柔性铁电/铁磁复合结构中多重物理场对磁各向异性的调控研究

Manipulation of the magnetic anisotropy accurately during the preparation lays the foundation for the control of the magnetic devices. After the preparation, external fields are used to tune the functionality of the magnetic devices. However, it is difficult to control the magnetic anisotropy accurately during the preparation because of the influences from the change of the temperature. On the other hand, Magnetic fields are used to tune the functionality of the magnetoelectric device, which is slow, bulky, and consumes excess energy, and electric-field or strain field itself is difficult to control the magnetization orientation arbitrarily. The accrate control of the magnetic anisotropy during preparation and manipulation of magnetization orientation by other means are needed intensely. In this project, flexible ferroelectric PVDF substrates will be chosen to prepare flexible ferroelectric/magnetostrictive metal (alloy) structure. By using the advantage of flexibility,anisotropic thermal expansion, ferroelectricity of PVDF, force, temperature and magnetic field will be applied during the preparation to control the magnetic anisotropy. After preparation, force, temperature, electirc-field will be coulped together to control the magnetic anisotropy. Based on the results, the model for the multi-field control of the magnetizaiton orientation will be built according to the coherent rotation and domain wall displacement theory. By optimizing the thickness, scale, dimensionality,shape, etc, we want to control the magnetization orientation arbitrarily by multi-field coupling and lay the foundation for the applications of the multi-flied controlled magnetic devices.

精确控制样品生长时的磁各向异性是实现性能可控的磁电子器件的基础，在此基础上，通过外场动态的调控磁各向异性进而控制磁电子器件的性能。由于衬底温度的影响，样品生长时的磁各向异性往往很难做到精确可控，此外，磁场控制的磁电子器件存在着结构复杂、体积大、功耗高的缺点，而单一的电场、应力场也很难实现对磁化方向的任意调控。实现样品生长时磁各向异性精确的调控及探索样品生长后磁化方向新的控制方式对于未来微型化、低功耗的磁电子器件来说具有重要意义。本项目拟选择柔性铁电PVDF作为衬底，制备磁致伸缩金属（合金），利用PVDF的柔性、大的各向异性热膨胀、铁电性，研究生长时施加的应力、温度、磁场对磁各向异性的调控规律；样品生长后，研究应力、温度、电场对磁各向异性的调控规律；利用多重物理场在三维空间的耦合实现对磁化方向的任意调控，获得最佳的柔性铁电/铁磁复合结构，为新型多重物理场控制的磁电子器件的应用打下基础。

磁场控制磁电子器件存在着结构复杂、体积大、功耗高的缺点，而单一的电场、应力场也很难实现对磁化方向的任意调控。探索磁化方向新的控制方式对于未来微型化、低功耗的磁电子器件来说具有重要意义。本项目选择柔性的铁电聚合物PVDF作为衬底，在其上制备一系列正、负磁致伸缩薄膜，利用铁电PVDF的柔韧性、逆压电效应和大的各向异性热膨胀特性研究力、电、热、磁等多重物理场对磁性、磁矩取向的调控，重点解决多重物理场对磁矩取向的有效调控问题，取得了如下的结果：（1）制备了初始应变不同的系列柔性FeGa/PVDF铁磁/铁电复合薄膜，当应变小于0.06%时（即实际应用时，柔性体系的弯曲半径需大于2.5 cm），施加267 kV/cm的电场能够实现易轴的重取向，这部分结果对于柔性自旋电子器件应用时选择合适的弯曲自由度具有指导意义。（2）通常的磁性材料拥有负的磁各向异性温度系数，对磁性器件的热稳定性不利。在柔性PVDF衬底上制备了磁致伸缩薄膜，当温度升高时，升温产生的单轴应变增加了磁性薄膜在高温时的磁各向异性，获得了正的磁各向异性温度系数，这对于提高磁电子器件的热稳定性具有很大的启发意义。（3）在柔性FeGa/PVDF体系中，通过在面内施加正、负磁场控制FeGa的剩余磁化状态，配合施加电场能够实现FeGa薄膜磁矩的多态调控，当磁场垂直于磁性薄膜时，施加电场能够实现磁矩从面外取向到平面内取向的调控；此外，通过温度循环改变FeGa/PVDF的磁各向异性，用很小的磁场（小于矫顽力）能实现磁化翻转，阐明了其在热辅助磁记录上的应用价值。（4）通过变温可以大大降低磁致伸缩层的初始磁各向异性，进而用较小的电场实现易磁化轴的重取向，热辅助电控制磁使得柔性自旋电子器件获得更大的弯曲自由度成为可能。（5）制备了基于磁致伸缩/PVDF的电感结构温度传感器，当偏置磁场为17 Oe时，温度从15度改变到50度时，由于变温导致磁各向异性变化，进而导致磁导率和阻抗改变，阻抗变化率达到近25%，在高精度人体温度监控领域有潜在的应用价值，可应用到可穿戴器件中。