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中科院物理所成昭华研究员做客材料青年科学家

2019-06-20 22:17

近年来,随着物联网、可穿戴智能设备、非平面物件无损检测等领域的快速发展,柔性电子器件开始受到科研人员的广泛关注。其中,基于磁性薄膜的柔性磁电子器件可以作为传感器和存储器单元集成在智能可穿戴设备中,具有重要的应用前景。当前,柔性磁性薄膜与器件的发展所面临的挑战主要包括:如何在柔性衬底上获得性能与刚性衬底上相媲美的磁性薄膜与器件;如何控制柔性磁性薄膜在弯曲、拉伸等形变状态下的磁各向异性;如何获得具有大形变能力的柔性磁性薄膜与器件,以满足不同应用的需求。为了解决这些问题,中国科学院宁波材料技术与工程研究所磁电子材料与器件团队主要致力于研究应力对柔性磁性薄膜磁各向异性的调控规律;探索调控柔性磁性薄膜的各向异性的方法;通过应力工程原理提高柔性磁性薄膜和自旋阀器件的形变能力,为推动柔性薄膜与器件的实际应用打下基础。

柔性智能可穿戴设备的快速发展,提出了磁电功能器件柔性化的要求。由于磁性材料的逆磁致伸缩特性,弯曲或拉伸状态所产生的应力/应变会改变磁性薄膜的磁各向异性,从而影响磁性器件的性能。如何避免应力磁各向异性对柔性磁性器件性能产生不利的影响,是柔性磁性薄膜与器件发展中所面临的重要挑战之一。

7月13日下午,材料青年科学家论坛第四讲在我校主楼313会议室举办。本次论坛邀请到了中科院物理研究所磁学国家重点实验室成昭华研究员为材料学院师生作了题为《磁性纳米结构与飞秒磁性》的报告。材料学院院长姜勇、新加坡国立大学冯元平教授等作为嘉宾出席此次讲座。

1、研究应力对柔性磁性薄膜磁各向异性的调控规律

近年来,中国科学院宁波材料技术与工程研究所磁性材料与器件重点实验室磁电子材料与器件研究团队,系统研究了应力/应变对柔性磁性薄膜以及柔性交换偏置异质结的磁各向异性的调控规律[Appl. Phys. Lett. 100, 122407 ,Appl. Phys. Lett. 102, 022412 ,Appl. Phys. Lett. 105, 103504 ]。利用柔性聚偏氟乙烯压电薄膜的逆压电效应和各向异性热膨胀特性,在柔性FeGa/PVDF、CoFeB/PVDF复合薄膜材料中实现了温度场和电场共同对磁各向异性的有效调控,其磁各向异性随温度的升高而增强,表现出正温度系数特性,可以解决常规磁性材料的磁各向异性随温度的升高而降低,从而导致高频磁性器件在高温下性能下降的问题[Sci. Rep. 4, 6615 , Sci. Rep. 4, 6925 ]。进而,利用柔性衬底的束缚作用提高了磁性薄膜的应力磁各向异性,获得了铁磁共振频率为5.3 GHz,反射损耗为28 dB的高频磁性薄膜[Appl. Phys. Lett. 106, 162405 ]。

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将磁性薄膜生长在柔性衬底上,是制备柔性磁性薄膜的基本方式。研究人员通过对生长在柔性衬底上的磁性薄膜施加应力,系统地研究了应力对磁性金属薄膜中磁各向异性的调控规律。研究发现,柔性磁性薄膜的磁各向异性对单轴应力的响应规律为:对于具有正磁致伸缩系数的材料(例如FeGa、CoFeB等薄膜),其易轴倾向于沿着拉应力方向,难轴倾向于垂直拉应力方向;对于具有负磁致伸缩系数的材料,其易轴倾向于沿着压应力方向,而难轴倾向于垂直压于应力方向(Appl. Phys. Lett. 100, 122407 ; Appl. Phys. Lett. 105, 103504 。

对于自旋阀器件,其磁性自由层的单轴磁各向异性很小,使得磁矩方向容易被外磁场改变,表现出很高的磁场灵敏度。然而对于柔性自旋阀器件,制备过程来自于衬底的应力,以及使用中弯曲或拉伸等形变所产生的应力,都将使柔性自旋阀器件的磁场灵敏度大大降低。最近,该研究团队对比研究了两种在柔性聚二甲基硅氧烷衬底上制备具有表面周期结构的磁性薄膜的方法。直接生长在拉伸PDMS上的磁性薄膜表现出规则的表面褶皱结构以及较弱的磁各向异性;利用非磁性金属预先产生一个表面周期结构,而后沉积的磁性薄膜表现出较强的磁各向异性[Appl. Phys. Lett. 108, 102409 ]。在此研究基础上,利用直接生长在拉伸PDMS上的方法,制备了具有高磁场灵敏度的柔性巨磁电阻自旋阀传感器,通过表面周期结构可以释放纵向拉伸应变,设计表面平行微条带可以释放由泊松效应引入的横向应变,从而显著降低了拉伸应变对磁性层磁各向异性的影响,避免了拉伸应变下金属薄膜的断裂行为,所制备的自旋阀磁传感器在50%的拉伸应变范围内,磁电阻率、磁场灵敏度、样品电阻可以保持稳定不变。[ACS Nano 10, 4403 ]。具有稳定可靠性能的可拉伸磁传感器可以作为电流传感器、位置传感器、角度传感器、齿轮传感器等,集成在柔性智能可穿戴设备中,具有重要的应用前景。

成昭华首先介绍了整个课题组的现状,包括研究的内容、相关的仪器以及团队规模等。报告介绍了利用分子束外延和化学自组装方法制备不同结构的磁性纳米结构,通过衬底修饰调控磁各向异性和颗粒相互作用,实现对磁各向异性和高频特性的调控。报告还介绍了超快自旋流对CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结的超快自旋动力学的研究。成昭华科研团队发现相比平行排列,两层铁磁层磁矩在反平行时,自旋隧道流不但使退磁幅度增加,而且使得超快退磁过程加快了25%。这个发现为隧道结自旋电子学器件的超快退磁和高频应用提供一种新途径。

聚偏氟乙烯是一种具有各向异性热膨胀特性的柔性材料。研究人员将非晶CoFeB磁性薄膜生长在PVDF衬底上,巧妙利用PVDF衬底表现出的各向异性热膨胀特性,对薄膜施加连续变化的单轴应力。通过测量不同应力状态下磁性材料的各向异性磁电阻,并拟合不同磁场、不同应力状态下的各向异性磁电阻曲线,研究人员首次确定非晶CoFeB薄膜磁弹各向异性的应力系数为1.7*新葡萄京官网 2,该结果为定量预测应力对磁性薄膜磁各向异性的调控能力提供了参考(Appl. Phys. Lett. 111, 142403 。

该项目得到国家自然科学基金委员会、中国科学院以及宁波市科技局的项目支持。

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2、探索柔性磁性薄膜磁各向异性的调控方法

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此次报告针对性强,主讲人与学院相关专业的师生进行了深入探讨,气氛活跃。其报告中展示的新方法、新成就对我校相关领域的研究具有极大的借鉴意义。

在实际使用的器件中,常常希望其材料的磁各向异性不随外界环境的改变发生变化。为了保持柔性磁性薄膜在受力条件下磁各向异性的稳定,研究人员在薄膜制备过程中引入预应力的同时施加取向磁场,可以获得具有较强单轴磁各向异性的薄膜。该薄膜在一定拉伸和压缩应变条件下,其磁各向异性可以保持较好的稳定性(Appl. Phys. Lett. 111, 132405 。一般而言,磁性材料的磁各向异性随温度升高是逐渐降低的,而生长在柔性聚偏氟乙烯材料上的磁性薄膜,由于受PVDF各向异性热膨胀的影响,其磁各向异性随温度升高可以获得增强(Sci. Rep. 4, 6615 。通过调控两者之间的平衡,可以为获得磁各向异性随温度保持稳定的磁性薄膜提供解决方案。

图1:采用不同生长过程制备的具有周期性褶皱结构的磁性薄膜

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将磁性薄膜生长在柔性衬底并使之形成周期性褶皱结构,可以对应力进行有效的释放,从而保持薄膜磁各向异性的稳定性。然而,具有褶皱结构的磁性薄膜难以获得较大的磁各向异性,研究人员通过两种方式制备了具有周期褶皱结构的磁性薄膜:一种是在预拉伸状态下沉积缓冲层和磁性金属,然后释放预应力获得褶皱薄膜;另一种是在预拉伸状态下沉积缓冲层后进行应力释放获得周期褶皱结构,然后再在褶皱结构上沉积相应的磁性薄膜。研究人员对比了两种薄膜的磁性质,发现后一种方法制备出来的薄膜表现出更强的磁各向异性(Appl. Phys. Lett. 108, 102409 。

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报告结束后,姜勇为成昭华赠送材料青年科学家论坛纪念牌。

3、制备具有大形变能力的柔性自旋阀器件

图2:具有周期性褶皱结构的平行微条带柔性巨磁电阻自旋阀器件

成昭华,研究员,国家杰出青年基金获得者,中国科学院百人计划获得者。2000-2005年任磁学国家重点实验室常务副主任,2004.6-2009.5任北京凝聚态物理国家实验室磁学研究部主任,2006.1-2009.5任磁学国家重点实验室主任。主持国家科技部973项目、国家自然科学基金重点项目、中国科学院重大设备研制项目等多项。 在Sci. Repot., Phys. Rev. Lett. Nano. Lett., PNAS, Phys. Rev.B, Appl. Phys. Lett.等国际主要学术刊物上发表论文200余篇,发表的论文中被他人引用3000余次。2008-2010任磁学国际专业杂志Journal of Magnetism and Magnetic Materials的编委。

根据应力工程原理,研究人员将PDMS衬底进行预拉伸,然后使用掩模法生长磁性多层膜,获得了具有高磁场灵敏度的柔性自旋阀传感器。该传感器具有周期性褶皱结构,可以有效地将拉伸应力释放到衬底上,从而避免了拉伸应变下金属薄膜的断裂行为,并显著降低了拉伸应变对磁性层磁各向异性的影响。所制备的自旋阀磁传感器具有优异的性能,其磁电阻率达到10%,磁场灵敏度达到0.7%/Oe,并且在50%的拉伸应变范围内,器件的磁电阻率、磁场灵敏度和电阻均可以保持稳定(ACS Nano 10, 4403 。

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图1 应力对柔性磁性薄膜的调控规律示意图

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图2 CoFeB薄膜磁弹各向异性应力系数的测定

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图3 可拉伸自旋阀器件的制备和结构示意图

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图4 Si衬底与柔性PDMS衬底上自旋阀器性能对比

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