高磁場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)生的應力/應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。中科院在此研究基礎(chǔ)上,，制備了具有高磁場靈敏度的柔性巨磁電阻自旋閥傳感器,。

近年來，中科院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)研究了應力/應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和各向異性熱膨脹特性,，在柔性FeGa/PVDF、CoFeB/PVDF復合薄膜材料中實現(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)],。
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9 F: @/ z' o8 C( M, J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力,，以及使用中彎曲或拉伸等形變所產(chǎn)生的應力，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。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變,，設(shè)計表面平行微條帶可以釋放由泊松效應引入的橫向應變,，從而顯著降低了拉伸應變對磁性層磁各向異性的影響，避免了拉伸應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,。[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,，具有重要的應用前景。