近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴智能設(shè)備、非平面物件無損檢測等領(lǐng)域的快速發(fā)展，柔性電子器件開始受到科研人員的廣泛關(guān)注。其中，基于磁性薄膜的柔性磁電子器件可以作為傳感器和存儲(chǔ)器單元集成在智能可穿戴設(shè)備中，具有重要的應(yīng)用前景。
當(dāng)前，柔性磁性薄膜與器件的發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)主要包括：
（1）如何在柔性襯底上獲得性能與剛性襯底上相媲美的磁性薄膜與器件；
（2）如何控制柔性磁性薄膜在彎曲、拉伸等形變狀態(tài)下的磁各向異性；
（3）如何獲得具有大形變能力的柔性磁性薄膜與器件，以滿足不同應(yīng)用的需求。
為了解決這些問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所磁電子材料與器件團(tuán)隊(duì)主要致力于研究應(yīng)力對柔性磁性薄膜磁各向異性的調(diào)控規(guī)律；探索調(diào)控柔性磁性薄膜的各向異性的方法；通過應(yīng)力工程原理提高柔性磁性薄膜和自旋閥器件的形變能力，為推動(dòng)柔性薄膜與器件的實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
1、研究應(yīng)力對柔性磁性薄膜磁各向異性的調(diào)控規(guī)律
將磁性薄膜生長在柔性襯底上，是制備柔性磁性薄膜的基本方式。研究人員通過對生長在柔性襯底上的磁性薄膜施加應(yīng)力，系統(tǒng)地研究了應(yīng)力對磁性金屬薄膜中磁各向異性的調(diào)控規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，柔性磁性薄膜的磁各向異性對單軸應(yīng)力的響應(yīng)規(guī)律為：對于具有正磁致伸縮系數(shù)的材料（例如FeGa、CoFeB等薄膜），其易軸傾向于沿著拉應(yīng)力方向，難軸傾向于垂直拉應(yīng)力方向；對于具有負(fù)磁致伸縮系數(shù)的材料（例如Ni薄膜），其易軸傾向于沿著壓應(yīng)力方向，而難軸傾向于垂直壓于應(yīng)力方向（Appl. Phys. Lett. 100, 122407 (2012); Appl. Phys. Lett. 105, 103504 (2014)）。
聚偏氟乙烯（PVDF）是一種具有各向異性熱膨脹特性的柔性材料。研究人員將非晶CoFeB磁性薄膜生長在PVDF襯底上，巧妙利用PVDF襯底表現(xiàn)出的各向異性熱膨脹特性，對薄膜施加連續(xù)變化的單軸應(yīng)力。通過測量不同應(yīng)力狀態(tài)下磁性材料的各向異性磁電阻，并擬合不同磁場、不同應(yīng)力狀態(tài)下的各向異性磁電阻曲線，研究人員首次確定非晶CoFeB薄膜磁彈各向異性的應(yīng)力系數(shù)為1.7*105ergcm-3Gpa-1，該結(jié)果為定量預(yù)測應(yīng)力對磁性薄膜磁各向異性的調(diào)控能力提供了參考（Appl. Phys. Lett. 111, 142403 (2017)）。
圖1 應(yīng)力對柔性磁性薄膜的調(diào)控規(guī)律示意圖
2、探索柔性磁性薄膜磁各向異性的調(diào)控方法
在實(shí)際使用的器件中，常常希望其材料的磁各向異性不隨外界環(huán)境的改變發(fā)生變化。為了保持柔性磁性薄膜在受力條件下磁各向異性的穩(wěn)定，研究人員在薄膜制備過程中引入預(yù)應(yīng)力的同時(shí)施加取向磁場，可以獲得具有較強(qiáng)單軸磁各向異性的薄膜。該薄膜在一定拉伸和壓縮應(yīng)變條件下，其磁各向異性可以保持較好的穩(wěn)定性（Appl. Phys. Lett. 111, 132405 (2017)）。一般而言，磁性材料的磁各向異性隨溫度升高是逐漸降低的，而生長在柔性聚偏氟乙烯（PVDF）材料上的磁性薄膜，由于受PVDF各向異性熱膨脹的影響，其磁各向異性隨溫度升高可以獲得增強(qiáng)（Sci. Rep. 4, 6615 (2014)）。通過調(diào)控兩者之間的平衡，可以為獲得磁各向異性隨溫度保持穩(wěn)定的磁性薄膜提供解決方案。
將磁性薄膜生長在柔性襯底并使之形成周期性褶皺結(jié)構(gòu)，可以對應(yīng)力進(jìn)行有效的釋放，從而保持薄膜磁各向異性的穩(wěn)定性。然而，具有褶皺結(jié)構(gòu)的磁性薄膜難以獲得較大的磁各向異性，研究人員通過兩種方式制備了具有周期褶皺結(jié)構(gòu)的磁性薄膜：一種是在預(yù)拉伸狀態(tài)下沉積緩沖層和磁性金屬，然后釋放預(yù)應(yīng)力獲得褶皺薄膜；另一種是在預(yù)拉伸狀態(tài)下沉積緩沖層后進(jìn)行應(yīng)力釋放獲得周期褶皺結(jié)構(gòu)，然后再在褶皺結(jié)構(gòu)上沉積相應(yīng)的磁性薄膜。研究人員對比了兩種薄膜的磁性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)后一種方法制備出來的薄膜表現(xiàn)出更強(qiáng)的磁各向異性（Appl. Phys. Lett. 108, 102409 (2016)）。
圖2 CoFeB薄膜磁彈各向異性應(yīng)力系數(shù)的測定
3、制備具有大形變能力的柔性自旋閥器件
根據(jù)應(yīng)力工程原理，研究人員將PDMS襯底進(jìn)行預(yù)拉伸，然后使用掩模法生長磁性多層膜，獲得了具有高磁場靈敏度的柔性自旋閥傳感器。該傳感器具有周期性褶皺結(jié)構(gòu)，可以有效地將拉伸應(yīng)力釋放到襯底上，從而避免了拉伸應(yīng)變下金屬薄膜的斷裂行為，并顯著降低了拉伸應(yīng)變對磁性層磁各向異性的影響。所制備的自旋閥磁傳感器具有優(yōu)異的性能，其磁電阻率達(dá)到10%，磁場靈敏度達(dá)到0.7%/Oe，并且在50%的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，器件的磁電阻率、磁場靈敏度和電阻均可以保持穩(wěn)定（ACS Nano 10, 4403 (2016)）。
圖3 可拉伸自旋閥器件的制備和結(jié)構(gòu)示意圖
圖4 Si襯底與柔性PDMS襯底上自旋閥器性能對比
部分論文鏈接：
