柔性CoFe?O?薄膜的机械应变介导的磁各向异性

《Journal of Alloys and Compounds》：Mechanically Strain-Mediated Magnetic Anisotropy of Flexible CoFe 2O 4 Thin Films

柔性基底上钴铁氧体薄膜的应变调控磁各向异性研究。采用脉冲激光沉积技术在云母基底上制备CoFe?O?薄膜，通过弯曲调节机械应变（-0.25%~0.5%），发现磁各向异性易轴随应变从tensile到compressive变化而由垂直平面转向平面，饱和磁化和剩余磁化强度显著响应应变变化，验证柔性基底平台的可扩展性，为可穿戴电子器件提供新磁体材料。

　　

慧慧·季|文静·霍|行国·高|新阳·张|国伟·周

山西师范大学材料科学与工程学院 & 教育部磁性分子与磁性信息材料重点实验室，中国太原 030006

摘要

操控磁各向异性是提高自旋电子器件材料性能的关键前提。柔性基底所提供的渐进式、连续的机械应变为实现功能性氧化物薄膜的磁各向异性动态调节提供了一种便捷策略——这是实现可适应性和高性能柔性电子产品的关键能力。本文在柔性云母基底上沉积了铁磁CoFe₂O₄薄膜，以研究磁各向异性与弯曲诱导应变之间的关联。结构表征显示，这些薄膜具有高质量的外延生长特性。磁化测量证实，通过调整CoFe₂O₄薄膜的弯曲状态，可以精确调节其磁易轴方向。随着弯曲方式从拉伸变为压缩，CoFe₂O₄薄膜的垂直磁各向异性转变为面内磁各向异性。这种可调节的应变磁行为与在不同应变条件下刚性基底上制备的CoFe₂O₄薄膜的结果一致，验证了我们柔性平台的可扩展性。我们的工作不仅确立了云母支撑的CoFe₂O₄作为柔性磁层的有前途候选材料，还提供了一种通用的应变工程方法，以充分发挥氧化物薄膜在可穿戴电子领域的潜力。

引言

近年来，柔性材料在便携式个人电子设备、生物相容性电子设备和物联网时代展现了广泛的应用前景[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。已经开发了多种方法来制备柔性薄膜[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。一方面，可以在刚性基底上生长的薄膜通过剥离转移技术转移到柔性聚合物基底上。然而，这一过程涉及多个步骤，增加了操作复杂性[6]、[7]、[8]、[9]。另一方面，薄膜也可以直接沉积在柔性有机基底上[10]、[11]。然而，这些有机材料通常具有较低的熔点（低于300°C），这对柔性基底的选择构成了显著限制。幸运的是，云母（KAl₂(Si₃Al)O₁₀(OH)₂）最近已成为柔性器件制造的有希望的候选材料[12]、[13]、[14]。云母具有较高的熔点（超过1200°C），并且当其厚度降至100 μm以下时具有优异的机械柔韧性。此外，大量研究表明，在云母基底上生长的薄膜表现出外延生长和卓越的功能性能，使其成为传统柔性基底的竞争性替代品[8]、[10]、[15]、[16]、[17]、[18]。

功能性氧化物薄膜因其有趣的物理性质（如巨磁阻效应、铁磁性和超导性[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]）而受到广泛关注。将多功能氧化物薄膜集成到柔性云母基底上可以进一步扩展柔性电子产品的应用范围。作为最具商业应用价值的磁性材料之一，钴铁氧体（CoFe₂O₄，CFO）具有较高的居里温度和饱和磁化强度，以及优异的化学稳定性，使其能够在多种磁性器件中得到应用[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。此外，其显著的磁致伸缩效应为研究连续可调机械应变对磁性质的影响提供了理想平台[31]、[32]。值得注意的是，柔性CFO薄膜的磁性与机械应变之间的关联仍存在争议。Pol Salles等人报告称，在机械弯曲作用下，CFO薄膜的磁化强度有所增强[33]、[34]。相反，Liu等人观察到在类似机械刺激下，CFO/云母异质结构的磁性能有所下降[35]。还有一些研究指出，CFO薄膜的磁性质基本上对机械弯曲具有抗性[36]、[37]、[38]，这与我们的研究结果不同。在本研究中，使用脉冲激光沉积技术在柔性云母基底上沉积了高质量的CFO薄膜。磁测量结果显示，CFO薄膜的磁各向异性强烈依赖于云母基底弯曲所引起的机械应变：当应变从拉伸变为压缩时，磁易轴从垂直于表面转变为平行于表面。此外，剩磁和饱和磁化强度也明显依赖于弯曲应变。我们的研究表明，基于云母支撑的CFO薄膜的柔性磁器件在应变传感器应用中具有巨大潜力。

章节片段

CFO薄膜的生长

云母（通常称为氟云母）通常具有由范德华力维持的二维层状结构。因此，在沉积之前，使用锋利的刀片将云母从块状材料中剥离成几微米（40 μm）的厚度，从而提高其柔韧性。然后使用脉冲激光沉积设备在（001）云母基底上沉积目标厚度的CFO薄膜（50 nm）。生长条件如下：

结果与讨论

一般来说，云母基底的准二维层状结构呈单斜晶系[12]、[13]。相比之下，尖晶石铁氧体CFO薄膜由CoO₄四面体和FeO₆八面体组成（图1(a)所示示意图）[38]。有趣的是，云母基底和CFO在表面结构上具有相似的伪六方晶格。相应地，它们的倒易空间具有6重对称性[36]，这使得高质量CFO薄膜能够在云母基底上实现外延生长。

结论

总之，高质量的CFO薄膜是通过脉冲激光沉积（PLD）方法在柔性云母基底上外延生长的。XRD和原子力显微镜（AFM）表征显示，柔性CFO薄膜呈[111]方向排列，并具有光滑的表面形态。通过施加不同的机械应变，可以调节柔性CFO薄膜的磁各向异性。在未弯曲状态下，柔性CFO薄膜倾向于沿IP和OP方向呈现磁各向同性。值得注意的是，磁各向异性可以通过

作者贡献声明

慧慧·季：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，实验研究，资金获取。文静·霍：撰写 – 原稿，数据分析，概念构思。行国·高：数据可视化，资源准备，方法设计，实验研究。新阳·张：资源准备，方法设计，实验研究。国伟·周：数据管理，撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52471203、12174237、52171183、52501309和52401240）、山西省基础研究计划（202403021222238、202303021221152）、山西省1331工程计划以及山西省科技合作与交流专项项目（202404041101030）的支持。

补充材料

补充材料可在RHEED网站免费获取，包括-0.25%应变下柔性CFO薄膜的磁滞回线数据。