交换偏置效应：分类、解释模型、器件应用、问题与挑战——综述

《Materials Chemistry and Physics》：Exchange bias effect: classification, interpretation models, device applications, problems and challenges–a review

交换偏置效应作为信息存储和自旋电子器件的核心机制，在二维异质结构、多铁性耦合及拓扑磁体等新体系下取得进展，涉及制备方法、理论模型及器件应用的系统性综述。

　　

张军|赵叶|马建军|周国伟

中国吕梁市吕梁大学化学与材料工程系，邮编033001

摘要

交换偏置效应是指材料在施加磁场或未施加磁场的情况下冷却后，其磁化-磁滞回线沿磁场轴发生偏移的现象。随着二维磁性、多铁性耦合和拓扑磁性等新概念的出现，交换偏置系统在材料设计、物理机制和器件原型制作方面取得了进展，已成为信息存储技术的关键理论基础，并引起了广泛的研究关注。本文将对近年来出现的交换偏置现象进行分类，总结其解释模型、制备方法、研究体系及器件应用，并分析当前的研究挑战，旨在为这一效应的进一步研究和应用提供参考。

引言

交换偏置（EB）效应是一种源于铁磁（FM）/反铁磁（AFM）界面耦合的特性现象[1][2]，已成为自旋电子学和磁存储技术中的基本物理机制之一。该效应最早由Meiklejohn和Bean在1956年观察到，研究对象是直径为20至100纳米的Co/CoO FM/AFM颗粒[3][4]。其本质是由于AFM层中未补偿的磁矩对FM层的钉扎作用，导致磁化-磁滞（M-H）回线从坐标系原点发生偏移[5]。这一特性显著提高了器件的稳定性和灵敏度[6][7]。 在研究的早期阶段，科学家们系统研究了新型巨磁阻（CMR）钙钛矿材料（如LBaMn?O?–γ，其中L = Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb）中阳离子有序-无序现象对其晶体结构、磁性和电输运性质的影响[8]。他们发现，A位点上阳离子（L3?/Ba2?）的有序排列不仅改变了晶体对称性，还通过调节超交换相互作用显著增强了铁磁性和金属导电性——这是设计高性能CMR和基于EB的材料的關鍵结构因素。 此外，经过掺杂改性的钛基钙钛矿陶瓷和铁氧体也展现了优异的磁电性能[9][10]。将这些材料与其他磁性组分结合使用，大大扩展了5G通信和EB型器件中功能层的设计可能性。此外，对纳米复合材料成分和晶粒尺寸的精确控制使得材料能够实现超越单一纳米磁性组分的磁性能，为设计适用于先进应用的高性能磁性纳米材料奠定了基础[11]。 最近，随着二维范德瓦尔斯（2D vdW）异质结构和纳米结构材料的进步，控制EB效应的方法已超越了传统的厚度依赖性方法，包括压力工程[12]、掺杂改性[13][14]以及应变诱导[15][16][17]等新兴策略。这些技术显著提高了交换偏置场（H EB）和阻塞温度（T B）。例如，在磁随机存取存储器（MRAM）和自旋阀（SV）器件中，EB效应通过固定参考层的磁化方向实现了高密度、低功耗的数据存储[18][19][20]。此外，其在自旋逻辑电路和量子器件中的应用潜力也受到了广泛关注[21][22][23]。 尽管已有若干关于EB效应的综述文章发表，但它们的覆盖范围仍不全面，分类不够完善，机制分析往往较为肤浅[24][25][26]。本文的新颖之处在于其更系统、更及时、更有条理的视角。它不仅细化了EB现象和理论模型的分类，还扩展了研究范围，涵盖了2D vdW材料、多铁性和有机分子磁体等新兴体系，并探讨了这些新材料和效应在存储、传感和类脑计算等下一代颠覆性技术中的应用潜力与挑战。本文的具体贡献总结如下表所示：

EB分类

EB效应通常通过两个关键参数来表征：H EB和矫顽力（H c），如图1所示。H EB量化了M-H回线从原点的偏移量，而H c反映了回线磁性的强度[27][28]。在公式中，正项对应于……，负项对应于……。H c2和H c1分别表示M-H回线在磁场轴左侧和右侧的截距[29][30]。

EB的常见解释模型

• (1) NEB解释模型

对于最早的NEB解释模型（如图3所示），当H CF施加在AFM N T以上、FM居里温度（T c）以下时，FM区域的磁矩会沿着H CF方向有序排列，而AFM区域的磁矩则处于无序状态（图3（a））。当温度低于T N时，由于界面作用，AFM靠近界面的磁矩会与FM层的磁矩稳定地发生铁磁耦合……

制备方法

金属或合金薄膜的制备是凝聚态物理和材料科学中的关键技术，主要方法包括磁控溅射、分子束外延（MBE）和电子束蒸发。磁控溅射利用磁场约束等离子体并溅射靶材原子，适用于高真空环境，并能精确控制涂层厚度、原子界面和成分，是制备……的首选方法

EB效应体系

EB效应的本质是两种磁性相（FM、AFM、自旋玻璃（SG）等）界面处的单向交换耦合，这种耦合导致M-H回线沿磁场轴发生偏移。半个多世纪以来，研究人员不断发现新的材料体系。以下是对已通过实验验证能产生EB效应的主要体系的系统综述，从晶体结构和耦合机制的角度进行了分析。

自旋转移扭矩MRAM（STT-MRAM）

STT-MRAM是一种非易失性存储器，它利用STT效应进行数据写入操作。如图12（a）所示，其核心组件是基于EB效应的磁隧道结（MTJ），由一个FM自由层、一个FM/AFM钉扎层以及中间的绝缘氧化物屏障层组成[112]。氧化物层必须具有较高的自旋极化率和较低的电阻率，以最大化隧穿磁阻效应。

结论与展望

EB效应作为FM/AFM界面耦合的典型现象，在信息存储、类脑计算和高灵敏度传感器等多种应用中发挥着关键作用。本文从五个关键维度（现象分类、解释模型、制备方法、研究体系和器件应用）对EB效应的研究进展进行了系统综述，旨在为相关设计和应用提供重要指导。

CRediT作者贡献声明

马建军：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、形式分析。 周国伟：撰写——审稿与编辑、监督、形式分析、概念构思。 赵叶：撰写——审稿与编辑、监督、调查、形式分析。 张军：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资金获取、数据管理、概念构思

未引用的参考文献

[73][74][75]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

数据可用性

本文所述研究未使用任何数据。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：张军报告获得了山西师范大学的财务支持；张军与山西师范大学存在包括资金资助在内的关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：12174237）、吕梁市引进高水平科技人才关键研发项目（项目编号：2023RC24和2022RC16）、山西省基础研究计划（项目编号：202203021211335）以及山西省青年基础研究项目基金（项目编号：202303021222257）的财政支持。