ACS Nano：通过柔性准二维外延薄膜获得持续拉力调控CoFe2O4的磁性能

【引言】

由于铁电材料和铁磁材料在传感器等方面有着广泛应用，对于其物理性能的研究受到广泛关注。研究表明，外延应变可以改变功能氧化物的性能，如铁氧体、铁电体和超导体的转变温度。一般来说，施加在薄膜上的力会导致薄膜和衬底的热失配和晶格失配，外力导致的重结晶和相转变会引起体积收缩和膨胀。外延应变经常用来作为实现材料应变的主要路线，通过选择合适的衬底可以调节薄膜的性能。但是，部分应力松弛对性能的影响很难用实验数据解释。造成这个问题最主要的原因是很难获得理想的无缺陷薄膜。在磁性和铁电氧化物功能薄膜中，隔离其它因素对应力的影响的理想方式是在应变可以灵活调整的状态下检测自支撑薄膜。

铁磁反尖晶石CoFe₂O₄（CFO），由于具有较高的居里温度、较高的矫顽力（Hc）、较大的饱和磁化强度（Ms）、较强的磁晶各向异性和较大的磁致伸缩特性，在自旋电子器件和多铁性材料设备中有广阔的应用前景。此外，CFO显示出优异的机械和化学稳定性，可以通过湿法腐蚀的方法制备出自支撑薄膜，并可以检测到不同弯曲状态下的性能。

【成果简介】

近日，西安交大刘明教授和西电陆小力教授（共同通讯作者）等人成功地将CoFe₂O₄（CFO）的外延薄膜从SrTiO₃衬底转移到柔性聚酰亚胺（PI)衬底上，通过弯曲柔性PI薄膜， CFO薄膜可以不受厚度、结晶质量变化和衬底等因素影响而获得不同的单轴应力，这提供一种研究氧化物材料在不同应力下的性能变化的更加可靠的方法。通过这种方法，研究发现转移膜的饱和磁化强度和矫顽力随着弯曲半径的改变而变化。相关成果以"Flexible Quasi-Two-Dimensional CoFe₂O₄ Epitaxial Thin Films for Continuous Strain Tuning of Magnetic Properties" 为题发表在近期的ACS Nano杂志上。

【图文导读】

图1. 柔性衬底上CFO薄膜

（a） 柔性衬底上CFO薄膜的转移过程示意图

（b） 自支撑的CFO薄膜漂浮在水面上

（c） 在PI基底上转移CFO薄膜

（d） 转移的CFO薄膜的SEM图像

（e） 转移的CFO薄膜的SEM放大图像

图2. 在硅和PI上生长的CFO薄膜和转移的CFO薄膜的XRD

（a） 在用MgO做缓冲层的STO（001）衬底上的CFO薄膜的XRD θ-2θ扫描图谱

（b） CFO薄膜、MgO缓冲层和STO衬底的ϕ扫描光谱

（c） 在硅和PI衬底上转移的CFO薄膜的XRD θ-2θ图谱

（d） 在硅和PI衬底上转移的CFO薄膜的ϕ扫描测量

图3. CFO薄膜实验测量结果

（a） 生长的CFO薄膜摇摆曲线

（b） CFO薄膜转移在硅衬底上的摇摆曲线

（c） CFO薄膜转移在PI衬底上的摇摆曲线

（d） CFO / MgO / STO多层膜的横截面TEM

（e） 硅衬底上的CFO薄膜

（f） CFO / Si异质结构界面的放大TEM图像

（g） 生长的CFO薄膜的平面内和平面外的M-H磁滞回线

（h） 在室温下转移的CFO薄膜的平面内和平面外的M-H磁滞回线

图4. PI衬底上的转移CFO薄膜的两种受力情况

（a） 向外弯曲的拉伸应变的CFO薄膜

（b） 向内弯曲的压缩应变的CFO薄膜

图5. 通过VSM测量CFO薄膜的面内M-H磁滞回线

（a） 在不同的向内弯曲应变下测量CFO薄膜的面内M-H磁滞回线

（b） 在没有弯曲应变测量CFO薄膜的面内M-H磁滞回线

（c） 在不同的向外弯曲应变下测量CFO薄膜的面内M-H磁滞回线

（d） 通过VSM和SQUID连续测量的在不同应变状态下的Hc和Ms

图6. 通过VSM测量CFO薄膜的平面外M-H磁滞回线

（a） 在不同向内弯曲应变下测量CFO薄膜的平面外M-H磁滞回线

（b） 在无弯曲应变下测量CFO薄膜的平面外M-H磁滞回线

（c） 在不同向外弯曲应变下测量CFO薄膜的平面外M-H磁滞回线

（d） 通过VSM和SQUID连续测量的在不同应变状态下的Hc和Ms

图7. CFO薄膜的双轴应变

（a） 沉积在刚性基材上CFO薄膜中的双轴应力

（b） 转移的CFO薄膜的机械弯曲沿着弯曲方向和垂直于弯曲方向的双轴应变状态产生单轴应变

【小结】

研究人员展示了一种能够将高质量外延磁性氧化膜转移到柔性衬底上的方法。实验表明，转移的CFO薄膜的磁性能在膜转移后保持良好。外延CFO薄膜的磁性能可以通过弯曲柔性衬底引起可控制的机械应变，使得它们在诸如磁控开关、电子电路、磁电子学、自旋电子学和存储器等前沿技术中成为有竞争力的替代设备。强应变-各向异性相关性进一步证实了应变在调整氧化物薄膜的磁性能方面有着重要的作用。

文献链接：Flexible Quasi-Two-Dimensional CoFe₂O₄ Epitaxial Thin Films for Continuous Strain Tuning of Magnetic Properties （ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b02637）

本文由材料人编辑部实习生江银珠编译，材料牛朱晓秀审核，点我加入材料人编辑部。

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