高磁場(chǎng)靈敏度柔性自旋閥傳感器

寂靜天花板

柔性智能可穿戴設(shè)備的快速發(fā)展提出了磁電功能器件柔性化的要求。由于磁性材料的逆磁致伸縮特性，彎曲或拉伸狀態(tài)所產(chǎn)生的應(yīng)力/應(yīng)變會(huì)改變磁性薄膜的磁各向異性，從而影響磁性器件的性能。如何避免應(yīng)力磁各向異性對(duì)柔性磁性器件性能產(chǎn)生不利的影響是柔性磁性薄膜與器件發(fā)展中所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。中科院在此研究基礎(chǔ)上，制備了具有高磁場(chǎng)靈敏度的柔性巨磁電阻自旋閥傳感器。

近年來(lái)，中科院磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室磁電子材料與器件研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了應(yīng)力/應(yīng)變對(duì)柔性磁性薄膜以及柔性交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁各向異性的調(diào)控規(guī)律[Appl. Phys. Lett. 100, 122407 (2012)，Appl. Phys. Lett. 102, 022412 (2013)，Appl. Phys. Lett. 105, 103504 (2014)]。利用柔性聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)和各向異性熱膨脹特性，在柔性FeGa/PVDF、CoFeB/PVDF復(fù)合薄膜材料中實(shí)現(xiàn)了溫度場(chǎng)和電場(chǎng)共同對(duì)磁各向異性的有效調(diào)控，其磁各向異性隨溫度的升高而增強(qiáng)，表現(xiàn)出正溫度系數(shù)特性，可以解決常規(guī)磁性材料的磁各向異性隨溫度的升高而降低，從而導(dǎo)致高頻磁性器件在高溫下性能下降的問(wèn)題[Sci. Rep. 4, 6615 (2014), Sci. Rep. 4, 6925 (2014)]。進(jìn)而，利用柔性襯底的束縛作用提高了磁性薄膜的應(yīng)力磁各向異性，獲得了鐵磁共振頻率為5.3GHz，反射損耗為28dB的高頻磁性薄膜[Appl. Phys. Lett. 106, 162405 (2015)]。

對(duì)于自旋閥器件，其磁性自由層的單軸磁各向異性很小，使得磁矩方向容易被外磁場(chǎng)改變，表現(xiàn)出很高的磁場(chǎng)靈敏度。然而對(duì)于柔性自旋閥器件，制備過(guò)程來(lái)自于襯底的應(yīng)力，以及使用中彎曲或拉伸等形變所產(chǎn)生的應(yīng)力，都將使柔性自旋閥器件的磁場(chǎng)靈敏度大大降低。最近，該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比研究了兩種在柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）襯底上制備具有表面周期結(jié)構(gòu)的磁性薄膜的方法。直接生長(zhǎng)在拉伸PDMS上的磁性薄膜表現(xiàn)出規(guī)則的表面褶皺結(jié)構(gòu)以及較弱的磁各向異性；利用非磁性金屬預(yù)先產(chǎn)生一個(gè)表面周期結(jié)構(gòu)，而后沉積的磁性薄膜表現(xiàn)出較強(qiáng)的磁各向異性[Appl. Phys. Lett. 108, 102409 (2016)]。在此研究基礎(chǔ)上，利用直接生長(zhǎng)在拉伸PDMS上的方法，制備了具有高磁場(chǎng)靈敏度的柔性巨磁電阻自旋閥傳感器，通過(guò)表面周期結(jié)構(gòu)可以釋放縱向拉伸應(yīng)變，設(shè)計(jì)表面平行微條帶可以釋放由泊松效應(yīng)引入的橫向應(yīng)變，從而顯著降低了拉伸應(yīng)變對(duì)磁性層磁各向異性的影響，避免了拉伸應(yīng)變下金屬薄膜的斷裂行為，所制備的自旋閥磁傳感器在50%的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，磁電阻率、磁場(chǎng)靈敏度、樣品電阻可以保持穩(wěn)定不變。[ACSNano10, 4403 (2016)]。具有穩(wěn)定可靠性能的可拉伸磁傳感器可以作為電流傳感器、位置傳感器、角度傳感器、齒輪傳感器等，集成在柔性智能可穿戴設(shè)備中，具有重要的應(yīng)用前景。
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