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。

　　近年來，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所磁性材料與器件重點實驗室磁電子材料與器件研究團隊，系統(tǒng)研究了應(yīng)力/應(yīng)變對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)合薄膜材料中實現(xiàn)了溫度場和電場共同對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，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題[Sci. Rep. 4, 6615 (2014), Sci. Rep. 4, 6925 (2014)]。進而，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5.3 GHz，反射損耗為28 dB的高頻磁性薄膜[Appl. Phys. Lett. 106, 162405 (2015)]。

　　對于自旋閥器件，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改變，表現(xiàn)出很高的磁場靈敏度。然而對于柔性自旋閥器件，制備過程來自于襯底的應(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靈敏度大大降低。最近，該研究團隊對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（圖1）。直接生長在拉伸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)生一個表面周期結(jié)構(gòu)，而后沉積的磁性薄膜表現(xiàn)出較強的磁各向異性[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，通過表面周期結(jié)構(gòu)可以釋放縱向拉伸應(yīng)變，設(shè)計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、磁場靈敏度、樣品電阻可以保持穩(wěn)定不變。[ACS Nano 10, 4403 (2016)]（圖2）。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。

　　該項目得到國家自然科學基金委員會、中國科學院以及寧波市科技局的項目支持。

圖1：采用不同生長過程制備的具有周期性褶皺結(jié)構(gòu)的磁性薄膜

圖2：具有周期性褶皺結(jié)構(gòu)的平行微條帶柔性巨磁電阻自旋閥器件