Advanced Functional Materials: 高度柔性的自支撑单晶磁性薄膜

具有高度柔性和大扭曲自由度的磁性薄膜对诸如生物传感器、软体机器人、人工神经界面等柔性电子应用至关重要。具有反尖晶石结构的Fe3O4凭借其良好的磁性、高居里温度、100%自旋极化率、优异导电性和生物相容性等优点,在柔性电子器件领域具有广泛的应用潜力。目前,实现高质量的柔性Fe3O4单晶仍面临挑战,而生长无衬底约束的自支撑薄膜为实现Fe3O4单晶的柔性化提供了契机。

(a)柔性自支撑Fe3O4磁性薄膜制备流程图; (b)弯曲状态下的PDMS/ Fe3O4样品;(c) Sr3Al2O6/Fe3O4界面及Fe3O4层的高分辨TEM图。

中国科学院深圳先进技术研究院李江宇研究员、钟高阔副研究员,联合北京大学高鹏教授课题组和湘潭大学谢淑红教授课题组在柔性自支撑单晶磁性薄膜领域取得进展。他们利用水溶性材料Sr3Al2O6(SAO)作为牺牲层,基于脉冲激光沉积工艺(PLD)在SrTiO3(STO)基底上制备出STO/SAO/Fe3O4异质结构,通过将STO/SAO/Fe3O4样品浸入去离子水中获得了自支撑的Fe3O4单晶薄膜。通过X射线衍射、倒易空间衍射、X射线光电子谱、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜等实验证实STO/SAO/Fe3O4薄膜为高质量的外延异质结,其层间外延关系为STO[001]//SAO[001]//Fe3O4[111],而溶解SAO牺牲层后获得的自支撑Fe3O4薄膜同样为单晶结构,其结构并未受到牺牲层溶解的影响。随后,利用宏观磁滞回线(M-H)观察到Fe3O4薄膜的饱和磁化为570 emu/cm−3,面内矫顽场和剩余磁化分别为250 Oe、215 emu/cm−3,面外矫顽场和剩余磁化分别为530 Oe、80 emu/cm−3,其易磁化轴沿面内方向。同时借助介观磁力显微镜(MFM)和微观洛伦兹透射电子显微镜等工具进一步证实了Fe3O4薄膜的室温磁性能。此外,利用聚焦离子束技术将自支撑Fe3O4薄膜切成条带状,通过钨探针对其进行弯曲和扭转实验,结果显示自支撑Fe3O4薄膜的弯曲半径可以小至7.18 mm,扭转角可达122o,并能够完好地回复到初始状态,证实自支撑Fe3O4薄膜具有优异的机械柔性。最后将样品置于大的弯曲变形下,利用M-H和MFM实验发现自支撑Fe3O4薄膜能够保持稳定的磁性能。这项工作为磁性材料柔性化提供了一个可行的解决方案,可广泛应用于各种柔性磁材料的制备,有助于推动微纳功能器件的柔性化发展。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials(doi.org/10.1002/adfm.202003495)上。