随着电子设备越来越复杂化，人们不仅要器件满足集成、轻便、可携带的需求，还对其控制和功能化的要求越来越高。“界面即器件”的理念已被广泛认同，对界面的设计控制是实现这一目标的重要途径之一。由于各种物理和化学器件非常敏感地依赖于界面的化学性质和结构，因此，对电场控制界面的特性将会带来很多新的功能和器件概念。锂离子作为半径最小、迁移率较高的金属离子，已经在储能设备中发挥着重要作用，接下来在信息设备的应用中也有广泛前景。然而由于合适的材料和器件结构设计有限，相关的工作仍有待探索。 加拿大滑铁卢大学量子信息研究所的苗国兴教授和李强（客座）教授在《Advanced Electronic Materials》期刊上发表了题为“Interfacial Control via Reversible Ionic Motion in Battery-Like Magnetic Tunnel Junctions”的文章（DOI：10.1002/aelm.202100512），并被选为当期的封面。
该课题组利用锂离子在过渡金属中的离子交换，改变异质结构的电学和磁学性质，从而提出了一个增加了控制和功能的类似电池的磁性隧道结。如图1所示，这里的概念异质结是由锂电解质和过渡金属氧化物组成的纳米复合势垒。锂电解质层可以提供移动的锂离子，超薄的界面氧化层作为容器，通过表面还原/氧化反应来捕获和释放离子，如图1中公式所示。在电场作用下，纳米复合势垒中的可逆离子交换具有两个明显的要点：第一，离子交换可以导致非易失的电阻变化，类似于电阻开关（RS）效应的忆阻行为。同时，极薄的介电质厚度使这些器件也体现了来自隧穿磁阻(TMR)效应的稳定电阻状态，实现了多重电阻状态。其次，离子迁移可以实现过渡金属氧化物磁性的电场控制。界面磁性的变化会进一步影响自旋极化输运过程中的净自旋极化，甚至会随着界面改性的进行而改变其极性。因此，通过驱动锂离子迁移来控制界面为现有器件增加了相当多的选择性或者多样性，并为设计具有更高级功能的器件开辟了更多的可能性。
图1 电场驱动锂离子迁移下的类电池磁性隧道结的示意图，在这种结构中，一种超薄的、含锂的介电势垒同时充当量子隧道势垒和固态“电解质”。
图2 FeCo/LiF/FeCo/Ti 磁性隧道结结构分析。(a)FeCo (8 nm)/LiF (2.8 nm)/FeCo (3 nm)/Ti (50 nm) 隧道结的结构示意图, 此处 FeCo (8 nm) 和 FeCo (3 nm)/Ti (50 nm) 分别为底电极和顶电极；(b)器件的截面概述图；(c)器件的主要部分 FeCo (8nm)/LiF (2.8 nm)/FeCo (3 nm)部分的高分辨截面STEM图；(d)图(b)中红色矩形区域内单个元素EELS分布图。
图3 FeCo/LiF/FeCo隧道结中TMR的界面氧化控制。(a-c)底电极经过不同自然氧化时 间（3 h, 6 h, 12 h）的隧道结在高组态（HRS）的典型TMR曲线；(d-f)底电极经过不同 自然氧化时间（3 h, 6 h, 12 h）的隧道结的典型的I-V特性曲线；(g-i)底电极经过不同自 然氧化时间（3 h, 6 h, 12 h）的隧道结在低组态（LRS）的典型TMR曲线。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202100512
