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異質婚姻
君欲說磁電 千年未有緣
本言無對稱 界面許婚姻
南院文心妙 純剛夢囈懸
後生約夏夜 對月韻新歡
備註：南院—南策文；純剛—段純剛
1.引子
首先說明一點：西安交通大學做功能材料研究的有兩位劉明，都很帥！筆者是大劉明。
很多人認為，人類社會的發展總結起來就兩條主線：第一是對能源的駕馭。因為火的使用，人區別於其它動物，於是人類開始征服整個世界，雖然更多是征服同類。近代人類對蒸汽動力的使用開啟了工業時代，隨後又漸漸馴服核能這個潘多拉魔鬼。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星際拓展的無限可能。第二是對信息的駕馭。這一主線體現了文明的更多內涵。有比喻雲：能源是文明的肌肉，信息是文明的神經。此類比喻讓人產生很多基於醫學生物學的聯想。亦有打油詩曰：文字書籍烽火臺，無線互聯計算機。古老文明的生生不息仰賴文字書籍的代代相傳，而無線電與計算機問世則提高了人類信息傳播和處理的效率。半導體產業發展，讓人類信息學進入了奧林匹克式的競爭，不斷追求更小、更快、更節能、更多功能。在這場永無止境、永不停歇的競賽中，除了我們自己變得更加精疲力竭之外，也浮現出一個核心問題：如何用最少的能量處理最大量的信息？！
關於這一問題，不同領域的學者有不同說法，大概都想將功勞與貢獻多一些攬到自己身上。比如，材料學者說：左手一個桶能源，右手一個桶信息，那材料學就是挑起兩只桶的一根扁擔。牛叉！這一比喻形象但不是那麼生動，並沒有將扁擔與桶的關系表達到位。不過，有一點很像：科學技術的上遊是數理化，下遊是工程技術。材料科學這支扁擔將能源和信息送到千家萬戶，卻不知千家萬戶喜歡的只是桶裏的東西。他們將扁擔往門背後一扔，就沒扁擔什麼事了。這一點，材料學者感同身受、不勝委屈。
扁擔角色當久了，材料人就只剩下一貫的清高。我們願意振振有詞：材料學自身發展邏輯體現了人類社會的發展水平以及科技的高度。它經歷了天然材料、合成高分子材料、人工設計材料和智能材料四個發展階段。其中，智能材料 (Intelligent Materials) 是材料科學最前沿領域之一。它是一大類能感知外部刺激、能判斷並適當處理且本身可執行的新型功能材料。智能材料也是現代高技術新材料發展的方向之一，據說將支撐未來高技術的發展，並使傳統意義下功能材料和結構材料之間的界線逐漸消失，從而實現結構功能化、功能多樣化。
圖1. 材料人在MRS 大會上做一次藝術家，以釋放內心的情懷。這裏顯示兩幅MRS 會議上“ Science as Art ” 獲獎圖片 (左圖為2018 春季MRS 獲獎作品、右圖為2017 秋季MRS 獲獎作品)。https://www.mrs.org/science-as-art
當然，材料人也有情懷的、也可以是藝術家和畫家。圖 1 所示為 2017 和 2018 年度MRS 大會“材料與藝術”主題展覽的兩張圖片，其美亦美哉，其奇亦奇耶。
鼓動與口號就暫且喊到這裏，筆者開始來點實在的東西。
2. 磁與電：利益婚姻
本文的主角是智能磁電材料，即一類包含了電學特性和磁學特性的智能材料 [1]。物理人早就無可奈何地認識到，磁與電不是一家人，對稱性上兩大家族毫無淵源、所在行業也毫無相通之處。這在科普文章“電控磁性：遙遠與眼前“中有所交代。因此，學者們運用電控磁或磁控電來實現智能的、有目的的功能調控，純粹是利益驅動，而核心利益關系則顯示於圖2 [1]。如果僅從電控磁的角度出發，電是基本的能量媒介，磁是信息存儲和信息處理的核心媒介，這是本性的差別，卻很門當戶對。因此，磁與電聯姻，不過就是一段利益婚姻，當可持久否？！事實上，智能磁電材料在微波器件中的應用卻值得關註，它可降低該類器件裝備在衛星、航天器、機載雷達及單兵通訊系統中的體積、重量和能耗，在無線通信、國防安全等領域具有意義。本號也曾多次推送磁電耦合方面的科普文章，如”多鐵性迷思(1)：山重水復疑無路”、“互易是理想、非互易是現實”等等。
圖2. 序參量(電極化強度、磁化強度和應變) 及其共軛場(電場、磁場和應力) 之間的關系。圖片來自文獻[1]。
智能磁電材料分為單相和多相兩類。國內的南京大學、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算等方面進行過探索。單相體系目前尚存在若幹尚未克服的問題，離實際應用尚需時日。與此不同，借助異質結嫁接，構建磁電復合材料以實現功能集成和添加，使其具有更高磁電耦合系數，則成為當前復合磁電材料實用化的基礎。
限於篇幅，本文只涉及復合磁電材料這一亞類別。
的確，智能磁電復合材料本質上更是磁與電的強行聯姻，以實現高效率能源與信息轉化，並最終制造低功耗、微型化、可調節與超快響應的電子元器件。磁電材料應用上，目前尚只有復合體系有若幹動人之處，引起學術界和工業界關註。當前，微波電子元器件中高功耗、高熱量、噪聲大、響應慢等問題較為嚴重，而磁電復合材料部分解決這些問題的優勢正在變得明顯。
歷史上看，智能磁電復合材料最初為1972 年在西門子工作的Suchtelen 所提出。他建議利用界面，將壓電材料與磁致伸縮材料復合。1994 年，南策文發展了非線性格林函數理論，求解兩組鐵性參量間的本構方程，獲得靈感。這算是一個milestone 的工作，所以我們說南策文文心妙哉。2000 年開始，基於宏觀尺度磁電復合材料獲得了10 ~ 103V/Oe·cm 的磁電耦合系數，推動磁電材料走入器件應用的研發軌道。這方面，如今在北京大學神遊的董蜀湘貢獻卓越，雖然很多人並不了解他。由於這些潛在應用價值，美國、日本、韓國以及英國、德國、荷蘭、法國等歐洲國家地區都投入了經費和資源。我國自2001 年起在這一領域的工作逐步增加，目前已有幾十家機構從事這方面的研究。特別是清華、北大、南大、西交大、物理所、中科大、蘭大等單位，都在基礎研究和原型器件開發方面取得了一些成果。
只是，這些材料和原型器件的潛在應用頻段主要集中於中低頻，高頻磁電應用的工作相對要薄弱很多。這方面進展，以美國東北大學孫年祥團隊為代表。舉例而言，FeGaB / AlN 擁有良好微波特性，適用於高頻器件。孫年祥們曾研發出比當前小型天線要小100 倍的新一代磁電天線原型，有可能在便攜式無線通訊系統中發揮作用。當然，到底能不能用也不是孫年祥們說了算的。
這裏存在一些概念上的創新思路：傳統天線需要精確設計金屬結構大小，以實現與特定波長電磁信號產生共振。由此，天線尺寸與工作頻率直接相關，限制了天線微型化。例如，10GHz 頻段的天線，頻率已經很高了吧？但是天線特征尺寸大約在幾個厘米。這麼大的特征尺寸，如何能夠實現高密度集成？
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來產生共振，從而大大縮小天線尺寸。通過幾何設計，還可控制薄膜共振頻率，實現從特高頻 (UHF) 到甚高頻(VHF) 的跨越。該技術在便攜式無線通訊系統中具有應用潛力，包括可穿戴式電子設備、智能手機、可植入天線和物聯網等領域。過去一些年，孫年祥們，包括筆者在內，所做的一些工作還得到《科學》、《自然》和《科技日報》等媒體的報道。
好吧，接下來就看磁電材料人能不能真的向前走出幾步了！
3. 重要的是界面
先看問題。上述傳統磁電復合材料的耦合靠界面應力傳遞。應變高頻和長時間反復，壽命自然是問題，所以實際應用存在先天不足。另外，基於鐵電壓電基片的磁電復合材料，需要很大調控電壓 (400 V ~ 600 V)，這給集成造成困難，此路不通。基於鐵電磁性薄膜的應力調控，又受制於基底束縛。所以，需要一種新的思路來克服這些問題。
一種方案就是借助不同的人工復合材料界面，看看復合界面上有沒有文章可做。事實上，多年來，材料人也算是殫精竭慮、機關算盡，的確換來了一些界面新效應，可以為電場調控磁性所運用，獲得強磁電耦合。這一思路有一些優點，最近幾年進展還算不錯：
(1) 早在2006 年，段純剛們根據第一性原理計算預言：Fe / BaTiO3 (BTO) 體系隨著BTO 極化強度變化，表面電荷積累會影響超薄 Fe 原子層中自旋大小和磁各向異性場 [2]。這屬於非應力調控的界面磁電耦合。在(La1-xSrx)MnO3 (LSMO) /Pb(Zr,Ti)O3(PZT) 中也有類似效應 [3]。這是段純剛的成名作之一，雖然有快十年心存疑惑而無人過問。原因很簡單：您將單質金屬 Fe 沈積到一個氧化物表面上，彼 Fe 還是此 Fe 嗎？段純剛當時並不知道怎麼回答，近幾年才有一些有錢人邀得鬼斧神工，說：是的，彼 Fe 是此 Fe ！
(2) 利用電解質等界面調控方式改變氧化物薄膜結構與磁電性能。例如，施加一個小的電場，就可以在電解液 – 磁性層界面處形成高的電荷積累。相關實驗說 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控 [4]。不過，用電解液來調控，總覺得應用上不那麼靠譜，這一結果的意義最多也就是確認段純剛們“界面電荷積累是關鍵”之謬論是有道理的。可見段純剛那時的想法的確很超前。
(3) 最近，有些工作，包括筆者的工作，說界面處可控氧化還原反應能實現電控磁性。這屬於“界面電荷轉移”的範疇，可以很物理，也可以比較化學。這一結果值得稍加詳細介紹[5]。
圖3.(a) GdOx/ Co 異質結和實驗裝置示意圖。(b) 初始 RH~ Hz 曲線，樣品未經任何處理(黑色曲線)、樣品在200oC 下退火10 分鐘 (紅色曲線)。(c) RH~ Hz 曲線，樣品在200oC下退火 10 分鐘 (紅色曲線)、樣品在VG=– 625 kV/cm 電場下保持 6 分鐘後測量結果(藍色曲線)、樣品在VG=+ 625 kV/cm 電場及 200oC下處理13 分鐘後測量結果(紫紅色曲線)。(d) 對 RH~Hy 關系的測量結果，步驟與(c) 類似。來自文獻[5]。
為簡單起見，考慮一 GdOx/ Co 異質結，結構如圖 3(a) 所示 [5]。相關研究表明，Gd2O3是一種氧離子導體。也就是說其中的 O 水性楊花、朝三暮四，稍加勾引即可投懷送抱。例如，施加負的電壓 (VG<0) 時，O2- 會移動至Co 薄膜中，改變 Co 的磁性能。事實上，最近實驗顯示，對 GdOx施加電場，的確可誘導 Co 界面層部分氧化，導致Co 薄膜的磁化強度翻轉。其背後機制實際上是磁各向異性方向發生了變化，類似機制在“電控磁性：遙遠與眼前“一文中也有討論。
如果對這一異質結施加垂直外磁場 Hz，可得到圖 3(b) 所示的反常霍爾電阻 RH~ Hz回線(黑色曲線) 。顯然，矩形 RH~ Hz回線表明樣品具有較強垂直磁各向異性。經過200oC 處理，RH~Hz回線形狀未發生變化，顯示溫度穩定性不錯。現在看電場 VG的調控結果。
(1) 先對異質結施加 VG= – 625 kV/cm 電場，測得 RH~ Hz回線如圖 3(c) 中藍線，意味著反常霍爾效應消失。
(2) 再對異質結施加 VG= + 625 kV/cm 電場，反常霍爾效應重新恢復 (圖 3(c) 中的紫紅色回線)。可見，電場 VG可有效改變 Co 薄膜的磁各向異性，到此 Co 的磁矩翻轉。
(3) 沿 y 軸方向施加磁場 Hy也有類似效果，如圖 3(d) 的 RH~ Hy 曲線所示。當 VG= – 625 kV/cm，RH~ Hy曲線從紅線變為藍線，反常霍爾效應消失。當 VG= + 625 kV/cm時，又恢復為紫藍色曲線。雖然 RH~ Hy 曲線並不呈現回線，但調控效應依然明顯。
小結一下：俺們材料人的確取得一些進展。現在我們明白，從能量與信息轉化效率角度而言，界面調控方式所需能量更低，調控效果也更好、更準確、更適用於大規模集成電路。由於系統不存在明顯應力變化，其器件機械和性能穩定性與可靠性也較好。
當然，問題也不少！界面調控方法存在的問題是：(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) 不可否認的是，針對氧化物 / 磁性金屬異質結，各種物理化學效應可能都存在，很難說其中一種效應獨立於其它之外。這給理解和控制設計帶來不確定性。(3) 牽涉到界面離子物理化學過程，如電解質、界面氧化、離子遷移等動力學過程都不大可能很快，估摸著很難對高頻調控有很大吸引力。
這些問題的出現，暗示界面調控還需要有更多物理元素介入，方能向實際應用走得更遠。怎麼辦呢？最近又有一些新的生長點。筆者所熟悉的，至少有兩種元素正在進入到磁電耦合復合材料中。這些生長點都很有創意、有些效應免不了令人擊掌。只是，它們的高頻磁電響應或者電控磁性能，似乎依舊不明不白。這些問題，在我們的工作中都得到一些關註。
只是，人不能至情至性、事不能求全責備。先走一步，看花開花落是否花滿天。好，花開兩朵、各表一枝！
4. 離子液體登場
第一枝：借助離子液體作為界面調控手段，實現磁電調控，特別是電控磁性。這一思路看起來源於上一節界面電荷聚集的物理，無非是借助帶電離子易於運動的特點在磁電復合界面處形成大的電荷積累。果若如此，當無多大創新。殊不知，離子液體一登場，就搞出了很多意料不到的事情，讓人羨慕嫉妒恨都上來哉。於是，各路君子都紛紛亮相，均在臉上塗上一層“離子液體”，其顏專美，其效良多！
所謂室溫離子液體，簡稱離子液體，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。與固體不同，離子液體有豐富的化學、磁學、電學性質，這些性質實際上早就在電子元器件設計與開發過程中得到應用。材料人在百無聊賴中“忽然”得到靈感：如果將離子液體本身或其與導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，可實現對功能薄膜界面多元序參量的動態調控。最近幾年，這一思路應用到諸如 p – n 結、超導轉變、金屬絕緣體相變、居裏溫度、各向異性磁阻、自旋轉移力矩等領域中。典型例子如La0.5Sr0.5CoO3−δ，其中電極化的離子液體可調控磁阻。La0.6Sr0.4MnO3 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，離子液體可以調控磁各向異性。
基於離子液體的磁電耦合體系，我國的研究與應用開發進展良好，諸如電場誘導磁性相變、各向異性磁阻調控、鐵磁絕緣體相變、磁電耦合器件開發、自旋電子學調控等工作都有報道。將離子液體應用於磁電耦合領域，的確為探索磁電耦合材料、開發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。
離子液體調控的物理化學路數並不復雜，不是那種驚天動地的新發現，教科書中都有章節描述。依據機理不同，研究可分兩類：(1) 靜電摻雜調控；(2) 電化學反應調控。當外加電場超過離子液體閾值 (電化學窗口)，本身會發生電化學反應。根據反應活性不同，作為電極的磁性薄膜會參與到電化學反應中。該反應反過來會從空間尺度及化學組分等方面對磁性薄膜進行功能改性，雖然這種改性往往是不可逆的、可能也是緩慢的。
作為一個實例，離子液體調控的基本物理過程之一類如圖 4(a) (b) 所示。電壓驅動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構。雙電層界面處有極高電荷濃度 (1015cm-2)，會對功能超薄膜表層的電子雲密度、能帶結構、自旋軌道耦合產生深刻影響。與此同時，較低的調制電壓 (< 2 V) 可以確保調控過程不受電化學反應的幹擾。看君現在明白了：電場低還好，基本就是電荷聚集，物理上處理起來不難。電場稍高，帶電離子就參與其中物理化學過程。這就復雜了，通常是物理人不喜歡、化學人卻偏愛、材料人則兩邊不是人。
清華大學物理系的於浦們曾經在《Nature》上發表過一篇《選擇性雙離子開關電場控制的三態相變》的工作 [6]。他們在單一材料中實現了雙離子電場可控結構相變 (如圖 4 所示)，並揭示了基於三態相變過程中光、電和磁學特性調控的原型器件應用。當施加負電壓時，離子液體中形成的內建電場驅動 O2- 進入薄膜中，發生SrCoO2.5 到SrCoO3 相變。當施加正電壓時，離子液體中的內建電場驅動 H+ 進入薄膜中，發生SrCoO2.5 到 HSrCoO2.5相變。此外，這三個相還擁有完全不同的電學和磁學基態，即顯示鐵磁金屬性的 SrCoO3-δ、反鐵磁絕緣性的 SrCoO2.5、及弱鐵磁絕緣性的 HSrCoO2.5。理論上，可以預期，通過電場控制這些相之間的切換來實現多磁態之間的電場調控。實驗上，O 的水性楊花給了材料人很多機會，從而可以創造 Nature。
如果沒有SrCoOx 系列豐富的物相、沒有這些物相之間情同手足到穿一條褲子，於浦們大概也沒有這麼幸運。問題是，於浦們竟然遇到了天下之大而如此難得的一個體系，令人擊掌！當然，這種幸運不會是因為於浦長得夠帥、夠高大所致，而是於浦們日夜不停地嘗試、失敗、再嘗試、再失敗後的結果。如果我們說這是科學的上帝所賜，大概也不為過。
圖4. 電場控制 SrCoO2.5、SrCoO3−δ 和HSrCoO2.5 三態相之間的轉變 [6]。離子液體可將O2-(a) 或 H+(b) 註入進薄膜中。當施加負電壓時 (a)，離子液體中形成的內建電場驅動O2-進入薄膜中。當施加正電壓時 (b)，離子液體中形成的內建電場驅動 H+進入薄膜中。(c) 電場調控SrCoO2.5的可逆相轉變。其中晶體結構由第一性原理計算獲得，紅色和藍色箭頭分別代表負電壓和正電壓。(d) SrCoO2.5、SrCoO3−δ 和HSrCoO2.5 的XRD 圖譜。綠色陰影區域 (45°) 的衍射峰明顯地顯示出三種物質的不同。(e) LAST(002) 衍射峰的原位 XRD圖譜，結果表明電場控制SrCoO2.5 的可逆過程。
除此以外，最近還報道了一些典型實例，如：(1) 在 (Ti, Co)O2 、SiRuO3 、La0.5Sr0.5CoO3−δ 等體系中，實現了電極化離子液體對磁阻的調控。(2) 在 (La, Sr)MnO3[7] 、MgO/CoFeB 、Co等體系中，實現了電場對磁各向異性的調控。當然，筆者也願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，實現了對矯頑場的調制 (圖 5a-b) [8]。當偏置電壓為零時，樣品表現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方向移動。結果表明，離子液體可使樣品發生明顯的自旋重構轉變現象。
(2) 在 RKKY 人工反鐵磁體系中，實現了對交換耦合的調控 (圖 5c-d) [9]。當外加電壓為零時，樣品具有雙磁滯回線 (反鐵磁狀態)。外加電壓增至 2V 時，樣品磁疇發生轉變，表現出三磁滯回線的狀態。
(3) 在 Pt/ YIG 金屬氧化物異質結中，實現對微波特性的調控，並制備了新型的微波器件原型 (圖 5e) [10]。與傳統器件相比，基於離子液體調控的微波器件具有能耗低及尺寸小等優點。在 – 110 oC下，電壓變化 4.5 V ，可引起鐵磁共振場 690 Oe 的變化 (圖 5f)。
這些結果表明離子液體調控在電控存儲器和電控微波器件中均有一定應用前景。所謂四兩 (小電壓) 撥千斤 (可調體系廣泛、磁性變化大、磁電耦合系數高)，豈不快哉！依筆者之見，從進一步應用角度看，靜電摻雜調控具有磁電耦合效應強、調控過程穩定、調控效應可逆等優點，推廣前景應該更好。
圖5.(a) 原位 ESR 曲線測量示意圖，藍色箭頭為外磁場方向，黃色閉合曲線和黑色閉合曲線分別代表電磁場的磁場分量和電場分量。(b) 離子液體調控 [Co/Pt]x 的面外磁滯回線。(c) 離子液體調控 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) 基於 YIG / Pt / IL的新型微波器件原理圖。(f) 離子液體調控 YIG 鐵磁共振示意。
5. 向柔性進軍
第二枝，是柔性電子材料或柔性智能材料。
其實，世上之事，無奇不有。世上之人，無夢不香。柔性電子學現在也是大行其道，好像什麼材料要是不“柔”一下就沒有時尚感，就像現在年青一代所喜歡的“娘”態一般。這是筆者的感覺。
作為 21 世紀最為熱門的新型材料之一，柔性電子 (Flexible Electronics) 材料以其據說是廣泛的應用和靈活性引起關註，據說也是未來微電子產業的重要方向。所謂柔性電子材料和器件，主要是將有機 / 無機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、適應曲面環境、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防、能源、信息、醫療等領域有潛在應用。2000 年，美國《Science》雜誌將柔性電子技術進展列為當年世界十大科技成果之一，與生物克隆技術、人類基因組技術等科學進展並列。
此外，有一些大膽設想和不犯法的預言說：生物世界與電子器件的無縫連接是未來生物學和電子學發展交匯的必然趨勢。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 • 馬斯克倡導腦機接口項目，以圖實現人腦思維直接控制機器、接入網絡信息世界。基於柔性電子材料的生物融合器件將推動生物學和電子學發展。從能量與信息交匯的角度看，如果將人體引入這個融合體系，那麼生物 - 信息 - 能量的無縫結合，可謂真正實現了華夏老祖宗觀念中最高境界：天人合一。
好，聲勢已經形成、輿論已經就緒。在此大勢之下，自旋電子學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，不僅會做夢，還會解夢，並使出渾身解數去實現夢。事實上，柔性電子學沒有自旋電子學、沒有磁電耦合，那也名不副實。
下面我們來看看這其中的現狀、困難和未來。
首先，這些想象當然不是徒勞無功的，事實上一些正在變成現實。具體產品包括柔性有機發光二極管 OLED、柔性電子顯示器、柔性印刷 RFID、柔性薄膜太陽能電池板、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結。因此，柔性自旋電子學實際上為柔性磁電耦合材料及器件的發展提供了很好的基礎和架構。
這些年來，柔性自旋電子學的確取得了一些進展。為本文描述作鋪墊，筆者舉兩個例子：
(1) 在柔性基底上制備了磁性薄膜，研究了薄膜磁學性質隨柔性基底形變而變化。2013 年，R. P. Cowburn 在 Advanced Functional Materials上發表了柔性基底生長基於 RKKY 相互作用的人工反鐵磁異質結。結果顯示，磁性與生長在 Si 基底上的人工反鐵磁結構相差不大，可滿足柔性自旋電子學基本需要。該結構隨基底和環境形變而產生應力，具有良好力學穩定性。
(2) 開發了基於柔性磁性薄膜/異質結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 150 nT 的微弱磁場 (相當於地磁場的1/400)，具有高靈敏度、柔韌性和穩定性，滿足柔性磁傳感器的基本需要。
與傳統自旋電子學相比，柔性器件具有靈活性，可作為醫療健康設備穿戴於人體或生物體上。為實現更高功能的柔性自旋電子材料和器件，比如柔性磁傳感器、柔性信號處理器、柔性天線、柔性磁存儲器等，我們不但希望某些性質對柔性環境不敏感，也需要某些性質對柔性環境很敏感。前者如舉重若輕，後者則如舉輕若重。
縱觀柔性電子學這些年取得的一些進展，筆者與其啰啰嗦嗦展示這些進展，還不如提出幾個可能的問題，應當更受讀者歡迎。
(1) 工作原理。傳統自旋電子學器件的很多技術原理並不能用於柔性器件中。例如，在曲面的柔性基底上，器件形狀隨環境不斷變化，傳感或者讀寫機構也需要作出相應變化，這就很難。磁硬盤中，那個需要超高空間辨識精度 (nm) 的讀寫臂，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制，例如運用自旋轉移矩 (STT) 和自旋軌道矩(SOT) 調控柔性磁性薄膜的信息讀寫和控制等。STT 和 SOT 等不但對應變敏感，而且需要較大驅動電流，會引起高能耗和散熱等問題。眾所周知，這些問題在傳統自旋電子學中還沒搞定呢，更別說柔性自旋電子學了。此時，磁電耦合調控也許更合適柔性自旋電子學，耶、耶，耶！
(2) 新的界面調控介質。如何在柔性襯底上調控各種磁異質結構的磁學性質？前文已經洋洋灑灑兜售了磁電復合體系電控磁性的界面電荷聚集機制，用離子液體是個好手段。但是，從器件應用角度，離子液體作為一種可流動液體，在集成電子器件和柔性電子器件應用中會產生諸如泄露、腐蝕、不便於保存等工程問題。在剛性器件中通過封裝和後續措施也許可以彌補一二，但柔性環境中，您能想象離子液體該是多麼令人厭惡？！所以，要換掉離子液體吧？
(3) 速度與效率問題。這一問題不僅在柔性體系，在傳統體系亦是如此。無論是界面電荷聚集、界面帶電離子物理化學、柔性界面耦合等新物理，還是電解質、離子液體、離子膠體等新材料，如何實現超高速電控磁性動力學大概還是目前很少觸及的問題。目前絕大多數工作，毫無疑問都是準靜態的，少數工作展示的特征時間也是在秒的量級。這是我們的研究尚未來臨、卻很致命的挑戰。
一言以蔽之，材料人舉輕若重或舉重若輕的核心問題是低電壓、低能耗、響應快以及穩定可靠的問題。由此，柔性磁電耦合材料及器件的需求就一目了然。或者說，傳統自旋電子學存在的問題，在柔性自旋電子學中更嚴重，並且有更多問題出現。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！
針對這些困難，包括筆者在內的同行，可謂夜不能寐、日不食香。筆者曾經針對離子液體的困難，將離子液體與其它功能性有機聚合物(Functional Polymer) 相結合，形成同時具有離子液體對電場響應性和有機聚合物特性的離子膠體。這應該是一個妥協方案：既具有良好的柔性、延展性和靈活性，又可提高可調微電子 / 自旋電子器件的可靠性、降低調控介質對於器件的腐蝕性 [11]。我們在柔性襯底上初步實現了運用離子膠體對Co / Pt 垂直磁各向異性[10] 與 RKKY 人工反鐵磁的調控 [11]。離子膠可以改變磁性薄膜費米能級處的電子密度，從而有效改變其磁性能。詳細描述可見參考文獻 [10, 11]，亦顯示於圖 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，樣品磁性從鐵磁轉變為反鐵磁，繼而再轉變為鐵磁 (當 Ru 厚度為 0.4 ~ 1.05 nm 時，樣品表現為反鐵磁性)。
6. 結語
筆者從物理、材料、器件應用等幾個層面闡述了管所之見，此乃拋磚引玉。其實，如本文章所言，本來天然磁和電很難有什麼瓜葛，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。筆者參與的磁電復合材料及原型器件研究工作，看君如果有意，亦可參閱文獻[12-20]。其中，稍有意思的一篇工作 [11]，看君可點擊文尾的“閱讀原文”而一窺端倪。
只是，筆者要說：僅僅基於應用前景的利益婚姻是暫時的。如果在此期間，培養了科學方面的感情，那麼這段磁電婚姻將更為美滿。這需要後續學人對界面磁電復合的機制展開更深入的研究，開發更多更有效的新型調控手段。
客觀地說，科學和應用這兩方面的腳步，才剛剛開始，前方之路顯然還很漫長。
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備註：
(1) 封面圖片來自：
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/move-over-silicon-magnetoelectric-multiferroics-and-tiny-transistors-could-enable-faster-computers-that-consume-less-power
圖片說明：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) 題頭小詩乃Ising所加。文中那些調侃挪喻之處，均由Ising所加工，與作者劉明無關。