展階段。其中，智能材料 (Intelligent Materials) 是材料科學(xué)最前沿領(lǐng)域之一。它是一大類能感知外部刺激、能判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。智能材料也是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的方向之一，據(jù)說(shuō)將支撐未來(lái)高技術(shù)的發(fā)展，并使傳統(tǒng)意義下功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化。

圖1. 材料人在MRS 大會(huì)上做一次藝術(shù)家，以釋放內(nèi)心的情懷。這里顯示兩幅MRS 會(huì)議上“ Science as Art ” 獲獎(jiǎng)圖片 (左圖為2018 春季MRS 獲獎(jiǎng)作品、右圖為2017 秋季MRS 獲獎(jiǎng)作品)。https://www./science-as-art

當(dāng)然，材料人也有情懷的、也可以是藝術(shù)家和畫(huà)家。圖 1 所示為 2017 和 2018 年度MRS 大會(huì)“材料與藝術(shù)”主題展覽的兩張圖片，其美亦美哉，其奇亦奇耶。

鼓動(dòng)與口號(hào)就暫且喊到這里，筆者開(kāi)始來(lái)點(diǎn)實(shí)在的東西。

本文的主角是智能磁電材料，即一類包含了電學(xué)特性和磁學(xué)特性的智能材料 [1]。物理人早就無(wú)可奈何地認(rèn)識(shí)到，磁與電不是一家人，對(duì)稱性上兩大家族毫無(wú)淵源、所在行業(yè)也毫無(wú)相通之處。這在科普文章“電控磁性：遙遠(yuǎn)與眼前“中有所交代。因此，學(xué)者們運(yùn)用電控磁或磁控電來(lái)實(shí)現(xiàn)智能的、有目的的功能調(diào)控，純粹是利益驅(qū)動(dòng)，而核心利益關(guān)系則顯示于圖2 [1]。如果僅從電控磁的角度出發(fā)，電是基本的能量媒介，磁是信息存儲(chǔ)和信息處理的核心媒介，這是本性的差別，卻很門(mén)當(dāng)戶對(duì)。因此，磁與電聯(lián)姻，不過(guò)就是一段利益婚姻，當(dāng)可持久否？！事實(shí)上，智能磁電材料在微波器件中的應(yīng)用卻值得關(guān)注，它可降低該類器件裝備在衛(wèi)星、航天器、機(jī)載雷達(dá)及單兵通訊系統(tǒng)中的體積、重量和能耗，在無(wú)線通信、國(guó)防安全等領(lǐng)域具有意義。本號(hào)也曾多次推送磁電耦合方面的科普文章，如”多鐵性迷思(1)：山重水復(fù)疑無(wú)路”、“互易是理想、非互易是現(xiàn)實(shí)”等等。

圖2. 序參量(電極化強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度和應(yīng)變) 及其共軛場(chǎng)(電場(chǎng)、磁場(chǎng)和應(yīng)力) 之間的關(guān)系。圖片來(lái)自文獻(xiàn)[1]。

智能磁電材料分為單相和多相兩類。國(guó)內(nèi)的南京大學(xué)、中科院物理所、中科大等單位在單相磁電新材料制備與第一性計(jì)算等方面進(jìn)行過(guò)探索。單相體系目前尚存在若干尚未克服的問(wèn)題，離實(shí)際應(yīng)用尚需時(shí)日。與此不同，借助異質(zhì)結(jié)嫁接，構(gòu)建磁電復(fù)合材料以實(shí)現(xiàn)功能集成和添加，使其具有更高磁電耦合系數(shù)，則成為當(dāng)前復(fù)合磁電材料實(shí)用化的基礎(chǔ)。

限于篇幅，本文只涉及復(fù)合磁電材料這一亞類別。

的確，智能磁電復(fù)合材料本質(zhì)上更是磁與電的強(qiáng)行聯(lián)姻，以實(shí)現(xiàn)高效率能源與信息轉(zhuǎn)化，并最終制造低功耗、微型化、可調(diào)節(jié)與超快響應(yīng)的電子元器件。磁電材料應(yīng)用上，目前尚只有復(fù)合體系有若干動(dòng)人之處，引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注。當(dāng)前，微波電子元器件中高功耗、高熱量、噪聲大、響應(yīng)慢等問(wèn)題較為嚴(yán)重，而磁電復(fù)合材料部分解決這些問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)正在變得明顯。

歷史上看，智能磁電復(fù)合材料最初為1972 年在西門(mén)子工作的Suchtelen 所提出。他建議利用界面，將壓電材料與磁致伸縮材料復(fù)合。1994 年，南策文發(fā)展了非線性格林函數(shù)理論，求解兩組鐵性參量間的本構(gòu)方程，獲得靈感。這算是一個(gè)milestone 的工作，所以我們說(shuō)南策文文心妙哉。2000 年開(kāi)始，基于宏觀尺度磁電復(fù)合材料獲得了10 ~ 10³ V/Oe·cm 的磁電耦合系數(shù)，推動(dòng)磁電材料走入器件應(yīng)用的研發(fā)軌道。這方面，如今在北京大學(xué)神游的董蜀湘貢獻(xiàn)卓越，雖然很多人并不了解他。由于這些潛在應(yīng)用價(jià)值，美國(guó)、日本、韓國(guó)以及英國(guó)、德國(guó)、荷蘭、法國(guó)等歐洲國(guó)家地區(qū)都投入了經(jīng)費(fèi)和資源。我國(guó)自2001 年起在這一領(lǐng)域的工作逐步增加，目前已有幾十家機(jī)構(gòu)從事這方面的研究。特別是清華、北大、南大、西交大、物理所、中科大、蘭大等單位，都在基礎(chǔ)研究和原型器件開(kāi)發(fā)方面取得了一些成果。

只是，這些材料和原型器件的潛在應(yīng)用頻段主要集中于中低頻，高頻磁電應(yīng)用的工作相對(duì)要薄弱很多。這方面進(jìn)展，以美國(guó)東北大學(xué)孫年祥團(tuán)隊(duì)為代表。舉例而言，FeGaB / AlN 擁有良好微波特性，適用于高頻器件。孫年祥們?cè)邪l(fā)出比當(dāng)前小型天線要小100 倍的新一代磁電天線原型，有可能在便攜式無(wú)線通訊系統(tǒng)中發(fā)揮作用。當(dāng)然，到底能不能用也不是孫年祥們說(shuō)了算的。

這里存在一些概念上的創(chuàng)新思路：傳統(tǒng)天線需要精確設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)大小，以實(shí)現(xiàn)與特定波長(zhǎng)電磁信號(hào)產(chǎn)生共振。由此，天線尺寸與工作頻率直接相關(guān)，限制了天線微型化。例如，10GHz 頻段的天線，頻率已經(jīng)很高了吧？但是天線特征尺寸大約在幾個(gè)厘米。這么大的特征尺寸，如何能夠?qū)崿F(xiàn)高密度集成？

與此不同，使用磁電薄膜制備天線，利用的是特定電磁波頻率而非波長(zhǎng)來(lái)產(chǎn)生共振，從而大大縮小天線尺寸。通過(guò)幾何設(shè)計(jì)，還可控制薄膜共振頻率，實(shí)現(xiàn)從特高頻 (UHF) 到甚高頻(VHF) 的跨越。該技術(shù)在便攜式無(wú)線通訊系統(tǒng)中具有應(yīng)用潛力，包括可穿戴式電子設(shè)備、智能手機(jī)、可植入天線和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。過(guò)去一些年，孫年祥們，包括筆者在內(nèi)，所做的一些工作還得到《科學(xué)》、《自然》和《科技日?qǐng)?bào)》等媒體的報(bào)道。

好吧，接下來(lái)就看磁電材料人能不能真的向前走出幾步了！

先看問(wèn)題。上述傳統(tǒng)磁電復(fù)合材料的耦合靠界面應(yīng)力傳遞。應(yīng)變高頻和長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)，壽命自然是問(wèn)題，所以實(shí)際應(yīng)用存在先天不足。另外，基于鐵電壓電基片的磁電復(fù)合材料，需要很大調(diào)控電壓 (400 V ~ 600 V)，這給集成造成困難，此路不通。基于鐵電磁性薄膜的應(yīng)力調(diào)控，又受制于基底束縛。所以，需要一種新的思路來(lái)克服這些問(wèn)題。

一種方案就是借助不同的人工復(fù)合材料界面，看看復(fù)合界面上有沒(méi)有文章可做。事實(shí)上，多年來(lái)，材料人也算是殫精竭慮、機(jī)關(guān)算盡，的確換來(lái)了一些界面新效應(yīng)，可以為電場(chǎng)調(diào)控磁性所運(yùn)用，獲得強(qiáng)磁電耦合。這一思路有一些優(yōu)點(diǎn)，最近幾年進(jìn)展還算不錯(cuò)：

(1)  早在2006 年，段純剛們根據(jù)第一性原理計(jì)算預(yù)言：Fe / BaTiO₃ (BTO) 體系隨著B(niǎo)TO 極化強(qiáng)度變化，表面電荷積累會(huì)影響超薄 Fe 原子層中自旋大小和磁各向異性場(chǎng) [2]。這屬于非應(yīng)力調(diào)控的界面磁電耦合。在(La_1-xSr_x)MnO₃ (LSMO) /Pb(Zr,Ti)O₃ (PZT) 中也有類似效應(yīng) [3]。這是段純剛的成名作之一，雖然有快十年心存疑惑而無(wú)人過(guò)問(wèn)。原因很簡(jiǎn)單：您將單質(zhì)金屬 Fe 沉積到一個(gè)氧化物表面上，彼 Fe 還是此 Fe 嗎？段純剛當(dāng)時(shí)并不知道怎么回答，近幾年才有一些有錢(qián)人邀得鬼斧神工，說(shuō)：是的，彼 Fe 是此 Fe ！

(2)   利用電解質(zhì)等界面調(diào)控方式改變氧化物薄膜結(jié)構(gòu)與磁電性能。例如，施加一個(gè)小的電場(chǎng)，就可以在電解液 – 磁性層界面處形成高的電荷積累。相關(guān)實(shí)驗(yàn)說(shuō) Co / Pt、Co / Pd 等磁性層的垂直磁各向異性的確可以被一些電解液很好調(diào)控 [4]。不過(guò)，用電解液來(lái)調(diào)控，總覺(jué)得應(yīng)用上不那么靠譜，這一結(jié)果的意義最多也就是確認(rèn)段純剛們“界面電荷積累是關(guān)鍵”之謬論是有道理的。可見(jiàn)段純剛那時(shí)的想法的確很超前。

(3)   最近，有些工作，包括筆者的工作，說(shuō)界面處可控氧化還原反應(yīng)能實(shí)現(xiàn)電控磁性。這屬于“界面電荷轉(zhuǎn)移”的范疇，可以很物理，也可以比較化學(xué)。這一結(jié)果值得稍加詳細(xì)介紹[5]。

圖3.(a) GdO_x / Co 異質(zhì)結(jié)和實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(b) 初始 R_H~ H_z 曲線，樣品未經(jīng)任何處理(黑色曲線)、樣品在200 ^oC 下退火10 分鐘 (紅色曲線)。(c) R_H~ H_z 曲線，樣品在200 ^oC下退火 10 分鐘 (紅色曲線)、樣品在V_G =– 625 kV/cm 電場(chǎng)下保持 6 分鐘后測(cè)量結(jié)果(藍(lán)色曲線)、樣品在V_G =+ 625 kV/cm 電場(chǎng)及 200 ^oC下處理13 分鐘后測(cè)量結(jié)果(紫紅色曲線)。(d) 對(duì) R_H~H_y 關(guān)系的測(cè)量結(jié)果，步驟與(c) 類似。來(lái)自文獻(xiàn)[5]。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，考慮一 GdO_x/ Co 異質(zhì)結(jié)，結(jié)構(gòu)如圖 3(a) 所示 [5]。相關(guān)研究表明，Gd₂O₃是一種氧離子導(dǎo)體。也就是說(shuō)其中的 O 水性楊花、朝三暮四，稍加勾引即可投懷送抱。例如，施加負(fù)的電壓 (V_G <>^2- 會(huì)移動(dòng)至Co 薄膜中，改變 Co 的磁性能。事實(shí)上，最近實(shí)驗(yàn)顯示，對(duì) GdO_x 施加電場(chǎng)，的確可誘導(dǎo) Co 界面層部分氧化，導(dǎo)致Co 薄膜的磁化強(qiáng)度翻轉(zhuǎn)。其背后機(jī)制實(shí)際上是磁各向異性方向發(fā)生了變化，類似機(jī)制在“電控磁性：遙遠(yuǎn)與眼前“一文中也有討論。

如果對(duì)這一異質(zhì)結(jié)施加垂直外磁場(chǎng) H_z，可得到圖 3(b) 所示的反?；魻栯娮?nbsp;R_H ~ H_z回線(黑色曲線) 。顯然，矩形 R_H ~ H_z回線表明樣品具有較強(qiáng)垂直磁各向異性。經(jīng)過(guò)200 ^oC 處理，R_H ~H_z回線形狀未發(fā)生變化，顯示溫度穩(wěn)定性不錯(cuò)?，F(xiàn)在看電場(chǎng) V_G 的調(diào)控結(jié)果。

(1)  先對(duì)異質(zhì)結(jié)施加 V_G = – 625 kV/cm 電場(chǎng)，測(cè)得 R_H ~ H_z回線如圖 3(c) 中藍(lán)線，意味著反常霍爾效應(yīng)消失。

(2)  再對(duì)異質(zhì)結(jié)施加 V_G = + 625 kV/cm 電場(chǎng)，反?；魻栃?yīng)重新恢復(fù) (圖 3(c) 中的紫紅色回線)?？梢?jiàn)，電場(chǎng) V_G 可有效改變 Co 薄膜的磁各向異性，到此 Co 的磁矩翻轉(zhuǎn)。

(3)  沿 y 軸方向施加磁場(chǎng) H_y 也有類似效果，如圖 3(d) 的 R_H ~ H_y 曲線所示。當(dāng) V_G = – 625 kV/cm，R_H ~ H_y 曲線從紅線變?yōu)樗{(lán)線，反?；魻栃?yīng)消失。當(dāng) V_G = + 625 kV/cm時(shí)，又恢復(fù)為紫藍(lán)色曲線。雖然 R_H ~ H_y 曲線并不呈現(xiàn)回線，但調(diào)控效應(yīng)依然明顯。

小結(jié)一下：俺們材料人的確取得一些進(jìn)展?，F(xiàn)在我們明白，從能量與信息轉(zhuǎn)化效率角度而言，界面調(diào)控方式所需能量更低，調(diào)控效果也更好、更準(zhǔn)確、更適用于大規(guī)模集成電路。由于系統(tǒng)不存在明顯應(yīng)力變化，其器件機(jī)械和性能穩(wěn)定性與可靠性也較好。

當(dāng)然，問(wèn)題也不少！界面調(diào)控方法存在的問(wèn)題是：(1) 氧化物薄膜制備工藝要求高，與Si 工藝乃至柔性電子器件工藝兼容性低。(2) 不可否認(rèn)的是，針對(duì)氧化物 / 磁性金屬異質(zhì)結(jié)，各種物理化學(xué)效應(yīng)可能都存在，很難說(shuō)其中一種效應(yīng)獨(dú)立于其它之外。這給理解和控制設(shè)計(jì)帶來(lái)不確定性。(3) 牽涉到界面離子物理化學(xué)過(guò)程，如電解質(zhì)、界面氧化、離子遷移等動(dòng)力學(xué)過(guò)程都不大可能很快，估摸著很難對(duì)高頻調(diào)控有很大吸引力。

這些問(wèn)題的出現(xiàn)，暗示界面調(diào)控還需要有更多物理元素介入，方能向?qū)嶋H應(yīng)用走得更遠(yuǎn)。怎么辦呢？最近又有一些新的生長(zhǎng)點(diǎn)。筆者所熟悉的，至少有兩種元素正在進(jìn)入到磁電耦合復(fù)合材料中。這些生長(zhǎng)點(diǎn)都很有創(chuàng)意、有些效應(yīng)免不了令人擊掌。只是，它們的高頻磁電響應(yīng)或者電控磁性能，似乎依舊不明不白。這些問(wèn)題，在我們的工作中都得到一些關(guān)注。

只是，人不能至情至性、事不能求全責(zé)備。先走一步，看花開(kāi)花落是否花滿天。好，花開(kāi)兩朵、各表一枝！

第一枝：借助離子液體作為界面調(diào)控手段，實(shí)現(xiàn)磁電調(diào)控，特別是電控磁性。這一思路看起來(lái)源于上一節(jié)界面電荷聚集的物理，無(wú)非是借助帶電離子易于運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)在磁電復(fù)合界面處形成大的電荷積累。果若如此，當(dāng)無(wú)多大創(chuàng)新。殊不知，離子液體一登場(chǎng)，就搞出了很多意料不到的事情，讓人羨慕嫉妒恨都上來(lái)哉。于是，各路君子都紛紛亮相，均在臉上涂上一層“離子液體”，其顏專美，其效良多！

所謂室溫離子液體，簡(jiǎn)稱離子液體，又稱室溫熔鹽，具有飽和蒸氣壓極低、液程寬、溶解性好等特點(diǎn)。與固體不同，離子液體有豐富的化學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)實(shí)際上早就在電子元器件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中得到應(yīng)用。材料人在百無(wú)聊賴中“忽然”得到靈感：如果將離子液體本身或其與導(dǎo)電聚合物共溶所制備成的薄膠層作為介電層，借助外加電場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)功能薄膜界面多元序參量的動(dòng)態(tài)調(diào)控。最近幾年，這一思路應(yīng)用到諸如 p – n 結(jié)、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變、金屬絕緣體相變、居里溫度、各向異性磁阻、自旋轉(zhuǎn)移力矩等領(lǐng)域中。典型例子如La_0.5Sr_0.5CoO_3?δ，其中電極化的離子液體可調(diào)控磁阻。La_0.6Sr_0.4MnO₃ 中，鐵磁 -反鐵磁以及金屬 - 絕緣體相變也可借助離子液體控制。Fe₃O₄ 中，離子液體可以調(diào)控磁各向異性。

基于離子液體的磁電耦合體系，我國(guó)的研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)進(jìn)展良好，諸如電場(chǎng)誘導(dǎo)磁性相變、各向異性磁阻調(diào)控、鐵磁絕緣體相變、磁電耦合器件開(kāi)發(fā)、自旋電子學(xué)調(diào)控等工作都有報(bào)道。將離子液體應(yīng)用于磁電耦合領(lǐng)域，的確為探索磁電耦合材料、開(kāi)發(fā)磁電耦合器件提供了新思路，亦值得筆者在此稍微啰嗦一些。

離子液體調(diào)控的物理化學(xué)路數(shù)并不復(fù)雜，不是那種驚天動(dòng)地的新發(fā)現(xiàn)，教科書(shū)中都有章節(jié)描述。依據(jù)機(jī)理不同，研究可分兩類：(1) 靜電摻雜調(diào)控；(2) 電化學(xué)反應(yīng)調(diào)控。當(dāng)外加電場(chǎng)超過(guò)離子液體閾值 (電化學(xué)窗口)，本身會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)反應(yīng)活性不同，作為電極的磁性薄膜會(huì)參與到電化學(xué)反應(yīng)中。該反應(yīng)反過(guò)來(lái)會(huì)從空間尺度及化學(xué)組分等方面對(duì)磁性薄膜進(jìn)行功能改性，雖然這種改性往往是不可逆的、可能也是緩慢的。

作為一個(gè)實(shí)例，離子液體調(diào)控的基本物理過(guò)程之一類如圖 4(a) (b) 所示。電壓驅(qū)動(dòng)液體中離子積聚在磁性超薄膜表面，與薄膜表層的感生電荷形成雙電層結(jié)構(gòu)。雙電層界面處有極高電荷濃度 (10¹⁵ cm^-2)，會(huì)對(duì)功能超薄膜表層的電子云密度、能帶結(jié)構(gòu)、自旋軌道耦合產(chǎn)生深刻影響。與此同時(shí)，較低的調(diào)制電壓 (< 2="">

清華大學(xué)物理系的于浦們?cè)?jīng)在《Nature》上發(fā)表過(guò)一篇《選擇性雙離子開(kāi)關(guān)電場(chǎng)控制的三態(tài)相變》的工作 [6]。他們?cè)趩我徊牧现袑?shí)現(xiàn)了雙離子電場(chǎng)可控結(jié)構(gòu)相變 (如圖 4 所示)，并揭示了基于三態(tài)相變過(guò)程中光、電和磁學(xué)特性調(diào)控的原型器件應(yīng)用。當(dāng)施加負(fù)電壓時(shí)，離子液體中形成的內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng) O^2- 進(jìn)入薄膜中，發(fā)生SrCoO_2.5 到SrCoO₃ 相變。當(dāng)施加正電壓時(shí)，離子液體中的內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng) H⁺ 進(jìn)入薄膜中，發(fā)生SrCoO_2.5 到 HSrCoO_2.5相變。此外，這三個(gè)相還擁有完全不同的電學(xué)和磁學(xué)基態(tài)，即顯示鐵磁金屬性的 SrCoO_3-δ、反鐵磁絕緣性的 SrCoO_2.5、及弱鐵磁絕緣性的 HSrCoO_2.5。理論上，可以預(yù)期，通過(guò)電場(chǎng)控制這些相之間的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)多磁態(tài)之間的電場(chǎng)調(diào)控。實(shí)驗(yàn)上，O 的水性楊花給了材料人很多機(jī)會(huì)，從而可以創(chuàng)造 Nature。

如果沒(méi)有SrCoO_x 系列豐富的物相、沒(méi)有這些物相之間情同手足到穿一條褲子，于浦們大概也沒(méi)有這么幸運(yùn)。問(wèn)題是，于浦們竟然遇到了天下之大而如此難得的一個(gè)體系，令人擊掌！當(dāng)然，這種幸運(yùn)不會(huì)是因?yàn)橛谄珠L(zhǎng)得夠帥、夠高大所致，而是于浦們?nèi)找共煌５貒L試、失敗、再嘗試、再失敗后的結(jié)果。如果我們說(shuō)這是科學(xué)的上帝所賜，大概也不為過(guò)。

圖4. 電場(chǎng)控制 SrCoO_2.5、SrCoO_3?δ 和HSrCoO_2.5 三態(tài)相之間的轉(zhuǎn)變 [6]。離子液體可將O^2- (a) 或 H⁺ (b) 注入進(jìn)薄膜中。當(dāng)施加負(fù)電壓時(shí) (a)，離子液體中形成的內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)O^2- 進(jìn)入薄膜中。當(dāng)施加正電壓時(shí) (b)，離子液體中形成的內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng) H⁺ 進(jìn)入薄膜中。(c) 電場(chǎng)調(diào)控SrCoO_2.5 的可逆相轉(zhuǎn)變。其中晶體結(jié)構(gòu)由第一性原理計(jì)算獲得，紅色和藍(lán)色箭頭分別代表負(fù)電壓和正電壓。(d) SrCoO_2.5、SrCoO_3?δ 和HSrCoO_2.5 的XRD 圖譜。綠色陰影區(qū)域 (45°) 的衍射峰明顯地顯示出三種物質(zhì)的不同。(e) LAST(002) 衍射峰的原位 XRD圖譜，結(jié)果表明電場(chǎng)控制SrCoO_2.5 的可逆過(guò)程。

除此以外，最近還報(bào)道了一些典型實(shí)例，如：(1) 在 (Ti, Co)O₂ 、SiRuO₃ 、La_0.5Sr_0.5CoO_3?δ 等體系中，實(shí)現(xiàn)了電極化離子液體對(duì)磁阻的調(diào)控。(2) 在 (La, Sr)MnO₃[7] 、MgO/CoFeB 、Co等體系中，實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)對(duì)磁各向異性的調(diào)控。當(dāng)然，筆者也愿意與看君分享自己的一些工作，如圖 5 所示。這些工作包括：

(1)   在 [Co / Pt ]_x 垂直磁各向異性交換耦合體系中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)矯頑場(chǎng)的調(diào)制 (圖 5a-b) [8]。當(dāng)偏置電壓為零時(shí)，樣品表現(xiàn)出典型的垂直磁各向異性，隨偏置電壓增加磁易軸逐漸向面內(nèi)方向移動(dòng)。結(jié)果表明，離子液體可使樣品發(fā)生明顯的自旋重構(gòu)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

(2)   在 RKKY 人工反鐵磁體系中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交換耦合的調(diào)控 (圖 5c-d) [9]。當(dāng)外加電壓為零時(shí)，樣品具有雙磁滯回線 (反鐵磁狀態(tài))。外加電壓增至 2V 時(shí)，樣品磁疇發(fā)生轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)出三磁滯回線的狀態(tài)。

(3)   在 Pt/ YIG 金屬氧化物異質(zhì)結(jié)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)微波特性的調(diào)控，并制備了新型的微波器件原型 (圖 5e) [10]。與傳統(tǒng)器件相比，基于離子液體調(diào)控的微波器件具有能耗低及尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。在 – 110 ^oC下，電壓變化 4.5 V ，可引起鐵磁共振場(chǎng) 690 Oe 的變化 (圖 5f)。

這些結(jié)果表明離子液體調(diào)控在電控存儲(chǔ)器和電控微波器件中均有一定應(yīng)用前景。所謂四兩 (小電壓) 撥千斤 (可調(diào)體系廣泛、磁性變化大、磁電耦合系數(shù)高)，豈不快哉！依筆者之見(jiàn)，從進(jìn)一步應(yīng)用角度看，靜電摻雜調(diào)控具有磁電耦合效應(yīng)強(qiáng)、調(diào)控過(guò)程穩(wěn)定、調(diào)控效應(yīng)可逆等優(yōu)點(diǎn)，推廣前景應(yīng)該更好。

圖5.(a) 原位 ESR 曲線測(cè)量示意圖，藍(lán)色箭頭為外磁場(chǎng)方向，黃色閉合曲線和黑色閉合曲線分別代表電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)分量和電場(chǎng)分量。(b) 離子液體調(diào)控 [Co/Pt]_x 的面外磁滯回線。(c) 離子液體調(diào)控 FM / Ru / FM 人工反鐵磁示意圖。(d) FM / Ru / FM 人工反鐵磁的雙磁滯回線和三磁滯回線。(e) 基于 YIG / Pt / IL的新型微波器件原理圖。(f) 離子液體調(diào)控 YIG 鐵磁共振示意。

第二枝，是柔性電子材料或柔性智能材料。

其實(shí)，世上之事，無(wú)奇不有。世上之人，無(wú)夢(mèng)不香。柔性電子學(xué)現(xiàn)在也是大行其道，好像什么材料要是不“柔”一下就沒(méi)有時(shí)尚感，就像現(xiàn)在年青一代所喜歡的“娘”態(tài)一般。這是筆者的感覺(jué)。

作為 21 世紀(jì)最為熱門(mén)的新型材料之一，柔性電子 (Flexible Electronics) 材料以其據(jù)說(shuō)是廣泛的應(yīng)用和靈活性引起關(guān)注，據(jù)說(shuō)也是未來(lái)微電子產(chǎn)業(yè)的重要方向。所謂柔性電子材料和器件，主要是將有機(jī) / 無(wú)機(jī)電子器件制作在柔性 / 可延性塑料或薄金屬基板上，形成集成器件。它們具有延展性、適應(yīng)曲面環(huán)境、制造低成本而高效。由此，很多人就“想象”出柔性電子材料在國(guó)防、能源、信息、醫(yī)療等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。2000 年，美國(guó)《Science》雜志將柔性電子技術(shù)進(jìn)展列為當(dāng)年世界十大科技成果之一，與生物克隆技術(shù)、人類基因組技術(shù)等科學(xué)進(jìn)展并列。

此外，有一些大膽設(shè)想和不犯法的預(yù)言說(shuō)：生物世界與電子器件的無(wú)縫連接是未來(lái)生物學(xué)和電子學(xué)發(fā)展交匯的必然趨勢(shì)。生物和電子的深度融合將拓展人類身體的能力極限。例如，“特斯拉”總裁埃隆 · 馬斯克倡導(dǎo)腦機(jī)接口項(xiàng)目，以圖實(shí)現(xiàn)人腦思維直接控制機(jī)器、接入網(wǎng)絡(luò)信息世界?；谌嵝噪娮硬牧系纳锶诤掀骷⑼苿?dòng)生物學(xué)和電子學(xué)發(fā)展。從能量與信息交匯的角度看，如果將人體引入這個(gè)融合體系，那么生物 - 信息 - 能量的無(wú)縫結(jié)合，可謂真正實(shí)現(xiàn)了華夏老祖宗觀念中最高境界：天人合一。

好，聲勢(shì)已經(jīng)形成、輿論已經(jīng)就緒。在此大勢(shì)之下，自旋電子學(xué)和磁電材料器件自然不甘寂寞。原因之一是這些群體都是人精，不僅會(huì)做夢(mèng)，還會(huì)解夢(mèng)，并使出渾身解數(shù)去實(shí)現(xiàn)夢(mèng)。事實(shí)上，柔性電子學(xué)沒(méi)有自旋電子學(xué)、沒(méi)有磁電耦合，那也名不副實(shí)。

下面我們來(lái)看看這其中的現(xiàn)狀、困難和未來(lái)。

首先，這些想象當(dāng)然不是徒勞無(wú)功的，事實(shí)上一些正在變成現(xiàn)實(shí)。具體產(chǎn)品包括柔性有機(jī)發(fā)光二極管 OLED、柔性電子顯示器、柔性印刷 RFID、柔性薄膜太陽(yáng)能電池板、電子表面粘貼(Skin Patches) 等。其次，柔性自旋電子材料與器件是柔性電子學(xué)的分支。柔性自旋電子材料是指具有柔性特征的磁性材料，如制備在各種柔性基底上的磁性薄膜及異質(zhì)結(jié)。因此，柔性自旋電子學(xué)實(shí)際上為柔性磁電耦合材料及器件的發(fā)展提供了很好的基礎(chǔ)和架構(gòu)。

這些年來(lái)，柔性自旋電子學(xué)的確取得了一些進(jìn)展。為本文描述作鋪墊，筆者舉兩個(gè)例子：

(1) 在柔性基底上制備了磁性薄膜，研究了薄膜磁學(xué)性質(zhì)隨柔性基底形變而變化。2013 年，R. P. Cowburn 在 Advanced Functional Materials 上發(fā)表了柔性基底生長(zhǎng)基于 RKKY 相互作用的人工反鐵磁異質(zhì)結(jié)。結(jié)果顯示，磁性與生長(zhǎng)在 Si 基底上的人工反鐵磁結(jié)構(gòu)相差不大，可滿足柔性自旋電子學(xué)基本需要。該結(jié)構(gòu)隨基底和環(huán)境形變而產(chǎn)生應(yīng)力，具有良好力學(xué)穩(wěn)定性。

(2) 開(kāi)發(fā)了基于柔性磁性薄膜/異質(zhì)結(jié)的柔性自旋電子元器件，在柔性襯底上制備的各向異性磁阻 (Anisotropic Magnetic Resistance) 傳感器具有2-3% 的磁阻率，可探測(cè) 150 nT 的微弱磁場(chǎng) (相當(dāng)于地磁場(chǎng)的1/400)，具有高靈敏度、柔韌性和穩(wěn)定性，滿足柔性磁傳感器的基本需要。

與傳統(tǒng)自旋電子學(xué)相比，柔性器件具有靈活性，可作為醫(yī)療健康設(shè)備穿戴于人體或生物體上。為實(shí)現(xiàn)更高功能的柔性自旋電子材料和器件，比如柔性磁傳感器、柔性信號(hào)處理器、柔性天線、柔性磁存儲(chǔ)器等，我們不但希望某些性質(zhì)對(duì)柔性環(huán)境不敏感，也需要某些性質(zhì)對(duì)柔性環(huán)境很敏感。前者如舉重若輕，后者則如舉輕若重。

縱觀柔性電子學(xué)這些年取得的一些進(jìn)展，筆者與其啰啰嗦嗦展示這些進(jìn)展，還不如提出幾個(gè)可能的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)更受讀者歡迎。

(1)  工作原理。傳統(tǒng)自旋電子學(xué)器件的很多技術(shù)原理并不能用于柔性器件中。例如，在曲面的柔性基底上，器件形狀隨環(huán)境不斷變化，傳感或者讀寫(xiě)機(jī)構(gòu)也需要作出相應(yīng)變化，這就很難。磁硬盤(pán)中，那個(gè)需要超高空間辨識(shí)精度 (nm) 的讀寫(xiě)臂，如何能夠隨心起舞、千手觀音呢？！因此，柔性自旋電子器件需要新的機(jī)制，例如運(yùn)用自旋轉(zhuǎn)移矩 (STT) 和自旋軌道矩(SOT) 調(diào)控柔性磁性薄膜的信息讀寫(xiě)和控制等。STT 和 SOT 等不但對(duì)應(yīng)變敏感，而且需要較大驅(qū)動(dòng)電流，會(huì)引起高能耗和散熱等問(wèn)題。眾所周知，這些問(wèn)題在傳統(tǒng)自旋電子學(xué)中還沒(méi)搞定呢，更別說(shuō)柔性自旋電子學(xué)了。此時(shí)，磁電耦合調(diào)控也許更合適柔性自旋電子學(xué)，耶、耶，耶！

(2)   新的界面調(diào)控介質(zhì)。如何在柔性襯底上調(diào)控各種磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁學(xué)性質(zhì)？前文已經(jīng)洋洋灑灑兜售了磁電復(fù)合體系電控磁性的界面電荷聚集機(jī)制，用離子液體是個(gè)好手段。但是，從器件應(yīng)用角度，離子液體作為一種可流動(dòng)液體，在集成電子器件和柔性電子器件應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生諸如泄露、腐蝕、不便于保存等工程問(wèn)題。在剛性器件中通過(guò)封裝和后續(xù)措施也許可以彌補(bǔ)一二，但柔性環(huán)境中，您能想象離子液體該是多么令人厭惡？！所以，要換掉離子液體吧？

(3)   速度與效率問(wèn)題。這一問(wèn)題不僅在柔性體系，在傳統(tǒng)體系亦是如此。無(wú)論是界面電荷聚集、界面帶電離子物理化學(xué)、柔性界面耦合等新物理，還是電解質(zhì)、離子液體、離子膠體等新材料，如何實(shí)現(xiàn)超高速電控磁性動(dòng)力學(xué)大概還是目前很少觸及的問(wèn)題。目前絕大多數(shù)工作，毫無(wú)疑問(wèn)都是準(zhǔn)靜態(tài)的，少數(shù)工作展示的特征時(shí)間也是在秒的量級(jí)。這是我們的研究尚未來(lái)臨、卻很致命的挑戰(zhàn)。

一言以蔽之，材料人舉輕若重或舉重若輕的核心問(wèn)題是低電壓、低能耗、響應(yīng)快以及穩(wěn)定可靠的問(wèn)題。由此，柔性磁電耦合材料及器件的需求就一目了然。或者說(shuō)，傳統(tǒng)自旋電子學(xué)存在的問(wèn)題，在柔性自旋電子學(xué)中更嚴(yán)重，并且有更多問(wèn)題出現(xiàn)。此乃柔性磁電耦合材料與器件的宿命，解決之方有生存之機(jī)！

針對(duì)這些困難，包括筆者在內(nèi)的同行，可謂夜不能寐、日不食香。筆者曾經(jīng)針對(duì)離子液體的困難，將離子液體與其它功能性有機(jī)聚合物(Functional Polymer) 相結(jié)合，形成同時(shí)具有離子液體對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)性和有機(jī)聚合物特性的離子膠體。這應(yīng)該是一個(gè)妥協(xié)方案：既具有良好的柔性、延展性和靈活性，又可提高可調(diào)微電子 / 自旋電子器件的可靠性、降低調(diào)控介質(zhì)對(duì)于器件的腐蝕性 [11]。我們?cè)谌嵝砸r底上初步實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用離子膠體對(duì)Co / Pt 垂直磁各向異性[10] 與 RKKY 人工反鐵磁的調(diào)控 [11]。離子膠可以改變磁性薄膜費(fèi)米能級(jí)處的電子密度，從而有效改變其磁性能。詳細(xì)描述可見(jiàn)參考文獻(xiàn) [10, 11]，亦顯示于圖 6。與離子液體相比，離子膠體的確不容易泄露、更容易集成在柔性器件中。

圖6.(a) RKKY 磁性薄膜生長(zhǎng)在 Kapton (I)、Mica (II)、離子膠體 (III) 上。(b) 和 (c) 不同厚度 Ru 樣品的磁滯回線 [11]。隨著 Ru 厚度增加，樣品磁性從鐵磁轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁，繼而再轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁 (當(dāng) Ru 厚度為 0.4 ~ 1.05 nm 時(shí)，樣品表現(xiàn)為反鐵磁性)。

筆者從物理、材料、器件應(yīng)用等幾個(gè)層面闡述了管所之見(jiàn)，此乃拋磚引玉。其實(shí)，如本文章所言，本來(lái)天然磁和電很難有什么瓜葛，但是為了巨大的利益 (減小能耗、自旋電子元器件的小型化、柔性等)，磁電兩種特性在新型磁電材料的“做媒”下，結(jié)成了政治婚姻。

為了維持這段婚姻，有很多人從中或撮合、或作梗，有很多故事與是非。筆者也是其中積極撮合之一員。筆者參與的磁電復(fù)合材料及原型器件研究工作，看君如果有意，亦可參閱文獻(xiàn)[12-20]。其中，稍有意思的一篇工作 [11]，看君可點(diǎn)擊文尾的“閱讀原文”而一窺端倪。

只是，筆者要說(shuō)：僅僅基于應(yīng)用前景的利益婚姻是暫時(shí)的。如果在此期間，培養(yǎng)了科學(xué)方面的感情，那么這段磁電婚姻將更為美滿。這需要后續(xù)學(xué)人對(duì)界面磁電復(fù)合的機(jī)制展開(kāi)更深入的研究，開(kāi)發(fā)更多更有效的新型調(diào)控手段。

客觀地說(shuō)，科學(xué)和應(yīng)用這兩方面的腳步，才剛剛開(kāi)始，前方之路顯然還很漫長(zhǎng)。

備注：

(1) 封面圖片來(lái)自：

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

圖片說(shuō)明：An extra plane of iron atoms was inserted every ten repeats, substantially changing the magnetic properties. The jagged appearance of the lutetium atomsis due to atomic rumpling. Credit: Emily Ryan and Megan Holtz; Cornell University

(2) 題頭小詩(shī)乃Ising所加。文中那些調(diào)侃挪喻之處，均由Ising所加工，與作者劉明無(wú)關(guān)。