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柔性磁性薄膜与器件以其独特的柔韧性、延展性、高效低成本制造工艺,在信息、传感等领域具有重要的应用前景。当柔性磁性薄膜与器件应用在非平面表面,产生弯曲、拉伸等形变时,薄膜受到来自衬底的应力,利用磁致伸缩的逆效应,可以通过外加应力对磁致伸缩材料的磁电性质进行调控。由于柔性衬底中的应力不均匀性,使得应力对柔性磁性薄膜磁电性质的调控有别于以往研究刚性薄膜所获得的规律。本文选用磁致伸缩Fe81Ga19合金,研究了应力对磁致伸缩Fe81Ga19薄膜单轴磁各向异性的调控,并通过磁力显微镜研究了应力与磁场作用下Fe81Ga19薄膜的磁畴变化的规律,主要研究结果如下:
(一)我们将磁致伸缩薄膜沉积在弯曲的柔性衬底上,当衬底恢复平整后,薄膜中存在的内应力诱导出单轴磁各向异性。沿难磁化方向,矩形比随着内应力的增大而减小,但易磁化方向的矩形比不随内应力变化。在易磁化方向,矫顽力随着内应力的增加而增大,而难磁化方向,不同程度应变下的Fe81Ga19薄膜矫顽力基本相等。实验表明通过应力生长可以在薄膜特定方向上引入单轴磁各向异性,从而控制薄膜的磁学特性。
(二)我们利用弯曲应变分别在难、易磁化轴方向施加张应力和压应力对柔性磁致伸缩Fe81Ga19薄膜中的单轴磁各向异性进行了应力调控。通过对薄膜在不同程度张应力和压应力下磁滞回线的测试,结果发现,矩形比Mr/Ms随着压/张应力的增大而增大/减小,薄膜的难轴和易轴可以在应力的作用下相互转化。结合Stoner-Wohlfarth模型,并考虑单轴各向异性的角分布,对应力作用下的柔性Fe81Ga19薄膜的单轴磁各向异性的变化进行了理论模拟,我们计算了不同应力能作用下的磁滞回线矩形比的变化,发现应力能与薄膜中单轴磁各向异性的相互竞争以及单轴磁各向异性能的角分布是实现应力调控磁各向异性的关键因素。
(三)利用磁力显微镜对应力和磁场作用下Fe81Ga19薄膜的条纹畴的变化情况进行了研究。通过观察不同厚度情况下薄膜的条纹畴,发现Fe81Ga19薄膜出现条纹畴的临界尺寸在150 nm左右,与理论计算值吻合得很好。张应变为0.16%时,薄膜的条纹畴转动到与张应力方向平行排列,当张应变增大到0.6%时,条纹畴完全消失,说明薄膜的面外各向异性在减弱;压应力作用下,条纹畴的排列方向与压应力方向垂直,而且磁畴的明暗对比度增加,说明薄膜的面外各向异性在增强。通过在垂直条纹畴方向施加面内磁场,发现随着磁化磁场的增大,剩磁态下的条纹畴转到施加磁场方向,同时条纹畴的周期也从0.30降低到0.23μm。
(四)在前三章研究进展的基础上,我们制备了基于Fe81Ga19薄膜的自旋阀巨磁阻多层膜,通过磁性能测试,在多层薄膜中实现了磁场可控的铁磁层平行排列和反平行排列,为制备基于柔性磁致伸缩薄膜Fe81Ga19的应力敏感磁电子器件打下了基础。