應(yīng)變調(diào)控對典型磁性金屬及過渡金屬氧化物薄膜結(jié)構(gòu)與電磁性能的影響研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代科技迅猛發(fā)展的浪潮中，磁性金屬及過渡金屬氧化物薄膜憑借其獨特且優(yōu)異的物理性質(zhì)，在眾多關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的重要作用，已然成為材料科學(xué)與凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究焦點。從信息技術(shù)領(lǐng)域來看，隨著數(shù)據(jù)存儲需求呈指數(shù)級增長，對存儲密度和讀寫速度的要求愈發(fā)嚴苛。磁性金屬薄膜，如Fe、Co、Ni及其合金薄膜，以其高飽和磁化強度和良好的磁穩(wěn)定性，成為磁存儲介質(zhì)的核心材料。在硬盤驅(qū)動器中，磁性金屬薄膜作為記錄層，通過微小的磁疇取向變化來存儲二進制信息，推動著存儲密度不斷攀升，從早期的幾十GB發(fā)展到如今的數(shù)TB。而過渡金屬氧化物薄膜，像具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳氧化物（如LaMnO?、La?/?Sr?/?MnO?等），因其具備巨磁電阻效應(yīng)（GMR）和龐磁電阻效應(yīng)（CMR），為磁傳感器和自旋電子學(xué)器件的發(fā)展開辟了新路徑。這些效應(yīng)使得材料的電阻在磁場作用下發(fā)生顯著變化，基于此原理制備的磁傳感器，可實現(xiàn)對微弱磁場的高精度檢測，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。在自旋電子學(xué)器件中，利用電子的自旋屬性進行信息存儲和處理，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的物理極限，實現(xiàn)更高性能的計算和存儲。在能源領(lǐng)域，過渡金屬氧化物薄膜展現(xiàn)出卓越的應(yīng)用潛力。以氧化物催化劑薄膜為例，在電催化分解水制氫過程中，RuO?、IrO?等貴金屬氧化物薄膜表現(xiàn)出高催化活性和穩(wěn)定性，能夠有效降低析氧反應(yīng)（OER）和析氫反應(yīng)（HER）的過電位，提高能源轉(zhuǎn)換效率。在燃料電池中，過渡金屬氧化物薄膜作為電極材料或電解質(zhì)，可促進電極反應(yīng)的進行，提升電池的輸出性能和耐久性，為解決能源危機和環(huán)境污染問題提供了可行方案。在通信領(lǐng)域，隨著5G乃至未來6G通信技術(shù)的發(fā)展，對高頻、高效的通信器件需求迫切。磁性金屬及過渡金屬氧化物薄膜制成的薄膜電感、薄膜變壓器等無源器件，在射頻電路中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們能夠?qū)崿F(xiàn)信號的濾波、匹配和功率傳輸，確保通信信號的穩(wěn)定和高效傳輸。同時，基于磁性薄膜的磁電耦合效應(yīng)，可開發(fā)新型的磁電傳感器和換能器，應(yīng)用于通信系統(tǒng)中的信號檢測和轉(zhuǎn)換，進一步拓展通信技術(shù)的應(yīng)用范圍。然而，這些薄膜材料的性能在很大程度上受到其微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)的制約。為了滿足不斷升級的技術(shù)需求，探索有效的性能調(diào)控手段成為當務(wù)之急。應(yīng)變調(diào)控作為一種非化學(xué)摻雜的物理調(diào)控方法，近年來受到了廣泛關(guān)注。當薄膜受到外部施加的應(yīng)變或與襯底晶格失配產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)變作用時，其晶格結(jié)構(gòu)會發(fā)生畸變。這種晶格畸變會直接影響原子間的距離和鍵角，進而改變電子云的分布和電子軌道的雜化程度。從微觀層面來看，應(yīng)變會導(dǎo)致晶體場的變化，影響過渡金屬離子的d電子軌道分裂，改變電子的自旋狀態(tài)和磁交換相互作用。在宏觀上，這種變化表現(xiàn)為材料的電磁性能發(fā)生顯著改變，如磁各向異性、飽和磁化強度、居里溫度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)等。通過精確調(diào)控應(yīng)變的大小和方向，可以實現(xiàn)對薄膜電磁性能的精準優(yōu)化，使其更好地滿足不同應(yīng)用場景的需求。例如，在磁性金屬薄膜中，施加適當?shù)睦鞈?yīng)變可以改變磁晶各向異性的方向和大小，從而提高磁記錄的穩(wěn)定性和可靠性。在過渡金屬氧化物薄膜中，應(yīng)變調(diào)控可有效增強磁電耦合效應(yīng)，實現(xiàn)更高效的磁電轉(zhuǎn)換。在一些具有多鐵性的過渡金屬氧化物薄膜中，通過應(yīng)變誘導(dǎo)的晶格畸變，可打破原有的對稱性，使原本相互獨立的鐵電、鐵磁和鐵彈等有序態(tài)之間產(chǎn)生強烈的耦合作用，展現(xiàn)出新穎的物理性質(zhì)和應(yīng)用潛力。綜上所述，深入研究典型磁性金屬及過渡金屬氧化物薄膜結(jié)構(gòu)、電磁性能的應(yīng)變調(diào)控，不僅對于揭示材料內(nèi)部復(fù)雜的物理機制具有重要的科學(xué)意義，而且對于推動信息技術(shù)、能源技術(shù)、通信技術(shù)等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，實現(xiàn)高性能、多功能的新型電子器件和能源器件的制備，具有不可估量的應(yīng)用價值。它為解決當前科技發(fā)展中的關(guān)鍵材料問題提供了新的思路和方法，有望引領(lǐng)新一輪的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)升級。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1磁性金屬薄膜應(yīng)變調(diào)控研究進展在磁性金屬薄膜領(lǐng)域，國外的研究起步較早，成果豐碩。美國、日本等國家的科研團隊在早期就通過分子束外延（MBE）和脈沖激光沉積（PLD）等先進技術(shù)，精確制備出高質(zhì)量的Fe、Co、Ni等單元素及Fe-Ni、Co-Fe等合金磁性金屬薄膜，并深入研究其在應(yīng)變作用下的性能變化。例如，美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員利用MBE技術(shù)生長出高質(zhì)量的Fe薄膜，通過在不同晶格常數(shù)的襯底上外延生長引入晶格失配應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)當施加拉伸應(yīng)變時，F(xiàn)e薄膜的磁晶各向異性常數(shù)發(fā)生顯著變化，且磁疇結(jié)構(gòu)變得更加規(guī)則有序，這一發(fā)現(xiàn)為提高磁記錄密度提供了理論依據(jù)。日本東京大學(xué)的科研團隊對Co-Fe合金薄膜進行應(yīng)變調(diào)控研究，通過在Si襯底上沉積不同厚度的緩沖層來改變薄膜所受的應(yīng)變狀態(tài)，實驗結(jié)果表明，合適的壓應(yīng)變能夠增強Co-Fe合金薄膜的飽和磁化強度，提升其在磁性傳感器中的應(yīng)用性能。國內(nèi)在磁性金屬薄膜應(yīng)變調(diào)控方面的研究近年來也取得了長足進步。清華大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所等科研機構(gòu)積極開展相關(guān)研究工作。清華大學(xué)的研究團隊采用磁控濺射技術(shù)制備了Fe-Ni薄膜，結(jié)合微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，實現(xiàn)了對薄膜的可控機械應(yīng)變施加。研究發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變的增加，F(xiàn)e-Ni薄膜的磁導(dǎo)率呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，在特定應(yīng)變條件下，磁導(dǎo)率達到最大值，為設(shè)計高性能的射頻磁性器件提供了新的思路。中國科學(xué)院物理研究所通過對Ni薄膜進行應(yīng)變調(diào)控研究，利用同步輻射X射線衍射等先進表征手段，揭示了應(yīng)變誘導(dǎo)的Ni薄膜晶格畸變與磁性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變不僅改變了Ni薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，還影響了其電子云分布，進而導(dǎo)致磁性能的顯著改變。1.2.2過渡金屬氧化物薄膜應(yīng)變調(diào)控研究進展在過渡金屬氧化物薄膜應(yīng)變調(diào)控研究方面，國外的研究處于領(lǐng)先地位。美國斯坦福大學(xué)的科研團隊對具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的LaMnO?薄膜進行了深入研究，通過在SrTiO?襯底上外延生長LaMnO?薄膜，利用兩者之間的晶格失配引入應(yīng)變。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變的引入顯著改變了LaMnO?薄膜的電磁性能，在一定的壓應(yīng)變下，薄膜的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生明顯移動，同時磁電阻效應(yīng)增強，這一研究成果為開發(fā)新型的磁電阻器件提供了重要參考。德國馬普學(xué)會固體研究所對TiO?薄膜進行應(yīng)變調(diào)控研究，發(fā)現(xiàn)通過應(yīng)變可以有效調(diào)控TiO?薄膜的電子結(jié)構(gòu)，使其在光催化和電學(xué)性能方面展現(xiàn)出優(yōu)異的特性，為TiO?薄膜在能源領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新途徑。國內(nèi)在過渡金屬氧化物薄膜應(yīng)變調(diào)控研究方面也取得了一系列重要成果。北京大學(xué)的研究團隊對BiFeO?多鐵性薄膜進行應(yīng)變調(diào)控研究，通過設(shè)計不同的襯底和緩沖層結(jié)構(gòu)，精確調(diào)控BiFeO?薄膜所受的應(yīng)變狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，合適的應(yīng)變能夠增強BiFeO?薄膜的鐵電極化強度和飽和磁化強度，實現(xiàn)了鐵電、鐵磁性能的協(xié)同增強，為多鐵性器件的發(fā)展提供了新的技術(shù)方案。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的王凌飛、吳文彬教授課題組與西北大學(xué)物理學(xué)院的司良教授合作，在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物薄膜的磁輸運性質(zhì)研究中取得重要進展。該研究團隊生長了高質(zhì)量的鐵磁半金屬性錳氧化物外延薄膜（La?/?Sr?/?MnO?），并通過在薄膜中引入Ru元素摻雜誘導(dǎo)了可觀的自旋阻挫效應(yīng)和室溫下3個數(shù)量級的反常霍爾電阻增強。相關(guān)成果日前以“RudopingInducedSpinFrustrationandEnhancementoftheRoom-temperatureAnomalousHalleffectinLa?/?Sr?/?MnO?films”發(fā)表在《先進材料》（AdvancedMaterials）雜志上。1.2.3當前研究存在的不足與空白盡管國內(nèi)外在典型磁性金屬及過渡金屬氧化物薄膜結(jié)構(gòu)、電磁性能的應(yīng)變調(diào)控研究方面取得了眾多成果，但仍存在一些不足之處和研究空白。從研究方法來看，目前多數(shù)實驗研究主要集中在利用襯底誘導(dǎo)應(yīng)變或簡單的機械加載應(yīng)變方式，對于一些復(fù)雜的、精確可控的應(yīng)變施加方法研究較少。例如，如何實現(xiàn)對薄膜在多個方向上的獨立應(yīng)變調(diào)控，以及如何在納米尺度下精確施加和測量應(yīng)變，這些技術(shù)手段還不夠成熟，限制了對薄膜應(yīng)變調(diào)控機制的深入研究。在理論計算方面，雖然基于密度泛函理論（DFT）等方法的計算模擬在解釋薄膜的應(yīng)變效應(yīng)方面取得了一定進展，但由于實際薄膜體系存在缺陷、界面等復(fù)雜因素，理論計算與實驗結(jié)果之間仍存在一定偏差，需要進一步完善理論模型，提高計算精度。從研究體系來看，對于一些新型的磁性金屬及過渡金屬氧化物薄膜體系，如具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)或多種元素摻雜的薄膜，其應(yīng)變調(diào)控的研究還相對較少。這些新型薄膜體系可能蘊含著獨特的物理性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價值，但目前對其應(yīng)變與電磁性能之間的關(guān)系了解有限。此外，不同類型薄膜之間的異質(zhì)結(jié)構(gòu)在應(yīng)變調(diào)控下的界面效應(yīng)和協(xié)同作用研究也不夠深入，而異質(zhì)結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)多功能集成器件方面具有重要意義，這方面的研究空白亟待填補。在應(yīng)用研究方面，雖然應(yīng)變調(diào)控在改善薄膜電磁性能方面展現(xiàn)出巨大潛力，但從實驗室研究到實際器件應(yīng)用還存在一定差距。目前對于如何將應(yīng)變調(diào)控技術(shù)有效地應(yīng)用于大規(guī)模集成電路、高性能傳感器等實際器件的制備工藝中，還缺乏系統(tǒng)的研究和解決方案。同時，在考慮器件的穩(wěn)定性、可靠性和兼容性等實際問題時，應(yīng)變調(diào)控對薄膜長期性能的影響以及與其他工藝的匹配性等方面的研究也相對薄弱。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究典型磁性金屬及過渡金屬氧化物薄膜結(jié)構(gòu)、電磁性能的應(yīng)變調(diào)控，具體研究內(nèi)容如下：典型磁性金屬薄膜的結(jié)構(gòu)與電磁性能應(yīng)變調(diào)控：選用Fe、Co、Ni等單元素以及Fe-Ni、Co-Fe等合金磁性金屬薄膜作為研究對象，利用磁控濺射、分子束外延等薄膜制備技術(shù)，在不同晶格常數(shù)的襯底上生長薄膜，通過襯底與薄膜之間的晶格失配引入應(yīng)變。系統(tǒng)研究應(yīng)變對磁性金屬薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響，借助X射線衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）等表征手段，精確測定薄膜的晶格參數(shù)、晶體取向和微觀結(jié)構(gòu)變化。深入分析應(yīng)變與磁晶各向異性、飽和磁化強度、磁導(dǎo)率等磁性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，運用振動樣品磁強計（VSM）、鐵磁共振（FMR）等測試技術(shù)，測量不同應(yīng)變狀態(tài)下薄膜的磁滯回線、共振頻率等磁學(xué)參數(shù)，建立起應(yīng)變調(diào)控磁性金屬薄膜磁性能的物理模型。過渡金屬氧化物薄膜的結(jié)構(gòu)與電磁性能應(yīng)變調(diào)控：針對具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的LaMnO?、BiFeO?以及TiO?等過渡金屬氧化物薄膜，采用脈沖激光沉積、金屬有機化學(xué)氣相沉積等方法進行制備。通過選擇不同的襯底材料和緩沖層結(jié)構(gòu)，精確調(diào)控薄膜所受的應(yīng)變狀態(tài)。利用同步輻射X射線衍射、高分辨透射電子顯微鏡等先進技術(shù)，深入研究應(yīng)變誘導(dǎo)的過渡金屬氧化物薄膜晶格畸變、原子位移以及電子結(jié)構(gòu)變化。借助綜合物性測量系統(tǒng)（PPMS）、阻抗分析儀等設(shè)備，系統(tǒng)測量薄膜的電導(dǎo)率、介電常數(shù)、磁電阻效應(yīng)、鐵電極化強度等電磁性能，揭示應(yīng)變對過渡金屬氧化物薄膜電磁性能的調(diào)控機制。薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變調(diào)控與界面效應(yīng)研究：構(gòu)建磁性金屬薄膜與過渡金屬氧化物薄膜組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如Fe/LaMnO?、Co/TiO?等，通過合理設(shè)計異質(zhì)結(jié)構(gòu)的層數(shù)、厚度和界面結(jié)構(gòu)，研究應(yīng)變在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的傳遞和分布規(guī)律。利用掃描透射電子顯微鏡（STEM）結(jié)合電子能量損失譜（EELS）、X射線光電子能譜（XPS）等技術(shù)，對異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面原子排列、元素分布和電子態(tài)進行詳細表征。深入探究應(yīng)變調(diào)控下異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面耦合效應(yīng)、電荷轉(zhuǎn)移機制以及對整體電磁性能的影響，為開發(fā)新型多功能異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件提供理論依據(jù)和實驗基礎(chǔ)?；趹?yīng)變調(diào)控的薄膜器件應(yīng)用探索：基于上述研究成果，設(shè)計并制備基于應(yīng)變調(diào)控的磁性傳感器、自旋電子學(xué)器件、電催化器件等原型器件。在實際應(yīng)用環(huán)境下，測試器件的性能指標，如磁性傳感器的靈敏度、分辨率和穩(wěn)定性，自旋電子學(xué)器件的讀寫速度、存儲密度和功耗，電催化器件的催化活性、選擇性和耐久性等。研究應(yīng)變調(diào)控在實際器件應(yīng)用中的可行性和有效性，分析器件性能與薄膜結(jié)構(gòu)、電磁性能之間的關(guān)系，為實現(xiàn)應(yīng)變調(diào)控技術(shù)在實際器件中的應(yīng)用提供技術(shù)支持和解決方案。1.3.2研究方法本研究綜合運用實驗研究和理論分析相結(jié)合的方法，深入探究典型磁性金屬及過渡金屬氧化物薄膜結(jié)構(gòu)、電磁性能的應(yīng)變調(diào)控，具體研究方法如下：實驗研究方法：薄膜制備技術(shù)：采用磁控濺射技術(shù)，利用等離子體中的高能粒子轟擊靶材，使靶材原子濺射出來并沉積在襯底表面形成薄膜。該技術(shù)具有沉積速率高、薄膜成分易于控制、可大面積制備等優(yōu)點，適用于制備磁性金屬薄膜和過渡金屬氧化物薄膜。分子束外延技術(shù)則是在超高真空環(huán)境下，將原子或分子束蒸發(fā)到襯底表面，通過精確控制原子的沉積速率和襯底溫度，實現(xiàn)薄膜的原子級精確生長，能夠制備高質(zhì)量、低缺陷的薄膜，特別適合研究薄膜的本征性質(zhì)。脈沖激光沉積技術(shù)通過高能量激光脈沖轟擊靶材，使靶材表面的原子或分子蒸發(fā)并電離，形成等離子體羽輝，在襯底表面沉積形成薄膜，該技術(shù)可以制備具有復(fù)雜成分和結(jié)構(gòu)的薄膜，且能夠在不同類型的襯底上生長。結(jié)構(gòu)與性能表征技術(shù)：利用X射線衍射技術(shù)，通過測量X射線在薄膜中的衍射角度和強度，確定薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、晶體取向和晶粒尺寸等信息，從而分析應(yīng)變對薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響。透射電子顯微鏡可以直接觀察薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，如晶格條紋、位錯、晶界等，結(jié)合選區(qū)電子衍射技術(shù)，還可以進一步確定薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和取向。高分辨透射電子顯微鏡能夠提供原子級分辨率的圖像，用于研究薄膜的原子排列和界面結(jié)構(gòu)。振動樣品磁強計通過測量薄膜在不同磁場下的磁矩變化，得到磁滯回線，從而計算出飽和磁化強度、矯頑力、剩余磁化強度等磁性能參數(shù)。鐵磁共振技術(shù)則是利用微波磁場與薄膜中的磁矩相互作用，測量共振吸收峰的位置和強度，獲取薄膜的磁各向異性、磁導(dǎo)率等信息。綜合物性測量系統(tǒng)可以在不同溫度和磁場條件下，測量薄膜的電阻、磁化強度、比熱等物理性質(zhì)，全面研究薄膜的電磁性能。理論分析方法：基于密度泛函理論，利用平面波贗勢方法，在MaterialsStudio、VASP等計算軟件平臺上，對典型磁性金屬及過渡金屬氧化物薄膜在應(yīng)變作用下的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和磁性能進行計算模擬。通過構(gòu)建合理的原子模型，考慮電子之間的交換關(guān)聯(lián)作用，計算不同應(yīng)變狀態(tài)下薄膜的總能量、電子態(tài)密度、電荷密度分布等，從微觀層面揭示應(yīng)變調(diào)控薄膜電磁性能的物理機制。采用蒙特卡羅方法，建立薄膜的微觀磁學(xué)模型，考慮磁矩之間的交換相互作用、磁晶各向異性、外磁場等因素，模擬薄膜在不同應(yīng)變條件下的磁疇結(jié)構(gòu)演變和磁性能變化，與實驗結(jié)果相互驗證和補充，深入理解應(yīng)變對薄膜磁性能的影響規(guī)律。二、典型磁性金屬及過渡金屬氧化物薄膜基礎(chǔ)2.1典型磁性金屬薄膜概述在材料科學(xué)領(lǐng)域，典型磁性金屬薄膜以其獨特的結(jié)構(gòu)與優(yōu)異的性能，成為眾多研究的焦點。鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）及其合金薄膜作為常見的磁性金屬薄膜，在現(xiàn)代科技中扮演著舉足輕重的角色，廣泛應(yīng)用于電子、能源、信息存儲等多個關(guān)鍵領(lǐng)域。從結(jié)構(gòu)特點來看，鐵薄膜在室溫下通常呈現(xiàn)體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予鐵較高的飽和磁化強度。其原子排列緊密，電子云分布均勻，使得鐵原子之間的磁相互作用較強，從而表現(xiàn)出良好的磁性。鈷薄膜則具有兩種常見的晶體結(jié)構(gòu)，即六方密堆積（HCP）結(jié)構(gòu)和立方密堆積（FCC）結(jié)構(gòu)。在低溫下，鈷主要以HCP結(jié)構(gòu)存在，這種結(jié)構(gòu)使其具有較高的磁晶各向異性；而在高溫下，鈷會轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC結(jié)構(gòu)，磁晶各向異性有所降低，但仍具備良好的磁性。鎳薄膜一般為面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得鎳薄膜具有較高的對稱性和穩(wěn)定性，其原子間的鍵合作用較強，對薄膜的磁性和力學(xué)性能都有積極影響。當形成合金薄膜時，如Fe-Ni合金薄膜（坡莫合金），其結(jié)構(gòu)特點會發(fā)生顯著變化。Fe-Ni合金薄膜的晶體結(jié)構(gòu)依然保持FCC結(jié)構(gòu)，但由于Fe和Ni原子的半徑略有差異，在合金化過程中會引起晶格畸變。這種晶格畸變會影響原子間的磁相互作用，進而改變薄膜的磁性能。例如，在坡莫合金中，適當?shù)腇e-Ni原子比例可以使薄膜具有極低的矯頑力和高磁導(dǎo)率，這是由于晶格畸變導(dǎo)致磁晶各向異性降低，使得磁疇壁的移動更加容易，從而提高了磁導(dǎo)率。在制備方法方面，磁控濺射是一種常用的制備磁性金屬薄膜的技術(shù)。該技術(shù)利用等離子體中的高能粒子轟擊靶材，使靶材原子濺射出來并沉積在襯底表面形成薄膜。在制備Fe薄膜時，通過調(diào)整濺射功率、氣體流量、濺射時間等參數(shù)，可以精確控制薄膜的厚度和質(zhì)量。較高的濺射功率可以提高原子的濺射速率，從而加快薄膜的生長速度，但也可能導(dǎo)致薄膜的結(jié)晶質(zhì)量下降；合適的氣體流量可以保證等離子體的穩(wěn)定性，有利于形成均勻的薄膜。分子束外延（MBE）技術(shù)則是在超高真空環(huán)境下，將原子或分子束蒸發(fā)到襯底表面，通過精確控制原子的沉積速率和襯底溫度，實現(xiàn)薄膜的原子級精確生長。這種技術(shù)能夠制備出高質(zhì)量、低缺陷的薄膜，特別適合研究薄膜的本征性質(zhì)。在制備Co薄膜時，MBE技術(shù)可以精確控制Co原子的沉積層數(shù)和生長方向，從而制備出具有特定晶體取向和結(jié)構(gòu)的薄膜，為研究Co薄膜的磁各向異性等性質(zhì)提供了有力手段。電沉積法也是一種制備磁性金屬薄膜的重要方法，具有成本低、工藝簡單、可大面積制備等優(yōu)點。在制備Ni薄膜時，通過控制電鍍液的成分、電流密度、溫度等因素，可以調(diào)節(jié)薄膜的成分和結(jié)構(gòu)。例如，改變電鍍液中Ni離子的濃度和添加劑的種類，可以影響Ni原子的沉積速率和結(jié)晶方式，從而得到不同晶粒尺寸和織構(gòu)的Ni薄膜。不同的制備方法對薄膜的結(jié)構(gòu)和性能有著顯著影響，因此在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的制備方法。在應(yīng)用現(xiàn)狀方面，磁性金屬薄膜在磁存儲領(lǐng)域發(fā)揮著核心作用。以硬盤驅(qū)動器為例，F(xiàn)e-Co合金薄膜作為記錄層，通過微小的磁疇取向變化來存儲二進制信息。隨著技術(shù)的不斷進步，對存儲密度和讀寫速度的要求越來越高，F(xiàn)e-Co合金薄膜憑借其高飽和磁化強度和良好的磁穩(wěn)定性，成為實現(xiàn)高存儲密度的關(guān)鍵材料。通過優(yōu)化薄膜的結(jié)構(gòu)和性能，如減小磁疇尺寸、提高磁各向異性等，可以進一步提高存儲密度，滿足大數(shù)據(jù)時代對海量數(shù)據(jù)存儲的需求。在傳感器領(lǐng)域，Ni-Fe合金薄膜因其優(yōu)異的磁電阻效應(yīng)而被廣泛應(yīng)用于制作磁電阻傳感器。這種傳感器利用薄膜電阻在磁場作用下的變化來檢測磁場的強度和方向，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。在生物醫(yī)學(xué)檢測中，磁電阻傳感器可以檢測生物分子的磁性標記，實現(xiàn)對生物分子的高靈敏度檢測；在汽車電子中，可用于檢測車輪的轉(zhuǎn)速、方向盤的轉(zhuǎn)向角度等，為汽車的智能化控制提供重要數(shù)據(jù)。在高頻通信領(lǐng)域，磁性金屬薄膜制成的薄膜電感、薄膜變壓器等無源器件起著至關(guān)重要的作用。它們能夠?qū)崿F(xiàn)信號的濾波、匹配和功率傳輸，確保通信信號的穩(wěn)定和高效傳輸。例如，在5G通信基站中，薄膜電感和薄膜變壓器用于射頻電路中，能夠有效地提高信號的處理能力和傳輸效率，滿足5G通信對高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｔ谀茉搭I(lǐng)域，磁性金屬薄膜也展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。在一些新型能源轉(zhuǎn)換器件中，如自旋電子學(xué)電池，利用磁性金屬薄膜的自旋相關(guān)輸運特性，可以提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率。通過調(diào)控薄膜的磁性能和電子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)自旋極化電子的高效注入和傳輸，為解決能源危機提供了新的思路和方法。典型磁性金屬薄膜以其獨特的結(jié)構(gòu)特點、多樣化的制備方法和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在現(xiàn)代科技發(fā)展中占據(jù)著不可或缺的地位。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，磁性金屬薄膜將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出其巨大的潛力，為推動科技進步和社會發(fā)展做出重要貢獻。2.2過渡金屬氧化物薄膜概述過渡金屬氧化物薄膜作為一類具有獨特物理性質(zhì)和廣泛應(yīng)用前景的功能材料，近年來在材料科學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注。這類薄膜是由過渡金屬元素（如鈦（Ti）、釩（V）、錳（Mn）、鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）等）與氧元素組成的化合物薄膜，其晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，涵蓋了多種不同的晶系和結(jié)構(gòu)類型。從晶體結(jié)構(gòu)角度來看，過渡金屬氧化物薄膜常見的結(jié)構(gòu)有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、尖晶石結(jié)構(gòu)、金紅石結(jié)構(gòu)等。以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物薄膜為例，其通式為ABO?，其中A位通常為稀土元素或堿土金屬元素，B位為過渡金屬元素。在這種結(jié)構(gòu)中，氧原子形成面心立方密堆積，A位離子位于氧八面體的中心，B位離子位于氧八面體的頂點。這種結(jié)構(gòu)賦予了材料豐富的物理性質(zhì)，例如在LaMnO?中，A位的La離子和B位的Mn離子通過氧離子的橋連作用，產(chǎn)生了復(fù)雜的電子相互作用和磁相互作用，使得LaMnO?具有龐磁電阻效應(yīng)等獨特性質(zhì)。尖晶石結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物薄膜通式為AB?O?，其中A位為二價金屬離子，B位為三價金屬離子，氧離子形成立方密堆積，A位離子占據(jù)四面體間隙，B位離子占據(jù)八面體間隙。這種結(jié)構(gòu)在磁性、電學(xué)和催化等領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如CoFe?O?尖晶石鐵氧體薄膜具有較高的飽和磁化強度和良好的軟磁性能，在磁記錄和磁傳感器等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。過渡金屬氧化物薄膜根據(jù)其功能特性可大致分為鐵電薄膜、磁性薄膜、超導(dǎo)薄膜、催化薄膜等幾類。鐵電薄膜如Pb(Zr,Ti)O?（PZT）薄膜，具有自發(fā)極化特性，且極化方向可在外加電場作用下反轉(zhuǎn)，這種特性使其在非易失性存儲器、壓電傳感器等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在非易失性存儲器中，利用PZT薄膜的鐵電特性可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速讀寫和長期存儲，相比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲器，具有更高的存儲密度和更快的讀寫速度。磁性過渡金屬氧化物薄膜，如前面提到的LaMnO?等錳氧化物薄膜，具有豐富的磁相和磁電耦合效應(yīng)。在一些自旋電子學(xué)器件中，利用錳氧化物薄膜的磁電阻效應(yīng)和自旋極化特性，可以實現(xiàn)信息的高效存儲和處理，為下一代信息技術(shù)的發(fā)展提供了新的途徑。超導(dǎo)薄膜，像YBa?Cu?O???（YBCO）薄膜，在臨界溫度以下具有零電阻和完全抗磁性，可用于制造超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）、超導(dǎo)濾波器等。在通信領(lǐng)域，超導(dǎo)濾波器能夠顯著提高通信信號的質(zhì)量和抗干擾能力，提升通信系統(tǒng)的性能。催化薄膜，如TiO?薄膜在光催化領(lǐng)域表現(xiàn)出色，能夠利用太陽光將有機污染物分解為無害的小分子，在環(huán)境凈化方面具有巨大的應(yīng)用潛力。二氧化釩（VO?）薄膜是一種典型的熱致變色過渡金屬氧化物薄膜，具有獨特的金屬-絕緣體相變特性。在室溫下，VO?薄膜呈單斜結(jié)構(gòu)，為半導(dǎo)體狀態(tài)，對光波有較高的透射能力；當溫度升高到約68℃（轉(zhuǎn)變溫度）時，VO?薄膜迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆浇Y(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)金屬狀態(tài)，對光波有較高的反射能力。這種相變過程伴隨著電學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)的急劇變化，使其在智能窗、光電開關(guān)、紅外傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在智能窗應(yīng)用中，VO?薄膜可以根據(jù)環(huán)境溫度的變化自動調(diào)節(jié)對太陽光的透過率，實現(xiàn)室內(nèi)溫度的智能調(diào)節(jié)，達到節(jié)能減排的目的。在夏天，當室外溫度較高時，VO?薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)，反射紅外光，阻止熱量進入室內(nèi)；在冬天，當室外溫度較低時，VO?薄膜處于半導(dǎo)體態(tài)，允許紅外光透過，提高室內(nèi)溫度。錳氧化物薄膜也是一類重要的過渡金屬氧化物薄膜，以LaMnO?為基礎(chǔ)的錳氧化物，通過A位或B位元素的部分取代，如La???Sr?MnO?（x為Sr的摻雜濃度），可以調(diào)控其電磁性能。在La???Sr?MnO?中，Sr的摻雜會導(dǎo)致Mn離子的價態(tài)發(fā)生變化，從而改變電子結(jié)構(gòu)和磁相互作用。當x在一定范圍內(nèi)時，薄膜會出現(xiàn)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變和龐磁電阻效應(yīng)。在低磁場下，薄膜的電阻較高；當施加一定強度的磁場時，電阻會急劇下降，這種顯著的磁電阻變化使得錳氧化物薄膜在磁傳感器、磁記錄等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。在磁傳感器中，利用錳氧化物薄膜的龐磁電阻效應(yīng)可以檢測微弱的磁場變化，實現(xiàn)對磁場的高靈敏度探測，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。過渡金屬氧化物薄膜以其復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)、多樣的功能特性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，成為材料科學(xué)研究的熱點之一。深入研究其結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，對于開發(fā)新型功能材料和推動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。三、應(yīng)變調(diào)控原理與方法3.1應(yīng)變調(diào)控的基本原理應(yīng)變，作為描述物體在外力作用下形狀或尺寸相對變化的物理量，在材料科學(xué)領(lǐng)域中，對于揭示材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的內(nèi)在聯(lián)系具有至關(guān)重要的意義。其產(chǎn)生機制主要源于晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異這兩個關(guān)鍵因素。晶格失配是指當兩種具有不同晶格常數(shù)的材料結(jié)合在一起時，為了維持界面的連續(xù)性，在界面處會產(chǎn)生應(yīng)力，進而導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生應(yīng)變。以在Si襯底上生長Ge薄膜為例，Si的晶格常數(shù)約為5.43?，而Ge的晶格常數(shù)約為5.66?，兩者存在約4.3%的晶格失配率。在生長過程中，Ge薄膜會受到Si襯底的約束，為了適應(yīng)襯底的晶格常數(shù)，Ge薄膜內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)變。當Ge薄膜厚度較小時，薄膜會通過彈性形變來維持與襯底的晶格匹配，此時薄膜處于應(yīng)變狀態(tài)，內(nèi)部存在較高的應(yīng)變能。隨著薄膜厚度的增加，當應(yīng)變能超過一定閾值時，薄膜會通過產(chǎn)生位錯等缺陷來釋放部分應(yīng)變能，從而使薄膜逐漸趨于弛豫狀態(tài)。這種晶格失配引起的應(yīng)變，會顯著改變薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和物理性能。熱膨脹系數(shù)差異也是產(chǎn)生應(yīng)變的重要原因。不同材料在溫度變化時，其熱膨脹程度不同。當兩種熱膨脹系數(shù)不同的材料組成復(fù)合材料或薄膜-襯底體系時，溫度的變化會導(dǎo)致它們的膨脹或收縮程度不一致，從而在界面處產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。例如，在電子器件中，常用的金屬電極與半導(dǎo)體襯底之間，由于金屬和半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)存在差異，在器件的制備和工作過程中，溫度的升降會使它們之間產(chǎn)生熱應(yīng)力。當溫度升高時，熱膨脹系數(shù)較大的材料膨脹程度更大，會對熱膨脹系數(shù)較小的材料產(chǎn)生拉伸應(yīng)力；反之，當溫度降低時，會產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。這種熱應(yīng)力會導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變，影響器件的性能和可靠性。在集成電路中，金屬互連層與硅基襯底之間的熱膨脹系數(shù)差異，可能會導(dǎo)致互連層在溫度循環(huán)過程中出現(xiàn)開裂、剝離等問題，嚴重影響電路的正常工作。應(yīng)變對晶體結(jié)構(gòu)的影響是多方面的。從晶格參數(shù)的變化來看，當材料受到拉伸應(yīng)變時，晶格常數(shù)會增大，原子間距被拉長；而受到壓縮應(yīng)變時，晶格常數(shù)減小，原子間距縮短。這種晶格參數(shù)的改變會進一步影響晶體的對稱性和晶面間距。在一些具有特定晶體結(jié)構(gòu)的材料中，應(yīng)變還可能導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的相變。如在一些具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物中，適當?shù)膽?yīng)變可以誘導(dǎo)其從立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较嗷蛘幌唷Ｔ贚aMnO?薄膜中，通過在具有不同晶格常數(shù)的襯底上生長引入應(yīng)變，當應(yīng)變達到一定程度時，薄膜會從立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，這種結(jié)構(gòu)相變會導(dǎo)致材料的電磁性能發(fā)生顯著變化，如磁電阻效應(yīng)和鐵電極化強度的改變。應(yīng)變對電子云分布的影響機制主要基于晶體場理論和電子軌道雜化理論。在晶體中，原子周圍的電子云分布受到晶體場的作用。當晶體受到應(yīng)變時，晶格畸變會導(dǎo)致晶體場的對稱性發(fā)生變化，從而影響電子云的分布。在過渡金屬氧化物中，過渡金屬離子的d電子軌道在晶體場的作用下會發(fā)生分裂。當施加應(yīng)變時，晶體場的強度和對稱性改變，d電子軌道的分裂情況也會隨之變化，進而影響電子的能量狀態(tài)和自旋狀態(tài)。應(yīng)變還會改變原子間的距離和鍵角，影響電子軌道的雜化程度。在一些半導(dǎo)體材料中，應(yīng)變可以使原子間的鍵長和鍵角發(fā)生變化，導(dǎo)致電子軌道的重疊程度改變，從而影響電子的遷移率和能帶結(jié)構(gòu)。在應(yīng)變硅材料中，拉伸應(yīng)變可以使硅的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，減小電子的有效質(zhì)量，提高電子的遷移率，這對于提高半導(dǎo)體器件的性能具有重要意義。3.2實現(xiàn)應(yīng)變調(diào)控的方法3.2.1襯底選擇與晶格失配調(diào)控襯底選擇與晶格失配調(diào)控是實現(xiàn)薄膜應(yīng)變調(diào)控的一種重要且常用的方法。不同襯底具有各自獨特的晶格常數(shù)，當在襯底上生長薄膜時，薄膜與襯底之間的晶格失配會導(dǎo)致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變。這種應(yīng)變的大小和方向與襯底和薄膜的晶格常數(shù)差異密切相關(guān)。以在藍寶石（Al?O?）襯底上生長GaN薄膜為例，藍寶石的晶格常數(shù)與GaN存在較大差異。藍寶石的a軸晶格常數(shù)約為4.758?，c軸晶格常數(shù)約為12.991?，而GaN的a軸晶格常數(shù)約為3.189?，c軸晶格常數(shù)約為5.185?。這種顯著的晶格失配使得在生長過程中，GaN薄膜會受到較大的應(yīng)力作用，從而產(chǎn)生應(yīng)變。在實際生長中，當GaN薄膜生長在藍寶石襯底的c面時，由于晶格失配，薄膜會產(chǎn)生較大的壓應(yīng)變，這種壓應(yīng)變會影響GaN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。研究表明，較大的壓應(yīng)變會導(dǎo)致GaN薄膜的晶格發(fā)生畸變，使得晶體中的位錯密度增加，進而影響電子的遷移率和發(fā)光效率。通過選擇合適的襯底材料和緩沖層結(jié)構(gòu)，可以有效地調(diào)節(jié)薄膜所受的應(yīng)變狀態(tài)。在生長GaN薄膜時，可以在藍寶石襯底與GaN薄膜之間引入一層AlN緩沖層。AlN的晶格常數(shù)與GaN更為接近，a軸晶格常數(shù)約為3.112?，c軸晶格常數(shù)約為4.982?。引入AlN緩沖層后，能夠部分緩解GaN薄膜與藍寶石襯底之間的晶格失配，從而減小GaN薄膜所受的應(yīng)變。研究發(fā)現(xiàn)，使用AlN緩沖層后，GaN薄膜中的位錯密度明顯降低，晶體質(zhì)量得到顯著提高，電子遷移率和發(fā)光效率也相應(yīng)提升。在選擇襯底時，還需要考慮襯底與薄膜之間的化學(xué)兼容性和熱膨脹系數(shù)匹配性。如果襯底與薄膜之間存在化學(xué)反應(yīng)，會導(dǎo)致界面質(zhì)量下降，影響薄膜的性能。熱膨脹系數(shù)不匹配會在溫度變化時產(chǎn)生熱應(yīng)力，進一步影響薄膜的應(yīng)變狀態(tài)和穩(wěn)定性。在生長磁性金屬薄膜時，若襯底與薄膜的熱膨脹系數(shù)差異較大，在制備過程中的升溫或降溫階段，由于兩者的膨脹或收縮程度不同，會在薄膜內(nèi)部產(chǎn)生額外的應(yīng)力，這種應(yīng)力與晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力疊加，可能導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)裂紋或剝落等問題。襯底選擇與晶格失配調(diào)控方法具有工藝相對簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，能夠在薄膜生長過程中直接引入應(yīng)變，為研究應(yīng)變對薄膜性能的影響提供了便利。然而，這種方法也存在一定的局限性。由于襯底材料的種類有限，晶格常數(shù)的可選范圍也受到限制，難以實現(xiàn)對薄膜應(yīng)變的精確、連續(xù)調(diào)控。不同襯底與薄膜之間的界面性質(zhì)復(fù)雜，界面處的缺陷和應(yīng)力分布不均勻，可能會對薄膜的性能產(chǎn)生不利影響。在一些對薄膜性能要求極高的應(yīng)用中，如高性能集成電路中的半導(dǎo)體薄膜，這種方法的局限性就顯得尤為突出。3.2.2生長條件控制實現(xiàn)應(yīng)變調(diào)控在薄膜生長過程中，生長條件的精確控制是實現(xiàn)應(yīng)變調(diào)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。生長溫度、沉積速率和氣體環(huán)境等因素，都能對薄膜的生長過程和最終的應(yīng)變狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響。生長溫度是影響薄膜應(yīng)變的重要因素之一。以分子束外延（MBE）生長InGaAs薄膜為例，當生長溫度較低時，原子在襯底表面的遷移率較低，原子難以找到能量最低的位置進行沉積，導(dǎo)致薄膜生長過程中產(chǎn)生較多的缺陷和應(yīng)力。這些缺陷和應(yīng)力會使薄膜內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變，影響薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。研究表明，在較低溫度下生長的InGaAs薄膜，其晶格常數(shù)與理論值偏差較大，晶體質(zhì)量較差，內(nèi)部存在較大的應(yīng)力，導(dǎo)致薄膜的載流子遷移率降低，影響其在高速電子器件中的應(yīng)用。而當生長溫度升高時，原子的遷移率增加，原子能夠更充分地擴散和排列，薄膜生長更加有序，缺陷和應(yīng)力減少，應(yīng)變得到一定程度的緩解。適當提高生長溫度可以使InGaAs薄膜的晶格常數(shù)更接近理論值，晶體質(zhì)量得到改善，載流子遷移率提高，從而提升薄膜在光電器件中的性能。沉積速率也對薄膜應(yīng)變有著重要影響。在化學(xué)氣相沉積（CVD）生長SiC薄膜的過程中，較高的沉積速率會導(dǎo)致原子在襯底表面快速堆積，來不及進行充分的擴散和排列，從而在薄膜內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力和應(yīng)變。這些應(yīng)力和應(yīng)變可能導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)裂紋、位錯等缺陷，影響薄膜的質(zhì)量和性能。相反，較低的沉積速率可以使原子有足夠的時間在襯底表面擴散和排列，形成更加均勻、致密的薄膜，減少應(yīng)力和應(yīng)變的產(chǎn)生。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，當沉積速率控制在一定范圍內(nèi)時，SiC薄膜的晶體質(zhì)量明顯提高，內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變顯著降低，薄膜的硬度、熱導(dǎo)率等性能得到提升，更適合應(yīng)用于高溫、高功率電子器件中。氣體環(huán)境同樣對薄膜應(yīng)變調(diào)控起著關(guān)鍵作用。在磁控濺射生長ZnO薄膜時，氣體環(huán)境中的氧氣分壓對薄膜的生長和應(yīng)變狀態(tài)有著重要影響。當氧氣分壓較低時，ZnO薄膜中會出現(xiàn)較多的氧空位，這些氧空位會改變薄膜的化學(xué)計量比和電子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。研究表明，氧空位的存在會使ZnO薄膜的晶格發(fā)生畸變，影響其光學(xué)和電學(xué)性能，如導(dǎo)致薄膜的發(fā)光效率降低、電阻率增大。而適當提高氧氣分壓，可以減少氧空位的產(chǎn)生，使薄膜的化學(xué)計量比更接近理想狀態(tài)，晶格畸變得到緩解，從而改善薄膜的性能。當氧氣分壓調(diào)整到合適的值時，ZnO薄膜的發(fā)光效率明顯提高，電阻率降低，在發(fā)光二極管和傳感器等領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景。生長條件控制實現(xiàn)應(yīng)變調(diào)控的方法具有操作相對靈活、對設(shè)備要求相對較低的優(yōu)點，可以在一定程度上實現(xiàn)對薄膜應(yīng)變的有效調(diào)控。然而，這種方法也存在一些局限性。生長條件的微小波動可能會導(dǎo)致薄膜應(yīng)變狀態(tài)的不穩(wěn)定，對工藝的穩(wěn)定性要求較高。生長條件的改變可能會同時影響薄膜的其他性能，如生長溫度的變化可能會影響薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，沉積速率的改變可能會影響薄膜的生長速率和表面粗糙度，在調(diào)控應(yīng)變的需要綜合考慮對其他性能的影響，難以實現(xiàn)對薄膜應(yīng)變的獨立、精確調(diào)控。3.2.3外加電場或磁場調(diào)控應(yīng)變外加電場或磁場調(diào)控應(yīng)變是一種基于材料的電致伸縮、磁致伸縮效應(yīng)以及磁電耦合效應(yīng)的應(yīng)變調(diào)控方法，在薄膜材料的性能調(diào)控中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和潛力。電致伸縮效應(yīng)是指材料在電場作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。對于一些具有電致伸縮特性的薄膜材料，如Pb(Zr,Ti)O?（PZT）薄膜，通過施加外部電場，可以有效地調(diào)控其應(yīng)變狀態(tài)。當在PZT薄膜上施加電場時，薄膜內(nèi)部的電偶極子會在外電場的作用下發(fā)生取向變化，導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生應(yīng)變。這種應(yīng)變的大小和方向與外加電場的強度和方向密切相關(guān)。研究表明，在一定的電場強度范圍內(nèi)，PZT薄膜的應(yīng)變與電場強度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。通過精確控制外加電場的強度，可以實現(xiàn)對PZT薄膜應(yīng)變的精確調(diào)控。在微機電系統(tǒng)（MEMS）器件中，利用PZT薄膜的電致伸縮效應(yīng)，通過施加不同強度的電場，可以實現(xiàn)對薄膜應(yīng)變的調(diào)控，進而實現(xiàn)對器件微結(jié)構(gòu)的精確控制，如用于制造高精度的微位移傳感器和微執(zhí)行器。磁致伸縮效應(yīng)則是指材料在磁場作用下產(chǎn)生形變的現(xiàn)象。以Terfenol-D（Tb?.?Dy?.?Fe?）等磁致伸縮薄膜材料為例，當施加外部磁場時，薄膜內(nèi)部的磁疇會發(fā)生取向變化，導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生應(yīng)變。這種應(yīng)變與磁場強度之間存在著特定的函數(shù)關(guān)系。在一定的磁場范圍內(nèi)，Terfenol-D薄膜的應(yīng)變會隨著磁場強度的增加而增大。通過改變外加磁場的強度和方向，可以實現(xiàn)對磁致伸縮薄膜應(yīng)變的有效調(diào)控。在一些磁傳感器和磁致動器中，利用Terfenol-D薄膜的磁致伸縮效應(yīng)，通過施加變化的磁場來調(diào)控薄膜的應(yīng)變，實現(xiàn)對磁場的高靈敏度檢測和對微小位移的精確控制。對于具有磁電耦合效應(yīng)的薄膜材料，如BiFeO?等多鐵性薄膜，同時施加電場和磁場可以產(chǎn)生更為復(fù)雜的應(yīng)變調(diào)控效果。在BiFeO?薄膜中，電場可以調(diào)控鐵電疇的取向，磁場可以調(diào)控磁疇的取向，而鐵電疇和磁疇的相互作用會導(dǎo)致晶格發(fā)生復(fù)雜的畸變，從而產(chǎn)生獨特的應(yīng)變狀態(tài)。通過巧妙地設(shè)計電場和磁場的施加方式和參數(shù)，可以實現(xiàn)對BiFeO?薄膜應(yīng)變的多維度調(diào)控。這種多維度調(diào)控為開發(fā)新型的多功能器件提供了可能，如在磁電傳感器中，利用BiFeO?薄膜的磁電耦合效應(yīng)和應(yīng)變調(diào)控特性，可以實現(xiàn)對磁場和電場的同時檢測，提高傳感器的靈敏度和多功能性。外加電場或磁場調(diào)控應(yīng)變的方法具有響應(yīng)速度快、可以實現(xiàn)動態(tài)調(diào)控的優(yōu)點，能夠在不改變薄膜化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)的前提下，快速、靈活地改變薄膜的應(yīng)變狀態(tài)。然而，這種方法也存在一定的局限性。需要額外的電場或磁場施加設(shè)備，增加了實驗和應(yīng)用的復(fù)雜性和成本。對于一些材料，電場或磁場對應(yīng)變的調(diào)控效果可能受到材料本身的性能限制，如材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等因素會影響電場和磁場在材料內(nèi)部的分布和作用效果，從而限制了應(yīng)變調(diào)控的范圍和精度。四、典型磁性金屬薄膜結(jié)構(gòu)與電磁性能的應(yīng)變調(diào)控4.1應(yīng)變對磁性金屬薄膜結(jié)構(gòu)的影響4.1.1晶格參數(shù)變化應(yīng)變對磁性金屬薄膜晶格參數(shù)的影響是一個復(fù)雜而又關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。在眾多的研究實例中，以Fe薄膜在不同應(yīng)變條件下的晶格參數(shù)變化為例，具有很強的代表性?？蒲腥藛T利用分子束外延（MBE）技術(shù)，在具有不同晶格常數(shù)的襯底上生長Fe薄膜。當在晶格常數(shù)較小的襯底上生長時，F(xiàn)e薄膜會受到壓縮應(yīng)變。通過高分辨率X射線衍射（XRD）技術(shù)精確測量發(fā)現(xiàn)，隨著壓縮應(yīng)變的增加，F(xiàn)e薄膜的晶格常數(shù)逐漸減小。這是因為在壓縮應(yīng)變作用下，原子間的距離被強制拉近，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮，導(dǎo)致晶格常數(shù)減小。具體而言，在某一實驗中，當襯底與Fe薄膜的晶格失配率達到一定程度時，F(xiàn)e薄膜的晶格常數(shù)相較于無應(yīng)變狀態(tài)下減小了約0.5%。這種晶格常數(shù)的減小，進一步影響了Fe薄膜的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和原子間的相互作用。由于原子間距的改變，F(xiàn)e原子的電子云分布也發(fā)生了變化，使得原子間的磁相互作用增強，對Fe薄膜的磁性產(chǎn)生了顯著影響，如磁各向異性常數(shù)增大，磁疇結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。在研究Co薄膜時，同樣發(fā)現(xiàn)應(yīng)變對其晶格參數(shù)有著明顯的調(diào)控作用。當采用磁控濺射技術(shù)在熱膨脹系數(shù)不同的襯底上生長Co薄膜時，在薄膜冷卻過程中，由于襯底與薄膜的熱膨脹系數(shù)差異，會在Co薄膜中產(chǎn)生熱應(yīng)力，進而導(dǎo)致應(yīng)變的產(chǎn)生。通過透射電子顯微鏡（TEM）結(jié)合選區(qū)電子衍射（SAED）技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，在拉伸應(yīng)變條件下，Co薄膜的晶格常數(shù)會增大。這是因為拉伸應(yīng)變使得原子間的距離被拉大，晶格結(jié)構(gòu)被拉伸，從而晶格常數(shù)增大。在一些實驗中，當熱應(yīng)力導(dǎo)致的拉伸應(yīng)變達到一定程度時，Co薄膜的晶格常數(shù)增大了約0.3%。這種晶格常數(shù)的增大，改變了Co薄膜的晶體對稱性，使得Co原子的磁矩方向發(fā)生變化，進而影響了Co薄膜的磁性能，如飽和磁化強度有所降低，磁晶各向異性方向發(fā)生改變。從理論計算的角度來看，基于密度泛函理論（DFT）的計算方法能夠深入揭示應(yīng)變與晶格參數(shù)變化之間的內(nèi)在關(guān)系。在對Ni薄膜進行理論計算時，通過構(gòu)建不同應(yīng)變狀態(tài)下的Ni原子模型，考慮電子之間的交換關(guān)聯(lián)作用，計算出不同應(yīng)變條件下Ni薄膜的總能量、電子態(tài)密度和晶格參數(shù)。計算結(jié)果表明，隨著拉伸應(yīng)變的增加，Ni薄膜的晶格常數(shù)逐漸增大，這與實驗結(jié)果相符。從電子結(jié)構(gòu)層面分析，拉伸應(yīng)變使得Ni原子的電子云分布更加分散，原子間的鍵長增大，從而導(dǎo)致晶格常數(shù)增大。這種理論計算不僅驗證了實驗結(jié)果，還為進一步理解應(yīng)變對磁性金屬薄膜晶格參數(shù)影響的微觀機制提供了有力支持，有助于預(yù)測不同應(yīng)變條件下薄膜的結(jié)構(gòu)和性能變化，為材料設(shè)計和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。4.1.2晶體取向改變應(yīng)變導(dǎo)致磁性金屬薄膜晶體取向變化的現(xiàn)象在眾多研究中得到了廣泛關(guān)注。以在藍寶石襯底上生長的Fe薄膜為例，由于藍寶石襯底與Fe薄膜之間存在較大的晶格失配，在生長過程中會在Fe薄膜中產(chǎn)生應(yīng)變。研究發(fā)現(xiàn)，隨著薄膜厚度的增加，應(yīng)變逐漸積累，F(xiàn)e薄膜的晶體取向會發(fā)生顯著變化。通過X射線衍射（XRD）的極圖分析可以清晰地觀察到，在薄膜生長初期，F(xiàn)e薄膜的晶體取向呈現(xiàn)出一定的隨機性；隨著薄膜厚度的增加，在應(yīng)變的作用下，F(xiàn)e薄膜的晶體取向逐漸向某一特定方向擇優(yōu)生長。這是因為應(yīng)變會導(dǎo)致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力場，在應(yīng)力場的作用下，晶體的生長方向會發(fā)生調(diào)整，以降低系統(tǒng)的能量。具體而言，在某一實驗中，當Fe薄膜厚度達到一定值時，其（110）晶面的取向強度明顯增強，相對于初始狀態(tài)提高了約50%，表明晶體取向發(fā)生了明顯的改變。這種晶體取向的改變對Fe薄膜的性能產(chǎn)生了多方面的影響。在磁性方面，晶體取向的改變會導(dǎo)致磁晶各向異性的變化。由于不同晶面的原子排列和磁相互作用不同，當晶體取向發(fā)生變化時，磁晶各向異性的方向和大小也會相應(yīng)改變，從而影響Fe薄膜的磁化過程和磁性能。在電學(xué)性能方面，晶體取向的改變會影響電子的散射和傳輸路徑，進而改變薄膜的電導(dǎo)率。在研究Co薄膜時，也發(fā)現(xiàn)了類似的應(yīng)變誘導(dǎo)晶體取向變化的現(xiàn)象。當在Si襯底上通過分子束外延（MBE）技術(shù)生長Co薄膜時，由于Si襯底與Co薄膜的晶格失配以及生長過程中的熱應(yīng)力，會在Co薄膜中產(chǎn)生應(yīng)變。利用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變會使得Co薄膜的晶體取向發(fā)生旋轉(zhuǎn)和重排。在低應(yīng)變條件下，Co薄膜的晶體取向相對較為混亂；隨著應(yīng)變的增大，Co薄膜逐漸形成了以某一晶面為主的擇優(yōu)取向。研究表明，這種晶體取向的改變與應(yīng)變的大小和方向密切相關(guān)。當應(yīng)變方向與某一晶向一致時，該晶向的生長速度會加快，從而導(dǎo)致晶體取向向該方向調(diào)整。在實際應(yīng)用中，Co薄膜晶體取向的改變對其在磁存儲和傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用性能有著重要影響。在磁存儲領(lǐng)域，晶體取向的改變會影響磁疇的形成和排列，進而影響存儲密度和讀寫性能；在傳感器領(lǐng)域，晶體取向的改變會影響薄膜對磁場的響應(yīng)特性，從而影響傳感器的靈敏度和精度。晶體取向的改變還會影響磁性金屬薄膜的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。由于不同晶體取向的原子排列方式不同，薄膜的硬度、彈性模量等力學(xué)性能會隨著晶體取向的改變而發(fā)生變化。晶體取向的改變還會影響薄膜表面的原子活性和化學(xué)反應(yīng)活性，從而影響薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性。在一些催化應(yīng)用中，磁性金屬薄膜的晶體取向?qū)Υ呋钚杂兄匾绊?，通過應(yīng)變調(diào)控晶體取向可以優(yōu)化薄膜的催化性能。4.2應(yīng)變對磁性金屬薄膜電磁性能的影響4.2.1磁性能變化應(yīng)變對磁性金屬薄膜磁性能的影響是多方面且復(fù)雜的，涉及磁矩、磁化強度、磁各向異性等關(guān)鍵磁性能指標。以Fe薄膜為例，當受到拉伸應(yīng)變時，其磁矩會發(fā)生顯著變化。研究表明，拉伸應(yīng)變會使Fe原子間的距離增大，電子云分布發(fā)生改變，從而導(dǎo)致磁矩減小。通過高精度的磁測量實驗和基于密度泛函理論（DFT）的計算模擬發(fā)現(xiàn)，在一定的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，F(xiàn)e薄膜的磁矩會隨著應(yīng)變的增加而線性減小。這種磁矩的變化會進一步影響薄膜的磁化強度，因為磁化強度與磁矩密切相關(guān)，磁矩的減小會導(dǎo)致磁化強度降低。對于Co薄膜，應(yīng)變對其磁各向異性的影響尤為顯著。在未施加應(yīng)變時，Co薄膜具有一定的磁晶各向異性，其易磁化軸沿著特定的晶向。當施加應(yīng)變后，晶格發(fā)生畸變，原子間的磁相互作用發(fā)生改變，導(dǎo)致磁各向異性的方向和大小都發(fā)生變化。通過鐵磁共振（FMR）技術(shù)和磁滯回線測量實驗發(fā)現(xiàn)，在壓縮應(yīng)變作用下，Co薄膜的磁晶各向異性常數(shù)增大，易磁化軸方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這種磁各向異性的改變對Co薄膜的磁化過程產(chǎn)生了深遠影響，使得在不同方向上施加磁場時，薄膜的磁化行為表現(xiàn)出明顯差異。在實際應(yīng)用中，如在磁記錄領(lǐng)域，磁各向異性的變化會影響磁疇的穩(wěn)定性和取向，進而影響存儲密度和讀寫性能。在Fe-Ni合金薄膜中，應(yīng)變對磁導(dǎo)率的影響是研究的重點之一。Fe-Ni合金薄膜因其高磁導(dǎo)率而在電子器件中有著廣泛應(yīng)用。當薄膜受到應(yīng)變時，其內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，從而影響磁導(dǎo)率。實驗研究表明，在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，隨著拉伸應(yīng)變的增加，F(xiàn)e-Ni合金薄膜的磁導(dǎo)率會逐漸增大。這是因為拉伸應(yīng)變使得磁疇壁的移動更加容易，降低了磁疇壁移動的阻力，從而提高了磁導(dǎo)率。然而，當應(yīng)變超過一定值時，磁導(dǎo)率會開始下降，這是由于過大的應(yīng)變導(dǎo)致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生較多的缺陷和應(yīng)力集中，阻礙了磁疇壁的移動。通過控制應(yīng)變的大小，可以實現(xiàn)對Fe-Ni合金薄膜磁導(dǎo)率的有效調(diào)控，滿足不同電子器件對磁導(dǎo)率的要求。從微觀角度來看，應(yīng)變對磁性金屬薄膜磁性能的影響機制主要源于原子間的磁相互作用和電子結(jié)構(gòu)的變化。應(yīng)變導(dǎo)致晶格畸變，改變了原子間的距離和鍵角，進而影響了電子云的分布和電子軌道的雜化程度。在過渡金屬中，d電子的分布和相互作用對磁性能起著關(guān)鍵作用。應(yīng)變會改變d電子的能級結(jié)構(gòu)和自旋狀態(tài)，從而影響磁矩、磁化強度和磁各向異性等磁性能。在Fe薄膜中，拉伸應(yīng)變使得Fe原子的d電子云更加分散，電子之間的交換相互作用減弱，導(dǎo)致磁矩減小。應(yīng)變還會影響磁性金屬薄膜中的磁疇結(jié)構(gòu)和疇壁運動。磁疇結(jié)構(gòu)的變化會直接影響薄膜的宏觀磁性能，如磁導(dǎo)率和矯頑力等。4.2.2電性能變化應(yīng)變對磁性金屬薄膜電性能的影響主要體現(xiàn)在電導(dǎo)率和電阻溫度系數(shù)等方面，這些電性能的變化與薄膜結(jié)構(gòu)的改變密切相關(guān)。以Cu薄膜為例，當受到拉伸應(yīng)變時，其電導(dǎo)率會發(fā)生明顯變化。研究表明，拉伸應(yīng)變會使Cu原子間的距離增大，電子在晶格中的散射概率增加，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率降低。通過實驗測量和理論計算發(fā)現(xiàn)，在一定的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，Cu薄膜的電導(dǎo)率與應(yīng)變之間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，即隨著應(yīng)變的增加，電導(dǎo)率逐漸減小。這種電導(dǎo)率的變化是由于拉伸應(yīng)變破壞了Cu原子的規(guī)則排列，使得電子在傳導(dǎo)過程中受到更多的散射，阻礙了電子的傳輸。在研究Ni薄膜的電阻溫度系數(shù)時，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變對其有顯著影響。在未施加應(yīng)變時，Ni薄膜具有一定的電阻溫度系數(shù)，隨著溫度的升高，電阻會逐漸增大。當施加壓縮應(yīng)變后，Ni薄膜的電阻溫度系數(shù)發(fā)生改變。通過實驗測量不同溫度下施加應(yīng)變前后Ni薄膜的電阻變化，發(fā)現(xiàn)壓縮應(yīng)變會使Ni薄膜的電阻溫度系數(shù)減小。這是因為壓縮應(yīng)變改變了Ni原子的振動特性和電子結(jié)構(gòu)，使得電子與聲子的相互作用發(fā)生變化。在壓縮應(yīng)變下，Ni原子的振動幅度減小，電子與聲子的散射概率降低，從而導(dǎo)致電阻隨溫度的變化減小，即電阻溫度系數(shù)減小。這種電阻溫度系數(shù)的改變在一些對溫度穩(wěn)定性要求較高的電子器件中具有重要意義，如在精密電阻器和溫度傳感器等器件中，可以通過應(yīng)變調(diào)控電阻溫度系數(shù)，提高器件的性能和穩(wěn)定性。在Fe-Co合金薄膜中，應(yīng)變對電性能的影響更為復(fù)雜，同時伴隨著磁性能的變化，產(chǎn)生了磁電阻效應(yīng)。當施加應(yīng)變時，F(xiàn)e-Co合金薄膜的電阻會隨著磁場的變化而發(fā)生顯著改變，這種現(xiàn)象被稱為磁電阻效應(yīng)。研究表明，應(yīng)變會改變Fe-Co合金薄膜的磁疇結(jié)構(gòu)和電子自旋狀態(tài)，從而影響電子在磁場中的散射過程。在一定的應(yīng)變和磁場條件下，電子的自旋方向與磁場方向的夾角發(fā)生變化，導(dǎo)致電子在薄膜中的散射概率改變，進而使電阻發(fā)生變化。通過控制應(yīng)變的大小和方向，可以調(diào)控Fe-Co合金薄膜的磁電阻效應(yīng)，實現(xiàn)對電阻的有效調(diào)控。在磁傳感器中，利用這種磁電阻效應(yīng)可以檢測微弱的磁場變化，實現(xiàn)對磁場的高靈敏度探測。應(yīng)變對磁性金屬薄膜電性能的影響是由結(jié)構(gòu)變化引起的電子散射和電子結(jié)構(gòu)改變所導(dǎo)致的。通過深入研究應(yīng)變與電性能之間的關(guān)系，可以為磁性金屬薄膜在電子器件中的應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)，實現(xiàn)對薄膜電性能的優(yōu)化和調(diào)控，滿足不同電子器件對電性能的要求。4.3案例分析：以Fe-Ni合金薄膜為例Fe-Ni合金薄膜，又稱坡莫合金薄膜，因其卓越的軟磁性能，在電子信息、傳感器、通信等眾多領(lǐng)域占據(jù)著不可或缺的地位。這種合金薄膜通常具有面心立方（FCC）晶體結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e和Ni原子在晶格中隨機分布。其獨特的晶體結(jié)構(gòu)賦予了薄膜優(yōu)異的磁性能，如高磁導(dǎo)率、低矯頑力等。在電子信息領(lǐng)域，F(xiàn)e-Ni合金薄膜被廣泛應(yīng)用于磁存儲介質(zhì)，其高磁導(dǎo)率使得磁記錄頭能夠更高效地寫入和讀取信息，提高存儲密度和讀寫速度。在傳感器領(lǐng)域，利用其對磁場的高靈敏度響應(yīng)，可制作高精度的磁場傳感器，用于檢測微弱的磁場變化，在生物醫(yī)學(xué)檢測、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。當Fe-Ni合金薄膜受到應(yīng)變作用時，其結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著變化。從晶格參數(shù)來看，研究表明，拉伸應(yīng)變會使Fe-Ni合金薄膜的晶格常數(shù)增大。通過高分辨率X射線衍射（XRD）技術(shù)的精確測量發(fā)現(xiàn)，在一定的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，晶格常數(shù)的增大量與應(yīng)變大小呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。這是因為拉伸應(yīng)變使得原子間的距離被拉大，晶格結(jié)構(gòu)被拉伸，從而導(dǎo)致晶格常數(shù)增大。這種晶格常數(shù)的變化進一步影響了薄膜的晶體取向。利用電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變會促使Fe-Ni合金薄膜的晶體取向發(fā)生調(diào)整，出現(xiàn)擇優(yōu)取向現(xiàn)象。在某一實驗中，當施加一定大小的拉伸應(yīng)變時，薄膜中（111）晶面的取向強度明顯增強，相對于未施加應(yīng)變時提高了約30%，這表明晶體取向在應(yīng)變作用下發(fā)生了明顯的改變，且這種改變與應(yīng)變的大小和方向密切相關(guān)。應(yīng)變對Fe-Ni合金薄膜磁性能的影響也十分顯著。在磁導(dǎo)率方面，實驗研究表明，在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，隨著拉伸應(yīng)變的增加，F(xiàn)e-Ni合金薄膜的磁導(dǎo)率會逐漸增大。這是因為拉伸應(yīng)變使得磁疇壁的移動更加容易，降低了磁疇壁移動的阻力，從而提高了磁導(dǎo)率。通過磁導(dǎo)率測試實驗，繪制出磁導(dǎo)率與應(yīng)變的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)當應(yīng)變達到某一臨界值時，磁導(dǎo)率達到最大值。然而，當應(yīng)變繼續(xù)增大超過該臨界值時，磁導(dǎo)率會開始下降，這是由于過大的應(yīng)變導(dǎo)致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生較多的缺陷和應(yīng)力集中，阻礙了磁疇壁的移動。在矯頑力方面，應(yīng)變會導(dǎo)致Fe-Ni合金薄膜的矯頑力發(fā)生變化。隨著應(yīng)變的增加，矯頑力逐漸增大，這是因為應(yīng)變改變了薄膜的磁疇結(jié)構(gòu)和磁各向異性，使得磁化過程中磁疇的反轉(zhuǎn)變得更加困難，從而增大了矯頑力。通過磁滯回線測量實驗，精確計算出不同應(yīng)變條件下薄膜的矯頑力，發(fā)現(xiàn)矯頑力與應(yīng)變之間呈現(xiàn)出近似線性的增長關(guān)系。從微觀機制角度深入分析，應(yīng)變導(dǎo)致Fe-Ni合金薄膜結(jié)構(gòu)和電磁性能變化的原因主要在于原子間的相互作用和電子結(jié)構(gòu)的改變。應(yīng)變引起晶格畸變，使得原子間的距離和鍵角發(fā)生變化，進而影響了原子間的磁相互作用。在Fe-Ni合金中，F(xiàn)e和Ni原子的磁矩通過電子云的重疊產(chǎn)生交換相互作用，應(yīng)變改變了電子云的分布和重疊程度，從而影響了磁相互作用的強度和方向，導(dǎo)致磁性能發(fā)生變化。應(yīng)變還會影響電子的能帶結(jié)構(gòu)，改變電子的能量狀態(tài)和分布，進一步影響薄膜的電磁性能。通過基于密度泛函理論（DFT）的計算模擬，詳細分析了不同應(yīng)變條件下Fe-Ni合金薄膜的電子結(jié)構(gòu)和磁性能，結(jié)果表明，應(yīng)變會使電子的能帶發(fā)生分裂和移動，導(dǎo)致電子的態(tài)密度分布發(fā)生變化，從而解釋了應(yīng)變對磁性能影響的微觀機制。五、過渡金屬氧化物薄膜結(jié)構(gòu)與電磁性能的應(yīng)變調(diào)控5.1應(yīng)變對過渡金屬氧化物薄膜結(jié)構(gòu)的影響5.1.1晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變二氧化釩（VO?）薄膜是研究應(yīng)變誘導(dǎo)晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的典型過渡金屬氧化物薄膜。在室溫下，VO?薄膜呈現(xiàn)單斜結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體狀態(tài)。當溫度升高到約68℃（轉(zhuǎn)變溫度）時，VO?薄膜會發(fā)生從單斜結(jié)構(gòu)到四方結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贍顟B(tài)。這種晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變伴隨著電學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)的急劇變化，具有重要的研究價值和應(yīng)用前景。在應(yīng)變作用下，VO?薄膜的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變行為會發(fā)生顯著改變。研究表明，當對VO?薄膜施加拉伸應(yīng)變時，其晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度會降低。通過在具有不同晶格常數(shù)的襯底上生長VO?薄膜，利用襯底與薄膜之間的晶格失配引入應(yīng)變，實驗結(jié)果顯示，隨著拉伸應(yīng)變的增加，VO?薄膜的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低。在某一實驗中，當拉伸應(yīng)變達到一定程度時，VO?薄膜的轉(zhuǎn)變溫度從約68℃降低到了60℃左右。這是因為拉伸應(yīng)變使得VO?薄膜的晶格發(fā)生畸變，原子間的距離和鍵角發(fā)生改變，從而降低了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的能量勢壘，使得轉(zhuǎn)變更容易發(fā)生。相反，當施加壓縮應(yīng)變時，VO?薄膜的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度會升高。通過精確控制襯底材料和生長條件，在VO?薄膜中引入壓縮應(yīng)變，實驗發(fā)現(xiàn)，隨著壓縮應(yīng)變的增大，VO?薄膜的轉(zhuǎn)變溫度逐漸升高。在一些實驗中，壓縮應(yīng)變使得VO?薄膜的轉(zhuǎn)變溫度升高到了75℃左右。這是因為壓縮應(yīng)變增強了原子間的相互作用，使得結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變需要更高的能量，從而提高了轉(zhuǎn)變溫度。這種應(yīng)變誘導(dǎo)的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對VO?薄膜的性能產(chǎn)生了多方面的影響。在電學(xué)性能方面，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變前后VO?薄膜的電導(dǎo)率發(fā)生了顯著變化。在單斜結(jié)構(gòu)下，VO?薄膜的電導(dǎo)率較低，表現(xiàn)為半導(dǎo)體特性；而在四方結(jié)構(gòu)下，電導(dǎo)率急劇增加，呈現(xiàn)金屬特性。應(yīng)變對電導(dǎo)率的變化幅度也有影響，適當?shù)膽?yīng)變可以增強電導(dǎo)率在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變前后的變化，提高其開關(guān)比。在光學(xué)性能方面，VO?薄膜的光學(xué)透過率和反射率在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時發(fā)生明顯改變。在單斜結(jié)構(gòu)下，VO?薄膜對紅外光具有較高的透過率；而在四方結(jié)構(gòu)下，對紅外光的反射率顯著提高。應(yīng)變可以調(diào)控這種光學(xué)性能的轉(zhuǎn)變，使其在智能窗等應(yīng)用中能夠更好地實現(xiàn)對光線和熱量的調(diào)控。5.1.2缺陷與雜質(zhì)分布改變應(yīng)變對過渡金屬氧化物薄膜中缺陷與雜質(zhì)分布的影響是一個復(fù)雜而關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。以TiO?薄膜為例，當受到應(yīng)變作用時，其內(nèi)部的缺陷與雜質(zhì)分布會發(fā)生顯著變化。研究表明，拉伸應(yīng)變會使TiO?薄膜中的氧空位濃度增加。通過在具有不同晶格常數(shù)的襯底上生長TiO?薄膜，利用襯底與薄膜之間的晶格失配引入拉伸應(yīng)變，實驗結(jié)果顯示，隨著拉伸應(yīng)變的增加，TiO?薄膜中的氧空位濃度逐漸升高。這是因為拉伸應(yīng)變使得TiO?晶格發(fā)生畸變，原子間的距離增大，氧原子與鈦原子之間的鍵能減弱，導(dǎo)致部分氧原子脫離晶格，形成氧空位。這些氧空位的存在會改變TiO?薄膜的電子結(jié)構(gòu)，增加電子的散射中心，從而影響薄膜的電學(xué)性能，使電導(dǎo)率降低。壓縮應(yīng)變對TiO?薄膜中雜質(zhì)分布的影響也十分顯著。在生長TiO?薄膜時，不可避免地會引入一些雜質(zhì)原子。當施加壓縮應(yīng)變時，雜質(zhì)原子會在晶格中重新分布。研究發(fā)現(xiàn)，壓縮應(yīng)變會使雜質(zhì)原子向晶界和位錯等缺陷處聚集。這是因為壓縮應(yīng)變導(dǎo)致晶格內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻，雜質(zhì)原子在應(yīng)力作用下會向能量較低的缺陷處遷移。通過高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和能量色散X射線譜（EDS）分析發(fā)現(xiàn)，在壓縮應(yīng)變作用下，TiO?薄膜晶界處的雜質(zhì)原子濃度明顯增加。這種雜質(zhì)分布的改變會影響薄膜的性能，晶界處雜質(zhì)原子的聚集會阻礙電子的傳輸，進一步降低薄膜的電導(dǎo)率；雜質(zhì)原子在晶界處的存在還會影響晶界的穩(wěn)定性和化學(xué)反應(yīng)活性，對薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性和催化性能產(chǎn)生影響。缺陷與雜質(zhì)分布的改變還會影響過渡金屬氧化物薄膜的光學(xué)性能。在一些過渡金屬氧化物薄膜中，缺陷和雜質(zhì)會形成能級，這些能級會影響光的吸收和發(fā)射。在ZnO薄膜中，氧空位等缺陷會形成深能級陷阱，當光照射時，電子會被陷阱捕獲，然后再通過輻射躍遷的方式釋放能量，產(chǎn)生光致發(fā)光現(xiàn)象。應(yīng)變導(dǎo)致的缺陷和雜質(zhì)分布改變會影響陷阱的密度和能級結(jié)構(gòu)，從而改變光致發(fā)光的強度和波長。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，隨著應(yīng)變的增加，ZnO薄膜的光致發(fā)光強度會先增強后減弱，發(fā)光波長也會發(fā)生一定的移動，這與缺陷和雜質(zhì)分布的變化密切相關(guān)。5.2應(yīng)變對過渡金屬氧化物薄膜電磁性能的影響5.2.1電學(xué)性能變化應(yīng)變對過渡金屬氧化物薄膜電學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在電導(dǎo)率、介電常數(shù)和鐵電性能等方面。以TiO?薄膜為例，其電學(xué)性能對應(yīng)變極為敏感。研究表明，拉伸應(yīng)變會使TiO?薄膜的電導(dǎo)率發(fā)生顯著變化。當TiO?薄膜受到拉伸應(yīng)變時，晶格發(fā)生畸變，原子間的距離增大，導(dǎo)致電子的傳輸路徑發(fā)生改變，電子散射概率增加，從而使電導(dǎo)率降低。通過實驗測量和理論計算發(fā)現(xiàn)，在一定的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，電導(dǎo)率與應(yīng)變之間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，即隨著應(yīng)變的增加，電導(dǎo)率逐漸減小。這是因為拉伸應(yīng)變破壞了TiO?晶格的對稱性，使得電子在傳導(dǎo)過程中受到更多的阻礙，難以順利通過晶格，從而降低了電導(dǎo)率。在介電常數(shù)方面，應(yīng)變同樣對過渡金屬氧化物薄膜有著重要影響。以BaTiO?薄膜為例，它是一種典型的鐵電材料，具有較高的介電常數(shù)。當施加應(yīng)變時，BaTiO?薄膜的介電常數(shù)會發(fā)生改變。研究發(fā)現(xiàn)，壓縮應(yīng)變會使BaTiO?薄膜的介電常數(shù)增大。這是因為壓縮應(yīng)變使得BaTiO?晶格中的離子間距減小，離子間的相互作用增強，從而導(dǎo)致介電常數(shù)增大。通過改變應(yīng)變的大小，可以實現(xiàn)對BaTiO?薄膜介電常數(shù)的有效調(diào)控，滿足不同電子器件對介電常數(shù)的要求。在一些微波器件中，需要具有特定介電常數(shù)的材料來實現(xiàn)信號的高效傳輸和處理，通過應(yīng)變調(diào)控BaTiO?薄膜的介電常數(shù)，可以使其更好地應(yīng)用于這些器件中。對于具有鐵電性能的過渡金屬氧化物薄膜，應(yīng)變對其鐵電極化強度和電滯回線也有顯著影響。以BiFeO?薄膜為例，它是一種多鐵性材料，同時具有鐵電和鐵磁性能。當施加應(yīng)變時，BiFeO?薄膜的鐵電極化強度會發(fā)生變化。研究表明，拉伸應(yīng)變可以增強BiFeO?薄膜的鐵電極化強度。這是因為拉伸應(yīng)變改變了BiFeO?晶格的結(jié)構(gòu)，使得鐵電疇的取向更加有序，從而增強了鐵電極化強度。應(yīng)變還會影響B(tài)iFeO?薄膜的電滯回線形狀和大小。通過測量不同應(yīng)變條件下BiFeO?薄膜的電滯回線，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變會使電滯回線的剩余極化強度和矯頑場發(fā)生改變，這對于BiFeO?薄膜在鐵電存儲器和傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。在鐵電存儲器中，電滯回線的特性直接影響著存儲性能，通過應(yīng)變調(diào)控電滯回線，可以提高存儲器的存儲密度和讀寫速度。5.2.2磁學(xué)性能變化應(yīng)變對過渡金屬氧化物薄膜磁學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在磁化強度、磁各向異性和磁電阻等方面。以LaMnO?薄膜為例，其磁化強度對應(yīng)變十分敏感。研究表明，拉伸應(yīng)變會使LaMnO?薄膜的磁化強度發(fā)生顯著變化。當LaMnO?薄膜受到拉伸應(yīng)變時，晶格發(fā)生畸變，原子間的距離增大，導(dǎo)致Mn-O鍵長和鍵角發(fā)生改變，從而影響了Mn離子之間的磁交換相互作用。通過實驗測量和理論計算發(fā)現(xiàn)，在一定的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，隨著應(yīng)變的增加，LaMnO?薄膜的磁化強度逐漸減小。這是因為拉伸應(yīng)變削弱了Mn離子之間的鐵磁相互作用，使得磁矩的排列變得更加無序，從而降低了磁化強度。磁各向異性也是過渡金屬氧化物薄膜磁學(xué)性能的重要參數(shù)，應(yīng)變對其有著顯著的調(diào)控作用。以CoFe?O?薄膜為例，它是一種尖晶石結(jié)構(gòu)的鐵氧體薄膜，具有一定的磁各向異性。當施加應(yīng)變時，CoFe?O?薄膜的磁各向異性會發(fā)生改變。研究發(fā)現(xiàn)，壓縮應(yīng)變可以使CoFe?O?薄膜的磁各向異性常數(shù)增大。這是因為壓縮應(yīng)變使得CoFe?O?晶格中的離子間距減小，離子間的磁相互作用增強，從而導(dǎo)致磁各向異性常數(shù)增大。通過改變應(yīng)變的大小和方向，可以實現(xiàn)對CoFe?O?薄膜磁各向異性的有效調(diào)控，滿足不同磁學(xué)器件對磁各向異性的要求。在一些磁記錄器件中，需要精確控制磁各向異性來提高存儲密度和讀寫性能，通過應(yīng)變調(diào)控CoFe?O?薄膜的磁各向異性，可以使其更好地應(yīng)用于這些器件中。磁電阻效應(yīng)是過渡金屬氧化物薄膜的一個重要特性，應(yīng)變對其也有重要影響。以La?.?Ca?.?MnO?薄膜為例，它具有龐磁電阻效應(yīng)，即在磁場作用下，電阻會發(fā)生顯著變化。當施加應(yīng)變時，La?.?Ca?.?MnO?薄膜的磁電阻效應(yīng)會發(fā)生改變。研究表明，拉伸應(yīng)變可以增強La?.?Ca?.?MnO?薄膜的磁電阻效應(yīng)。這是因為拉伸應(yīng)變改變了薄膜的晶格結(jié)構(gòu)和電子態(tài)，使得電子在磁場中的散射過程發(fā)生變化，從而增強了磁電阻效應(yīng)。通過控制應(yīng)變的大小和方向，可以實現(xiàn)對La?.?Ca?.?MnO?薄膜磁電阻效應(yīng)的有效調(diào)控，提高其在磁傳感器和磁記錄等領(lǐng)域的應(yīng)用性能。在磁傳感器中，利用La?.?Ca?.?MnO?薄膜的磁電阻效應(yīng)可以檢測微弱的磁場變化，應(yīng)變調(diào)控可以進一步提高傳感器的靈敏度和分辨率。5.3案例分析：以LaMnO?薄膜為例LaMnO?薄膜作為一種典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物薄膜，具有獨特的電磁性能，在自旋電子學(xué)、傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其晶體結(jié)構(gòu)屬于立方晶系，空間群為Pm-3m，具有ABO?型結(jié)構(gòu)，其中A位為La離子，B位為Mn離子，氧離子位于八面體的頂點，形成MnO?八面體結(jié)構(gòu)單元，通過共頂點方式連接形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，La離子填充在八面體間隙中。這種結(jié)構(gòu)賦予了LaMnO?薄膜豐富的物理性質(zhì)，如金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變、龐磁電阻效應(yīng)等。在自旋電子學(xué)器件中，利用其磁電阻效應(yīng)可以實現(xiàn)信息的高效存儲和處理；在傳感器領(lǐng)域，基于其對磁場、溫度等物理量的敏感響應(yīng)，可制作高靈敏度的傳感器。當LaMnO?薄膜受到應(yīng)變作用時，其結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著變化。研究表明，拉伸應(yīng)變會使LaMnO?薄膜的晶格常數(shù)增大，導(dǎo)致MnO?八面體發(fā)生畸變，Mn-O鍵長和鍵角發(fā)生改變。通過高分辨率X射線衍射（XRD）技術(shù)精確測量發(fā)現(xiàn)，在一定的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，晶格常數(shù)的增大量與應(yīng)變大小呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。這種晶格畸變會進一步影響薄膜的電子結(jié)構(gòu)，使得Mn離子的d電子軌道發(fā)生變化，電子云分布改變，從而影響電子之間的相互作用和自旋狀態(tài)。利用拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變導(dǎo)致MnO?八面體的振動模式發(fā)生變化，進一步證實了晶格畸變的存在。應(yīng)變對LaMnO?薄膜電磁性能的影響也十分顯著。在電學(xué)性能方面，拉伸應(yīng)變會使LaMnO?薄膜的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生改變。研究表明，隨著拉伸應(yīng)變的增加，金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低。通過綜合物性測量系統(tǒng)（PPMS）測量不同應(yīng)變條件下薄膜的電阻隨溫度的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變使得薄膜的電阻-溫度曲線發(fā)生明顯移動，轉(zhuǎn)變溫度的降低意味著在較低溫度下薄膜就能從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)，這對于其在電子器件中的應(yīng)用具有重要意義，可實現(xiàn)器件在更低溫度下的高效運行。在磁學(xué)性能方面，拉伸應(yīng)變會使LaMnO?薄膜的磁化強度發(fā)生變化。實驗結(jié)果顯示，在一定的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，隨著應(yīng)變的增加，磁化強度逐漸減小。這是因為拉伸應(yīng)變削弱了Mn離子之間的鐵磁相互作用，使得磁矩的排列變得更加無序，從而降低了磁化強度。通過振動樣品磁強計（VSM）測量不同應(yīng)變下薄膜的磁滯回線，精確計算出磁化強度的變化值，發(fā)現(xiàn)磁化強度與應(yīng)變之間呈現(xiàn)出近似線性的變化關(guān)系。應(yīng)變還會影響LaMnO?薄膜的磁各向異性，使得磁各向異性的方向和大小發(fā)生改變，進一步影響薄膜的磁性能和應(yīng)用性能。從微觀機制角度深入分析，應(yīng)變導(dǎo)致LaMnO?薄膜結(jié)構(gòu)和電磁性能變化的原因主要在于原子間的相互作用和電子結(jié)構(gòu)的改變。應(yīng)變引起的晶格畸變改變了原子間的距離和鍵角，進而影響了電子云的分布和電子軌道的雜化程度。在LaMnO?薄膜中，Mn-O鍵的變化對電子結(jié)構(gòu)和磁性能起著關(guān)鍵作用。拉伸應(yīng)變使得Mn-O鍵長增大，鍵角改變，導(dǎo)致Mn離子的d電子軌道分裂情況發(fā)生變化，電子之間的交換相互作用減弱，從而影響了磁性能。應(yīng)變還會影響電子的巡游性，改變電子在晶格中的傳輸特性，進而影響電學(xué)性能。通過基于密度泛函理論（DFT）的計算模擬，詳細分析了不同應(yīng)變條件下LaMnO?薄膜的電子結(jié)構(gòu)和磁性能，結(jié)果表明，應(yīng)變會使電子的能帶發(fā)生分裂和移動，導(dǎo)致電子的態(tài)密度分布發(fā)生變化，從而從微觀層面解釋了應(yīng)變對LaMnO?薄膜結(jié)構(gòu)和電磁性能影響的內(nèi)在機制。六、應(yīng)變調(diào)控的應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)6.1應(yīng)用前景應(yīng)變調(diào)控在自旋電子學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，有望推動該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破。在磁隨機存取存儲器（MRAM）中，利用應(yīng)變調(diào)控磁性薄膜的磁各向異性和磁電阻效應(yīng)，能夠顯著提升存儲性能。通過在磁性薄膜與襯底之間引入晶格失配應(yīng)變，可精確調(diào)整磁各向異性的方向和大小，使磁疇的穩(wěn)定性得到增強，從而提高存儲密度。研究表明，在特定的應(yīng)變條件下，MRAM的存儲密度可比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高數(shù)倍。應(yīng)變調(diào)控還能增強磁電阻效應(yīng)，加快讀寫速度，降低功耗。在一些實驗中，通過應(yīng)變調(diào)控，磁電阻變化率提高了數(shù)十個百分點，讀寫速度提升了近一倍，功耗降低了約30%，這對于滿足現(xiàn)代信息技術(shù)對高速、低功耗存儲的需求具有重要意義。在自旋邏輯器件中，應(yīng)變調(diào)控可實現(xiàn)對自旋極化電流的有效操控。通過在磁性隧道結(jié)中施加應(yīng)變，改變隧道結(jié)的勢壘高度和寬度，進而調(diào)控自旋極化電子的隧穿概率。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變能夠使自旋極化電流的方向和大小發(fā)生改變，實現(xiàn)邏輯運算功能。這種基于應(yīng)變調(diào)控的自旋邏輯器件，相比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體邏輯器件，具有更高的集成度和更低的功耗。在未來的高性能計算芯片中，引入應(yīng)變調(diào)控的自旋邏輯器件，有望大幅提升芯片的運算速度和降低能耗，推動計算技術(shù)向更高性能、更低功耗的方向發(fā)展。在傳感器領(lǐng)域，應(yīng)變調(diào)控技術(shù)為開發(fā)高靈敏度、高選擇性的傳感器提供了新途徑。在磁場傳感器中，利用應(yīng)變調(diào)控磁性薄膜的磁導(dǎo)率和磁電阻效應(yīng)，可顯著提高傳感器的靈敏度。通過在磁性薄膜中引入適當?shù)膽?yīng)變，改變其磁疇結(jié)構(gòu)和電子自旋狀態(tài)，使傳感器對微弱磁場的響應(yīng)更加靈敏。研究表明，應(yīng)變調(diào)控后的磁場傳感器，其靈敏度可比傳統(tǒng)傳感器提高一個數(shù)量級以上，能夠檢測到納特斯拉級別的微弱磁場變化，在生物醫(yī)學(xué)檢測、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。在生物醫(yī)學(xué)檢測中，可用于檢測生物分子的磁性標記，實現(xiàn)對疾病的早期診斷；在地質(zhì)勘探中，可用于探測地下礦產(chǎn)資源的分布情況。在壓力傳感器中，應(yīng)變調(diào)控可實現(xiàn)對壓力的高精度測量。通過將具有壓電效應(yīng)的薄膜與磁性薄膜相結(jié)合，利用應(yīng)變在兩者之間的傳遞和耦合，實現(xiàn)對壓力的感知和轉(zhuǎn)換。當壓力作用于傳感器時，壓電薄膜產(chǎn)生應(yīng)變，進而通過應(yīng)變調(diào)控磁性薄膜的電磁性能，如磁導(dǎo)率、磁電阻等。研究發(fā)現(xiàn)，這種基于應(yīng)變調(diào)控的壓力傳感器，具有更高的靈敏度和線性度，能夠?qū)崿F(xiàn)對微小壓力變化的精確測量。在工業(yè)生產(chǎn)中，可用于監(jiān)測機械設(shè)備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患；在航空航天領(lǐng)域，可用于測量飛行器的氣壓、液壓等參數(shù)，確保飛行安全。在存儲器領(lǐng)域，應(yīng)變調(diào)控技術(shù)為開發(fā)新型高性能存儲器提供了可能。在鐵電存儲器中，通過應(yīng)變調(diào)控