基于PVDF的电控磁性研究进展

王瑞琦刘向阳

（1.西安航空学院，陕西 西安 710077；2.西安通信学院，陕西 西安 710106）

基于PVDF的电控磁性研究进展

王瑞琦1刘向阳2

（1.西安航空学院，陕西 西安 710077；2.西安通信学院，陕西 西安 710106）

当代信息化存储要求高垂直各向异性的存储材料，电场控制体系的磁晶各向异性能作为一种新型的磁写入方式而得到广泛研究。基于PVDF的磁电效应有很多研究，包括利用铁电极化改变铁磁层的磁矩、磁化易轴和磁结构，以及利用铁磁层或磁场来改变铁电体特性。本文综述基于有机铁电体PVDF的电控磁性。关键词：PVDF；磁存储；电控磁性；磁晶各向异性能

信息的高密度存储和安全便捷处理是信息社会的基础。磁存储要求能调控磁性材料的磁化强度，这样才能方便实现读写。近几年，电控磁性的磁写入方式发展迅速，有不少研究都报道了该方面的成果。研究证实，利用铁磁/铁电界面磁电效应，可以实现磁性薄膜的物性调控，能调控包括磁化强度、磁有序、MAE和交换偏置等在内的多种磁学性质。

有机铁电体聚偏氟乙烯（Polyvinylidene fluoride，PVDF）具有绿色无毒、质量轻、耐化学腐蚀、柔性和加工性能好等性质，被用在基于多铁异质结的电控磁性研究中。在PVDF与铁磁体组成的异质结中，通过铁电/铁磁界面磁电效应实现电控磁性。

1 有机铁电体PVDF

PVDF的分子式为-（CH2-CF2）n-，β相是PVDF的铁电相，晶格常数如下：a=8.58Å，b=4.91Å，c=2.56Å。图1为 β相PVDF的球棍模型，碳链沿c轴方向，箭头代表电极化强度P。因为在每个CH2-CF2分子中，极化强度由氟原子指向氢原子，而所有电极距同向，因此高聚物分子显示出整体的极性。

图1 PVDF的分子结构

Bune在1998年使用朗格缪尔膜制备了含聚偏氟乙烯70%和聚三氟乙烯30%的铁电聚合物［1］，在滞回曲线中可以看到，当薄膜厚度减到只有2层时，该薄膜仍保存着铁电滞回特性，由此说明聚偏氟乙烯（聚三氟乙烯）是一种高度有序的二维有机铁电体，且沉积在铁磁金属表面时成键很弱，主要作用为物理吸附。

2 PVDF 对磁性的调控

诸多基于有机铁电体的电控磁性研究都使用PVDF作为铁电体，一般构造PVDF/铁磁体异质结，运用界面磁电效应实现铁电体对磁性的调控。

实验上，A.Mardana制备了如图2所示楔形结构［2］。首先，把P（VDF-TrFE，70%PVDF和30%PTrFE）沉积在Co金属上面，再于上面加铝电极。如图3所示，PVDF极化向上时，单轴各向异性常数Keff为正，而PVDF极化向下时，Keff为负。这里正负代表磁化易轴垂直于面和在面内。

图2 样品侧视图

图3 有效单轴各向异性常数Keff对Co厚度的函数

理论上如图4所示，Lopez-Encarnacion研究了PVDF多铁隧道结Co/PVDF/[Fe]/Co(0001)［3］，右边添加单层铁打破对称性。Lopez-Encarnacion计算两电极平行磁化时多数自旋和少数自旋的电导、反向磁化时的总电导、隧道磁阻和隧道电阻。结果证实，Co/PVDF/Co隧道结存在一个少数自旋统治的电导，该研究表明铁电极化可以控制电子和自旋输运。

笔者及其他研究者通过第一性原理计算，构造了PVDF/Fe/Cu/Ag异质结［4］，如图5所示。发现PVDF的铁电极矩可以灵活地调控异质结的磁晶各向异性能（MAE）。特别是通过铁电极化反转可以使铁磁金属Fe层的磁化易轴实现从面内到面外的90°翻转。PVDF极化的上下，分别对应体系MAE的负正。这意味可以将磁化易轴从平行界面的方向翻转到垂直于界面，两个方向分别代表存储中的“1”和“0”，因而实现了铁电控制的磁性存储。PVDF类似“有机塑料”，将使未来铁电控制的磁存储器轻便可折，穿戴于人类身上。

图4 Co/PVDF/[Fe]/Co(0001)多铁隧道结（PVDF极化方向向左）

图5 PVDF/Fe/Cu/Ag异质结的结构

3 结语

当代信息化存储要求高垂直各向异性的存储材料，电场控制体系的磁晶各向异性能作为一种新型的磁写入方式而得到广泛研究。本文综述了基于有机铁电体PVDF的电控磁性。近年来，理论和实验研究指出，通过巧妙地设计界面结构，可有效调控材料的磁化强度、磁有序、MAE和交换偏置等多种磁学性质。

［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，硕士，助教，研究方向：信息功能材料。