高磁場靈敏度柔性自旋閥傳感器

寂靜天花板

柔性智能可穿戴設備的快速發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，彎曲或拉伸狀態所產生的應力/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生不利的影響是柔性磁性薄膜與器件發展中所面臨的重要挑戰之一。中科院在此研究基礎上，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研究了應力/應變對柔性磁性薄膜以及柔性交換偏置異質結的磁各向異性的調控規律[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了溫度場和電場共同對磁各向異性的有效調控，其磁各向異性隨溫度的升高而增強，表現出正溫度系數特性，可以解決常規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)]。

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構的磁性薄膜的方法。直接生長在拉伸PDMS上的磁性薄膜表現出規則的表面褶皺結構以及較弱的磁各向異性；利用非磁性金屬預先產生一個表面周期結構，而后沉積的磁性薄膜表現出較強的磁各向異性[Appl. Phys. Lett. 108, 102409 (2016)]。在此研究基礎上，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，通過表面周期結構可以釋放縱向拉伸應變，設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，磁電阻率、磁場靈敏度、樣品電阻可以保持穩定不變。[ACSNano10, 4403 (2016)]。具有穩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備中，具有重要的應用前景。