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  近年來，隨著物聯網、可穿戴智能設備、非平面物件無損檢測等領域的快速發展，柔性電子器件開始受到科研人員的廣泛關注。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器單元集成在智能可穿戴設備中，具有重要的應用前景。

  當前，柔性磁性薄膜與器件的發展所面臨的挑戰主要包括：

  （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，以滿足不同應用的需求。

  為了解決這些問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所磁電子材料與器件團隊主要致力于研究應力對柔性磁性薄膜磁各向異性的調控規律；探索調控柔性磁性薄膜的各向異性的方法；通過應力工程原理提高柔性磁性薄膜和自旋閥器件的形變能力，為推動柔性薄膜與器件的實際應用打下基礎。

1、研究應力對柔性磁性薄膜磁各向異性的調控規律

  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力，系統地研究了應力對磁性金屬薄膜中磁各向異性的調控規律。研究發現，柔性磁性薄膜的磁各向異性對單軸應力的響應規律為：對于具有正磁致伸縮系數的材料（例如FeGa、CoFeB等薄膜），其易軸傾向于沿著拉應力方向，難軸傾向于垂直拉應力方向；對于具有負磁致伸縮系數的材料（例如Ni薄膜），其易軸傾向于沿著壓應力方向，而難軸傾向于垂直壓于應力方向（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襯底表現出的各向異性熱膨脹特性，對薄膜施加連續變化的單軸應力。通過測量不同應力狀態下磁性材料的各向異性磁電阻，并擬合不同磁場、不同應力狀態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力系數為1.7*10⁵ergcm^-3Gpa^-1，該結果為定量預測應力對磁性薄膜磁各向異性的調控能力提供了參考（Appl. Phys. Lett. 111, 142403 (2017)）。

圖1 應力對柔性磁性薄膜的調控規律示意圖 

2、探索柔性磁性薄膜磁各向異性的調控方法

  在實際使用的器件中，常常希望其材料的磁各向異性不隨外界環境的改變發生變化。為了保持柔性磁性薄膜在受力條件下磁各向異性的穩定，研究人員在薄膜制備過程中引入預應力的同時施加取向磁場，可以獲得具有較強單軸磁各向異性的薄膜。該薄膜在一定拉伸和壓縮應變條件下，其磁各向異性可以保持較好的穩定性（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（Sci. Rep. 4, 6615 (2014)）。通過調控兩者之間的平衡，可以為獲得磁各向異性隨溫度保持穩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構，可以對應力進行有效的釋放，從而保持薄膜磁各向異性的穩定性。然而，具有褶皺結構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構的磁性薄膜：一種是在預拉伸狀態下沉積緩沖層和磁性金屬，然后釋放預應力獲得褶皺薄膜；另一種是在預拉伸狀態下沉積緩沖層后進行應力釋放獲得周期褶皺結構，然后再在褶皺結構上沉積相應的磁性薄膜。研究人員對比了兩種薄膜的磁性質，發現后一種方法制備出來的薄膜表現出更強的磁各向異性（Appl. Phys. Lett. 108, 102409 (2016)）。

圖2 CoFeB薄膜磁彈各向異性應力系數的測定 

3、制備具有大形變能力的柔性自旋閥器件

  根據應力工程原理，研究人員將PDMS襯底進行預拉伸，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構，可以有效地將拉伸應力釋放到襯底上，從而避免了拉伸應變下金屬薄膜的斷裂行為，并顯著降低了拉伸應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異的性能，其磁電阻率達到10%，磁場靈敏度達到0.7%/Oe，并且在50%的拉伸應變范圍內，器件的磁電阻率、磁場靈敏度和電阻均可以保持穩定（ACS Nano 10, 4403 (2016)）。

圖3 可拉伸自旋閥器件的制備和結構示意圖 

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：

  https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4999493

  https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4990571