ACS Nano：通過柔性準二維外延薄膜獲得持續拉力調控CoFe2O4的磁性能

【引言】

由于鐵電材料和鐵磁材料在傳感器等方面有著廣泛應用，對于其物理性能的研究受到廣泛關注。研究表明，外延應變可以改變功能氧化物的性能，如鐵氧體、鐵電體和超導體的轉變溫度。一般來說，施加在薄膜上的力會導致薄膜和襯底的熱失配和晶格失配，外力導致的重結晶和相轉變會引起體積收縮和膨脹。外延應變經常用來作為實現材料應變的主要路線，通過選擇合適的襯底可以調節薄膜的性能。但是，部分應力松弛對性能的影響很難用實驗數據解釋。造成這個問題最主要的原因是很難獲得理想的無缺陷薄膜。在磁性和鐵電氧化物功能薄膜中，隔離其它因素對應力的影響的理想方式是在應變可以靈活調整的狀態下檢測自支撐薄膜。

鐵磁反尖晶石CoFe₂O₄（CFO），由于具有較高的居里溫度、較高的矯頑力（Hc）、較大的飽和磁化強度（Ms）、較強的磁晶各向異性和較大的磁致伸縮特性，在自旋電子器件和多鐵性材料設備中有廣闊的應用前景。此外，CFO顯示出優異的機械和化學穩定性，可以通過濕法腐蝕的方法制備出自支撐薄膜，并可以檢測到不同彎曲狀態下的性能。

【成果簡介】

近日，西安交大劉明教授和西電陸小力教授（共同通訊作者）等人成功地將CoFe₂O₄（CFO）的外延薄膜從SrTiO₃襯底轉移到柔性聚酰亞胺（PI)襯底上，通過彎曲柔性PI薄膜， CFO薄膜可以不受厚度、結晶質量變化和襯底等因素影響而獲得不同的單軸應力，這提供一種研究氧化物材料在不同應力下的性能變化的更加可靠的方法。通過這種方法，研究發現轉移膜的飽和磁化強度和矯頑力隨著彎曲半徑的改變而變化。相關成果以"Flexible Quasi-Two-Dimensional CoFe₂O₄ Epitaxial Thin Films for Continuous Strain Tuning of Magnetic Properties" 為題發表在近期的ACS Nano雜志上。

【圖文導讀】

圖1. 柔性襯底上CFO薄膜

（a） 柔性襯底上CFO薄膜的轉移過程示意圖

（b） 自支撐的CFO薄膜漂浮在水面上

（c） 在PI基底上轉移CFO薄膜

（d） 轉移的CFO薄膜的SEM圖像

（e） 轉移的CFO薄膜的SEM放大圖像

圖2. 在硅和PI上生長的CFO薄膜和轉移的CFO薄膜的XRD

（a） 在用MgO做緩沖層的STO（001）襯底上的CFO薄膜的XRD θ-2θ掃描圖譜

（b） CFO薄膜、MgO緩沖層和STO襯底的?掃描光譜

（c） 在硅和PI襯底上轉移的CFO薄膜的XRD θ-2θ圖譜

（d） 在硅和PI襯底上轉移的CFO薄膜的?掃描測量

圖3. CFO薄膜實驗測量結果

（a） 生長的CFO薄膜搖擺曲線

（b） CFO薄膜轉移在硅襯底上的搖擺曲線

（c） CFO薄膜轉移在PI襯底上的搖擺曲線

（d） CFO / MgO / STO多層膜的橫截面TEM

（e） 硅襯底上的CFO薄膜

（f） CFO / Si異質結構界面的放大TEM圖像

（g） 生長的CFO薄膜的平面內和平面外的M-H磁滯回線

（h） 在室溫下轉移的CFO薄膜的平面內和平面外的M-H磁滯回線

圖4. PI襯底上的轉移CFO薄膜的兩種受力情況

（a） 向外彎曲的拉伸應變的CFO薄膜

（b） 向內彎曲的壓縮應變的CFO薄膜

圖5. 通過VSM測量CFO薄膜的面內M-H磁滯回線

（a） 在不同的向內彎曲應變下測量CFO薄膜的面內M-H磁滯回線

（b） 在沒有彎曲應變測量CFO薄膜的面內M-H磁滯回線

（c） 在不同的向外彎曲應變下測量CFO薄膜的面內M-H磁滯回線

（d） 通過VSM和SQUID連續測量的在不同應變狀態下的Hc和Ms

圖6. 通過VSM測量CFO薄膜的平面外M-H磁滯回線

（a） 在不同向內彎曲應變下測量CFO薄膜的平面外M-H磁滯回線

（b） 在無彎曲應變下測量CFO薄膜的平面外M-H磁滯回線

（c） 在不同向外彎曲應變下測量CFO薄膜的平面外M-H磁滯回線

（d） 通過VSM和SQUID連續測量的在不同應變狀態下的Hc和Ms

圖7. CFO薄膜的雙軸應變

（a） 沉積在剛性基材上CFO薄膜中的雙軸應力

（b） 轉移的CFO薄膜的機械彎曲沿著彎曲方向和垂直于彎曲方向的雙軸應變狀態產生單軸應變

【小結】

研究人員展示了一種能夠將高質量外延磁性氧化膜轉移到柔性襯底上的方法。實驗表明，轉移的CFO薄膜的磁性能在膜轉移后保持良好。外延CFO薄膜的磁性能可以通過彎曲柔性襯底引起可控制的機械應變，使得它們在諸如磁控開關、電子電路、磁電子學、自旋電子學和存儲器等前沿技術中成為有競爭力的替代設備。強應變-各向異性相關性進一步證實了應變在調整氧化物薄膜的磁性能方面有著重要的作用。

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

本文由材料人編輯部實習生江銀珠編譯，材料牛朱曉秀審核，點我加入材料人編輯部。

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