柔性磁性薄膜材料与器件研究进展

近年来,随着物联网、仿生机器人、移动式医疗健康等领域的兴起,柔性电子材料和器件受到广泛关注.基于磁性材料构建的传感器和存储器是电子器件的重要组成部分.随着柔性薄膜材料制备技术的发展,人们已经制备出高质量的柔性乃至可拉伸的磁性金属和氧化物薄膜,它们展现的不仅是更强的变形能力,还有新的物理效应与响应规律.研究结果表明,柔性磁电子器件在非接触传感、高灵敏应变探测、超分辨触觉感知等方面展现出独特的优势,具有广阔的应用前景.本文主要从柔性磁性材料的制备、物性调控规律和器件应用方面综述这一新兴领域的发展动态,并对其未来的发展趋势进行展望.

柔性阻变存储器材料研究进展

本文简述了阻变存储器的基本结构、工作原理、发展历程和研究现状,归纳总结了柔性阻变存储器的材料体系,包括介质材料、电极材料和基底材料,以及柔性阻变存储器材料体系的总体趋势和最新研究进展;分析了柔性阻变存储器的性能特点,包括存储性能和力学性能。阐述了发展柔性阻变存储器的重要意义与面临的挑战,提出了该领域现在研究中存在的不足和未来需要进一步研究的方向。得出力学性能稳定的高电导可拉伸电极和存储性能稳定的可拉伸介质是柔性阻变存储器材料今后发展的主要方向。

金属电磁屏蔽材料的研究进展

电磁屏蔽是抑制电磁干扰并实现电磁兼容的重要技术手段.金属材料是目前应用最广泛的电磁屏蔽材料,随着5G通信、物联网、智能消费电子等领域的快速发展,金属材料在电磁屏蔽材料领域的应用趋于轻薄化、宽频化和多功能化,近年来引起广泛关注.本文从金属型和金属氧化物型电磁屏蔽材料的制备、性能及应用等方面,综述了近3年有关金属材料在电磁屏蔽领域的国内外研究进展,重点对材料的成分、电磁屏蔽效能、材料的厚度、适用频率之间的关联性进行分析和介绍,并展望其未来的发展趋势.

过渡金属氧化物中新奇量子态与电荷-自旋互转换研究进展

为了满足信息技术时代下海量数据的高效存储及处理,具有低功耗、非易失性的自旋电子器件受到极大关注.能够高效产生自旋流的自旋源材料是新型自旋-轨道力矩器件的重要组成部分.近二十年来,在探索具有高效产生自旋流的材料体系,以及理解材料相关物理机制两方面都取得了较大的进展.最近,在过渡金属氧化物中涌现出许多与产生自旋流密切相关的新奇量子态,成为自旋源的新兴材料体系被广泛研究.研究结果表明,过渡金属氧化物具有对电子结构高度敏感、显著且灵活可调的电荷-自旋转换效率,具有巨大的应用潜力.本文主要综述了过渡金属氧化物中新奇的电子能带结构及其与电荷-自旋互转换的关联机制,并对未来的发展趋势进行了展望.

SrRuO_(3)薄膜中自旋轨道力矩效率和磁矩翻转的晶向调控

过渡金属氧化物SrRuO_(3)薄膜因具有较大且可调的电荷流-自旋流互转换效率而成为自旋轨道力矩(SOT)器件中备受关注的自旋源材料.然而,目前对SOT效率的调控主要集中在衬底外延应力调节.本文研究了晶体取向对SrRuO_(3)薄膜SOT性能的调控作用.制备了(111)取向SrRuO_(3)/CoPt异质结构,发现其SOT效率高达0.39,自旋霍尔电导达2.19×10^(5)■/(2e)Ω^(–1)·m^(–1),分别较(001)取向提高了86%和369%.此外,在SrRuO_(3)(111)器件中实现了低至2.4×10^(10)A/m^(2)临界电流密度下的电流驱动的垂直磁化翻转,较(001)晶向降低了37%.这些结果表明,晶体取向是显著提升SrRuO_(3)基SOT器件综合性能的有效途径,为发展高效自旋电子器件提供了新思路.

具有条纹磁畴结构的NiFe薄膜的制备与磁各向异性研究

具有条纹磁畴结构的磁性薄膜表现出面内转动磁各向异性,对于解决高频电子器件的方向性问题起着至关重要的作用.本文采用射频磁控溅射的方法,研究了NiFe薄膜的厚度、溅射功率密度、溅射气压等制备工艺参数对条纹磁畴结构、面内静态磁各向异性、面内转动磁各向异性、垂直磁各向异性的影响规律.研究发现,在功率密度15.6 W/cm^2与溅射气压2 mTorr(1 Torr=1.33322×102Pa)下生长的NiFe薄膜,表现出条纹磁畴的临界厚度在250 nm到300 nm之间.厚度为300 nm的薄膜比250 nm薄膜的垂直磁各向异性场增大近一倍,从而磁矩偏离膜面形成条纹磁畴结构,并表现出面内转动磁各向异性.高溅射功率密度可以降低薄膜出现条纹磁畴的临界厚度.在相同功率密度15.6 W/cm^2下生长300 nm的NiFe薄膜,随着溅射气压由2 mTorr增大到9 mTorr,NiFe薄膜的垂直磁各向异性场逐渐由1247.8 Oe(1 Oe=79.5775 A/m)增大到3248.0 Oe,面内转动磁各向异性场由72.5 Oe增大到141.9 Oe,条纹磁畴周期从0.53μm单调减小到0.24μm.NiFe薄膜的断面结构表明柱状晶的形成是表现出条纹磁畴结构的本质原因,高功率密度下低溅射气压有利于柱状晶结构的形成,表现出规整的条纹磁畴结构,高溅射气压会导致柱状晶纤细化,面内转动磁各向异性与面外垂直磁各向异性增强,条纹磁畴结构变得混乱.

真空热处理提高烧结钕铁硼镀Cu层结合力的研究

目的提高烧结钕铁硼表面镀Cu膜层结合力,改善可焊性,进一步制备生物友好的强耐蚀性防护薄膜。方法采用磁控溅射技术在钕铁硼表面制备约7μm厚的Cu膜,研究热处理温度和时间对Cu/NdFeB界面组织、膜基结合力和样品磁性能的影响,选取最优化热处理样品电镀约2μm厚的Sn膜,再于280℃在其表面焊接Au片,评估其可焊性。结果500℃热处理样品的Cu膜与基体间发生了明显扩散,扩散深度及结合力随时间延长而增加。热处理2 h样品的膜基结合力由处理前的11.0 MPa提高至31.5 MPa,膜基分离位置发生在磁体亚表面层,矫顽力、剩磁和最大磁能积等磁性能无显著下降。进一步镀Sn后,在其表面焊接的Au层与Cu膜层基体冶金结合良好,耐腐蚀性能优异。700℃热处理样品的Cu膜与基体间扩散过快,易造成Cu膜消失及钕铁硼基体表面损伤。结论真空热处理温度和时间对Cu/钕铁硼界面组织有根本性影响,通过适宜的热处理可大幅提高磁控溅射的Cu膜与烧结钕铁硼之间的膜基结合力,同时不明显降低磁性能,可采用焊接方法在热处理后的Cu膜表面制备结合力高、长效耐蚀且生物友好的防护薄膜。

具有不同交换偏置方向的外延FeGa/IrMn双层膜的磁各向异性与磁化翻转

采用磁控溅射方法在MgO(001)单晶衬底上制备了交换偏置分别沿着FeGa[100]和[110]方向的FeGa/IrMn外延交换偏置双层膜,研究了交换偏置取向对磁化翻转过程与磁化翻转场的影响.铁磁共振场的角度依赖关系的测量与拟合,表明样品存在不同取向的四重对称磁晶各向异性、单向交换磁各向异性和单轴磁各向异性的叠加.矢量磁光克尔效应测量表明交换偏置沿着[100]方向的样品在不同磁场方向下表现矩形、非对称和单边两步磁滞回线;交换偏置沿着[110]方向的样品在不同磁场方向下表现单边两步和双边两步磁滞回线.考虑不同交换偏置方向的畴壁形核和位移模型,能够很好地解释磁化翻转路径随磁场方向的变化规律和拟合磁化翻转场的角度依赖关系,表明交换偏置方向的改变使得畴壁形核能发生显著变化.

NdFeB表面磁控溅射沉积Ti/Al多层膜的结构及耐腐蚀性能

采用直流磁控溅射技术在烧结NdFeB磁体表面沉积Ti/Al多层膜,并研究其结构及在NaCl溶液中的耐腐蚀性能。在Ti/Al多层膜中,Ti层为密排六方结构,成功打断了Al层(面心立方结构)的柱状晶结构生长。与纯Al膜相比,Ti/Al多层膜具有更致密的表面,且周期数增加,表面越平整致密。动电位极化曲线结果发现,纯Al膜试样的自腐蚀电流密度为1.9×10-5 A/cm-2左右,5周期Ti/Al多层膜试样的自腐蚀电流密度约为1.1×10-7 A/cm2,比纯Al膜小近两个数量级,且随着多层膜周期数的增加,其腐蚀电流密度进一步减小。这些结果表明在快速且破坏性强的腐蚀情况下,Ti/Al多层膜抗腐蚀能力比纯Al膜好,且随着周期数的增加进一步提高。NaCl溶液中长期腐蚀试验时,Ti/Al多层膜的耐腐蚀性能不如纯Al膜,这可能是由Ti层和Al层间形成原电池且多层膜应力较大导致。

非晶合金的磁热效应及磁蓄冷性能

非晶合金的功能物性开发是突破非晶合金应用瓶颈的关键点之一.磁相变是非晶合金的一个重要特征.利用非晶合金的磁相变所带来的独特效应,可以将其应用于制冷领域.一方面非晶合金的磁热效应可以作为磁制冷材料应用于磁制冷机,另一方面非晶合金的比热突变可以作为磁蓄冷材料应用于低温制冷机.本文就非晶合金的磁热效应和磁蓄冷性能的原理、特征及其应用前景进行了详细介绍.

金属玻璃流变的扩展弹性模型

玻璃-液体转变现象,简称玻璃转变,被诺贝尔物理学奖获得者安德森教授评为最深奥与重要的凝聚态物理问题之一.金属玻璃作为典型的非晶态物质,具有与液体相似的无序原子结构,因此又称为冻结了的液态金属,是研究玻璃转变问题的理想模型材料.当加热至玻璃转变温度,或者加载到力学屈服点附近时,金属玻璃将会发生流动.由于热或应力导致的流动现象对金属玻璃的应用具有重要意义.本文简要回顾了金属玻璃流变现象,综述了流变扩展弹性模型的研究进展和未来发展趋势.

磁相变材料的热效应表征

基于磁相变热效应的固态制冷是利用外加场驱动相变产生潜热从而实现制冷的技术.因其环境污染小、理论效率高,被认为是最有希望替代当前主流气体压缩制冷的技术.如何准确高效地表征磁相变材料的热效应是固态制冷研究的关键之一.磁相变材料和固态制冷的研究很大程度上依赖于磁相变热效应的表征技术水平.常规的热电偶、量热仪等热效应测试手段难以满足外场施加时复杂样品环境下磁相变热效应表征和深入研究相变机理的需求.因此新表征技术的引入和新表征设备的研制随着磁相变热效应研究的深入也同步发展.特别是近年来,磁相变热效应的表征已经不囿于单一指标、宏观量的测量,不仅表现出多角度、原位化、微观化的趋势,而且有和高通量、机器学习等新方法相结合的特点.本文将从磁热效应、弹热效应、压热效应等单场热效应和多卡效应等方面综述磁相变热效应表征的研究现状,并探讨磁相变热效应表征的未来发展趋势.

FePt纳米微粒有序化温度的影响因素

通过推广二元合金自由能的模型,研究FePt纳米微粒的形状、尺寸、有序度和成分等因素对其有序化温度的影响。结果表明:相同形状的FePt纳米微粒有序化温度随着尺寸的减小而降低;在一定尺寸下,FePt纳米微粒的有序化温度会随着形状因子的增大而降低,且为球形时有序化温度最高,为正四面体时最低。在形状和尺寸确定时,FePt纳米微粒的有序化温度会随着其初始有序度的增大而降低,也会随着Fe和Pt的摩尔比偏离1:1而降低,且偏离得越多有序化温度就下降得越快。

压应力对FeMnCuSiBNb纳米晶合金磁导率与微结构的影响

采用单辊快淬法制备Fe_(74)Mn_(2)Cu_(1)Si_(13)B_(8)Nb_(2)合金带材,然后制成环形磁芯进行不同形式的退火处理。通过阻抗分析仪、X射线衍射仪(XRD)和磁光克尔显微镜(MOKE)等手段研究了原位压(缩)应力对淬态、常规退火和横向磁场退火态高磁感Fe_(74)Mn_(2)Cu_(1)Si_(13)B_(8)Nb_(2)合金的磁导率、相结构、微观结构与磁畴结构的影响。结果表明,压应力不会改变合金的相结构和微观结构,但对不同样品的磁导率和磁畴结构有着明显的影响。560℃常规和横向磁场退火样品的磁导率对压应力非常敏感,归因于压应力诱发的磁各向异性比0 MPa下的磁各向异性高1个数量级。与磁场退火相比,560℃常规退火样品经原位压缩后磁导率要高,归因于其磁化更容易。

磁控溅射镀铽在烧结钕铁硼中的晶界扩散研究

采用直流磁控溅射法在烧结钕铁硼磁极表面镀覆不同厚度的Tb膜,而后进行加热扩散,研究了扩散对Nd、Tb在磁体内的分布以及磁体性能的影响。结果表明,在剩磁不明显降低的情况下矫顽力有明显的提高。扩散后的样品中主相形成了壳层结构(Nd_(1-x)Tb_x)_2Fe_(14)B,提高了RE2Fe14B的各向异性场; Nd元素存在向表面扩散的行为,Tb随着扩散深度的增加,浓度逐渐降低。

磁控溅射法渗镝对烧结钕铁硼性能及显微结构的影响

采用磁控溅射法在钕铁硼表面沉积一层金属Dy,高温扩散后,Dy扩散进入磁体内部,与磁体中Nd发生置换,形成均匀连续的富Nd相,并在主相晶粒表层区域形成(Nd,Dy)2Fe14B相,扩散深度约为350μm。其中,厚度为10 mm的无Dy磁体和低Dy含量磁体添加1%Dy(质量分数)后,经扩散处理,矫顽力分别提高了52.1%和32.2%。结果表明,经磁控溅射法渗镝,钕铁硼矫顽力显著提高,剩磁无明显降低。