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，為推動柔性薄膜與器件的實際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

研究了應(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，我們首次確定非晶CoFeB薄膜磁彈各向異性的應(yīng)力系數(shù)為1.7*，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)）。

探索了柔性磁性薄膜磁各向異性的調(diào)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(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(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（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)出更強的磁各向異性（Appl. Phys. Lett. 108, 102409 (2016)）。

制備了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1 應(yīng)力對柔性磁性薄膜的調(diào)控規(guī)律示意圖

圖2 CoFeB薄膜磁彈各向異性應(yīng)力系數(shù)的測定

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