研究揭示柔性磁性薄膜在复杂应变下的调控新机制
科技研习社
研究揭示柔性磁性薄膜在复杂应变下的调控新机制
柔性磁传感器融合了柔性电子器件的可变形特性与磁传感器的非接触、矢量探测能力，广泛应用于可穿戴设备与柔性电子系统。然而，其在制备与运行过程中常因受应变影响，导致磁性能的稳定性下降。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究团队此前通过弯曲基底、机械拉伸及各向异性热膨胀等手段，实现了对柔性磁性薄膜中均匀应变的精确调控。这一研究深入揭示了应变如何影响柔性铁磁薄膜及交换偏置异质结的磁各向异性，并通过多场耦合生长和界面调制等策略，显著提升了柔性磁性薄膜在应变条件下的性能稳定性。在此基础上，团队将研究进一步拓展至复杂应变对磁性薄膜的调控机制。
研究人员以具有磁斯格明子结构的Pt/Co/Ta多层膜为研究对象，选用预拉伸的弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为基底，结合磁控溅射工艺，利用薄膜与基底之间的模量差异，在释放预应变后成功构建出具有微褶皱结构的Pt/Co/Ta薄膜，并在其中引入非均匀应变分布。
通过磁力显微镜（MFM）观测发现，不同外加磁场下，斯格明子的密度与尺寸呈现出显著的空间非均匀性，并在褶皱波峰两侧表现出不对称分布特征。具体而言，在负应变梯度区域，斯格明子更加稳定，密度更高，尺寸更大；而在正应变梯度区域则呈现出相反的趋势。通过调控面内应变梯度，斯格明子密度可在1 μm-2至13 μm-2范围内连续变化，尺寸调控范围可达85 nm至133 nm，优于均匀应变所实现的调控效果。
微磁学模拟表明，应变梯度通过破坏局部反演对称性，有效调控了界面处的磁相互作用。这种调控机制具有良好的可逆性与循环稳定性，即使经过多次拉伸—释放循环，仍能保持性能一致。此外，该方法具备良好的通用性，可拓展至其他类型的铁磁多层膜体系。
该成果为深入理解复杂应变对磁敏材料性能的影响机制提供了理论基础，同时也为设计具有优异应变稳定性的柔性磁传感器开辟了新路径。
相关研究成果发表于国际权威期刊《先进材料》（Advanced Materials），研究工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。
褶皱Pt/Co/Ta多层膜的制备、形貌、磁性表征与应变分布
磁斯格明子密度、尺寸的不对称分布与可逆性调控
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