CoFeMnSi柔性薄膜磁性及输运特性的研究

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可穿戴柔性电子元器件在传感、显示、医疗、存储等领域具有重要的应用前景,其核心之一为当中的磁性元器件。因而研究磁性材料的柔性化即在弯曲环境或应力/应变状态下的物理性能变化具有重要的意义。作为传感元器件,我们期望其物理性能对应力/应变状态敏感度高;而作为存储、显示等元器件,我们又期望其性能具有很好的稳定性。因此,本论文选择Heusler自旋零带隙半导体(SGS)CoFeMnSi磁性合金为研究对象,采用磁控溅射技术制备CoFeMnSi柔性薄膜,在掌握本征特性基础上,实现应力/应变对薄膜磁性及输运特性的调控。随后针对减弱柔性薄膜磁性对应力/应变的敏感性,通过插入二维层状材料获得对应变不敏感的Ti3C2/CoFeMnSi薄膜结构,并分析其内在的物理规律。具体内容如下:首先选用兼具表面粗糙度小、耐高温等优点的氟金云母(F-mica)为衬底,制备具有部分有序L21结构的300℃退火态F-mica/CoFeMnSi多晶薄膜。本征特性研究表明:利用布洛赫定律拟合得出10 nm薄膜在0 K温度下Ms约为3.5μB,80-300 K温区内呈类半导体输运特性;300 K时电导率σxx和载流子浓度ni的测试值证实了自旋零带隙半导体特性。此后通过机械剥离衬底获得柔性薄膜以探究拉伸应变对薄膜物理特性的影响规律。弯曲输运特性结果表明:拉伸应变显著改变薄膜能带结构和矫顽力(Hc),10 nm薄膜弯曲后在225 K时出现类半导体-金属转变点。在最大的弯曲程度下(1%拉伸应变),其Hc增量可高达440%。随后基于上述柔性薄膜获取方法的特殊性及局限性,选用广泛应用的铝箔(AF)作为衬底制备同样结构薄膜,系统探究拉伸应变以及压缩应变对薄膜磁性的影响规律。弯曲磁特性结果表明:弯曲同样使得Hc增大,同时薄膜的磁各向异性发生变化,即拉伸应变使得薄膜面内磁化更难饱和,而压缩应变使得薄膜面内磁化更容易饱和。300℃退火态AF/CoFeMnSi(10 nm)薄膜面内剩磁比(Mr/Ms)可以由0.67(初始平膜状态)调谐为0.46(0.5%拉伸应变)和0.91(0.5%压缩应变)。当薄膜弯曲后再次展平时,部分残余应力对畴壁位移产生阻碍作用,表现为经弯曲后再次进行平膜测试的曲线不能与初始曲线完全重合。基于上述对柔性薄膜磁性的理解,通过在金属铝箔表面涂覆二维层状Ti3C2缓冲层制备AF/Ti3C2/CoFeMnSi磁性薄膜结构,显著降低了薄膜磁性对应力/应变的敏感度,且弯曲后残余应力的影响也明显降低。弯曲实验结果表明:300℃退火态AF/Ti3C2/CoFeMnSi薄膜在应力/应变状态下Hc基本保持不变,Mr/Ms增减趋势变缓,其十次弯曲后性能稳定。
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