近年來，随著(zhe)可穿戴智能(néng)設備、可植入式醫療設備、非平面(miàn)物件無損檢測等領域的快速發(fā)展，基于磁性薄膜的柔性磁電子器件受到各國(guó)科研人員的廣泛關注。在柔性襯底上制備磁性薄膜并研究其磁電特性，是發(fā)展柔性磁電子器件的重要基礎。柔性磁性薄膜與器件的發(fā)展所面(miàn)臨的主要挑戰包括：如何在柔性襯底上制備出性能(néng)可以與Si基磁性薄膜與器件媲美的柔性磁性薄膜與器件；如何使柔性磁性薄膜與器件在彎曲、拉伸等形變狀态下保持性能(néng)穩定；如何利用柔性襯底的自身特性提高柔性磁性薄膜與器件的性能(néng)。這(zhè)些問題産生的主要原因是由于柔性襯底粗糙度大，會降低薄膜質量；更重要的是，柔性薄膜易發(fā)生形變，導緻磁性材料的磁彈各向(xiàng)異性在形變時可能(néng)發(fā)生變化，使得柔性磁性薄膜與器件的性能(néng)在制備與使用過(guò)程中容易發(fā)生改變。我們知道(dào)，磁各向(xiàng)異性是磁性材料的重要内秉參量之一，不僅決定著(zhe)磁性材料的磁矩取向(xiàng)和矯頑力，也會影響到磁性器件的工作頻率乃至功耗。因此，解決這(zhè)些問題需要通過(guò)有效地控制柔性磁性薄膜的磁彈各向(xiàng)異性來實現。

　　應力對(duì)柔性磁性薄膜的調控規律

　　通過(guò)多種(zhǒng)應力施加方式(例如彎曲生長(cháng)、原位應力施加、襯底各向(xiàng)異性熱膨脹、柔性鐵電襯底的逆壓電效應等)對(duì)柔性磁性薄膜進(jìn)行應力施加，系統研究了應力對(duì)磁性金屬薄膜中磁各向(xiàng)異性的調控規律，發(fā)現柔性磁性薄膜的對(duì)應力的響應與塊體磁性材料相似：對(duì)于具有正磁緻伸縮系數的材料(例如FeGa、CoFeB等薄膜)，其易軸傾向(xiàng)于沿著(zhe)拉應力方向(xiàng)；對(duì)于具有負磁緻伸縮系數的材料(例如Ni薄膜)，其易軸傾向(xiàng)于沿著(zhe)壓應力方向(xiàng)。我們發(fā)現，PVDF柔性襯底随著(zhe)溫度變化會表現出各向(xiàng)異性熱膨脹，可以用來對(duì)薄膜施加連續變化的單軸應力。利用PVDF柔性襯底對(duì)非晶CoFeB磁性薄膜施加連續變化的應力，通過(guò)測量不同應力狀态下磁性材料的各向(xiàng)異性磁電阻，并拟合不同磁場、不同應力狀态下的各向(xiàng)異性磁電阻曲線，研究人員首次确定非晶CoFeB薄膜磁彈各向(xiàng)異性的應力系數爲。該結果爲定量預測應力對(duì)磁性薄膜各向(xiàng)異性調控的程度提供了參考。

　　設計具有特殊性能(néng)的柔性磁性薄膜結構

　　通過(guò)選取具有各向(xiàng)異性熱膨脹特性的聚偏氟乙烯(PVDF)材料作爲襯底，利用應力對(duì)磁性薄膜中磁各向(xiàng)異性的有效調控，設計并制備了一類具有正溫度系數磁各向(xiàng)異性的磁性複合薄膜材料。該方法可用于解決常規磁性材料的磁各向(xiàng)異性随溫度的升高而降低的問題。

　　通過(guò)彎曲和施加磁場在磁性薄膜中預先誘導出一個較強的單軸磁各向(xiàng)異性，使得薄膜在随後(hòu)彎曲變形過(guò)程中，其磁各向(xiàng)異性可以在一定應變範圍内保持方向(xiàng)不變，從而提高了磁性薄膜在外加應變環境下磁各向(xiàng)異性的穩定性。

　　在具有褶皺結構的磁性薄膜中，爲了提高薄膜的磁各向(xiàng)異性，通過(guò)對(duì)比研究了兩(liǎng)種(zhǒng)在柔性聚二甲基矽氧烷(PDMS)襯底上制備具有表面(miàn)周期結構的磁性薄膜的方法，獲得了在利用非磁性金屬預先形成(chéng)一個表面(miàn)周期結構後(hòu)再沉積的磁性薄膜表現出較強的磁各向(xiàng)異性。

　　制備可拉伸柔性自旋閥器件

　　利用直接生長(cháng)在拉伸PDMS上的方法，制備了具有高磁場靈敏度的柔性巨磁電阻自旋閥傳感器，通過(guò)表面(miàn)周期結構可以釋放縱向(xiàng)拉伸應變，設計表面(miàn)平行微條帶可以釋放由泊松效應引入的橫向(xiàng)應變，從而顯著降低了拉伸應變對(duì)磁性層磁各向(xiàng)異性的影響，也避免了拉伸應變下金屬薄膜的斷裂行爲，所制備的自旋閥磁傳感器在50%的拉伸應變範圍内，磁電阻率、磁場靈敏度、樣(yàng)品電阻可以保持穩定。具有穩定可靠性能(néng)的可拉伸磁傳感器可以作爲電流傳感器、位置傳感器、角度傳感器、齒輪傳感器等，集成(chéng)在柔性智能(néng)可穿戴設備中，具有重要的應用前景。

圖1 應力對(duì)柔性磁性薄膜的調控規律示意圖

圖2 CoFeB薄膜磁彈各向(xiàng)異性應力系數的測定

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(néng)對(duì)比

　　（磁材事(shì)業部 王保敏 謝亞麗 楊華禮 李潤偉）