一、研究背景
在现代信息技术对超低功耗、高集成度电子器件的迫切需求下，磁电耦合材料因其独特的物理内涵和广泛的应用前景，成为凝聚态物理与材料科学交叉领域的热点。磁电耦合效应允许利用电场操控磁态或借助磁场调控电极化，为下一代电子器件提供了变革性的物理基础。尤其是在CMOS兼容的铁电氧化物体系中实现磁电耦合，有望将这一功能直接融入主流半导体工艺，推动超紧凑、低功耗磁电器件的发展。
近年来，铪基铁电薄膜（如Hf1-xZrxO2，HZO）因其优异的纳米尺度铁电性及与CMOS工艺的高度兼容性，成为后摩尔时代电子器件的明星材料。然而，在单一HZO材料体系中同时实现室温铁电性与铁磁性，并进一步产生磁电耦合效应，尚属该领域内的研究空白。
二、研究内容与亮点
针对上述问题，betway西汉姆联官网宁帅/罗锋团队与国内外合作者提出并实现了在过渡金属（Co/Fe）掺杂HZO薄膜中构建单体系室温多铁性与磁电耦合的创新策略。
研究团队采用脉冲激光沉积技术，通过精确调控薄膜沉积工艺，在原子尺度上实现了磁性离子的均匀掺杂，成功制备出化学均一的固溶体薄膜。X射线衍射与球差矫正透射电镜分析证实，Co/Fe离子原子级均匀分散于HZO萤石晶格中，无任何磁性第二相析出（如图1所示）。
图1. 高质量Co/Fe掺杂HZO外延薄膜的结构表征。
在此基础上，研究团队系统表征了该体系的电学和磁学性能。测试结果显示，所得Co/Fe共掺杂HZO薄膜在室温下同时具备铁电性和铁磁性（图2），后者可稳定保持至500°C。同时，磁场下的压电力显微分析显示该体系可展现出高达10⁵ mV·cm⁻¹·Oe⁻¹数量级的横向磁电耦合系数（α₃₁），这一性质还得到了宏观电学测量（PUND）的进一步验证，显著优于此类单一材料体系中已报道的性能水平。
图2. Co/Fe掺杂HZO薄膜的铁电性和磁性表征。
图3. Co/Fe掺杂HZO薄膜磁电耦合效应表征。
尤为重要的是，研究团队发现该体系的磁电耦合呈现显著的各向异性（如图3所示）：沿面内施加磁场时，剩余极化显著增强（α₃₁为正）；沿面外施加磁场时，剩余极化轻微减小（α₃₃为负）。通过系统对比实验分析，团队认为该现象可能的微观物理机制是源于正的磁致伸缩效应与负的纵向压电效应之间的协同作用。正磁致伸缩在面内磁场下引发面内拉伸应变，泊松效应将其转换为面外压缩应变，进而通过HZO的负压电性导致面外极化的增强。
此外，通过对比纯Co、纯Fe及共掺杂样品的磁电响应，研究团队进一步确认Co³⁺离子是该磁电耦合效应的主导驱动力。这一发现为后续铪基多铁材料的设计提供了重要的线索。
三、研究意义与展望
这项研究工作首次在单一材料、CMOS兼容的铪基铁电薄膜中实现了室温强磁电耦合，成功回避了传统复合材料依赖人工界面介导的路径，为多功能电子器件的异质集成提供了全新的材料平台。该成果不仅对理解过渡金属掺杂氧化物中的磁电耦合机理具有重要理论启示，也为开发面向后摩尔时代的超低功耗磁电存储器、神经形态计算及高灵敏传感器等新型器件奠定了坚实的实验基础。
相关研究成果发表在Nano Letters上，论文主要合作者包括betway西汉姆联官网电光学院洪培真、中科院微电子所张保和华南师范大学田国和美国麻省理工学院Caroline Ross等。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、重点研发计划、中科协青年人才托举工程、南开大学青年学科带头人计划及betway西汉姆联官网青年交叉研究项目的支持。
文章信息
期刊：Nano Letters
题目：Single-Material Magnetoelectric Coupling in Transition Metal-Doped Hafnia-Based Ferroelectric Thin Films
作者：Yue Guan, Xiaowei Wang, Eunsoo cho, Houlin zhou, Guo Tian, Fengbo Yan, Miao Meng, Jingwen Hou, Bao Zhang, Peizhen Hong, Xiaolei Sun*, Caroline A. Ross, Shuai Ning*, and Feng Luo*
发表日期：27 May 2026
原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c01119
