應(yīng)變驅(qū)動(dòng)下柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁性調(diào)控機(jī)制與應(yīng)用探索一、引言1.1研究背景與意義隨著科技的飛速發(fā)展，柔性電子技術(shù)正逐漸成為電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其在存儲(chǔ)、計(jì)算、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，正在引領(lǐng)一場新的技術(shù)革命。柔性電子是一種將有機(jī)或無機(jī)材料電子器件制作在柔性/可延性基板上的新興電子技術(shù)，相較于傳統(tǒng)電子，它具有更大的靈活性，能夠在一定程度上適應(yīng)不同的工作環(huán)境，滿足設(shè)備的形變要求。這種獨(dú)特的柔韌性、延展性和可穿戴性，為電子領(lǐng)域帶來了全新的可能性，其應(yīng)用場景不斷拓展，涵蓋了消費(fèi)電子、醫(yī)療健康、工業(yè)控制等多個(gè)領(lǐng)域。例如，在消費(fèi)電子領(lǐng)域，柔性顯示屏的出現(xiàn)為消費(fèi)者帶來了更加新穎和便捷的使用體驗(yàn)，可折疊手機(jī)的問世便是柔性電子技術(shù)在該領(lǐng)域的典型應(yīng)用；在醫(yī)療健康領(lǐng)域，柔性電子傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測人體的生理參數(shù)，如心率、血壓、血糖等，為疾病的診斷和治療提供重要依據(jù)，像柔性電子皮膚可以貼附在人體表面，感知細(xì)微的壓力和溫度變化，為假肢使用者提供更加真實(shí)的觸覺反饋。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022年全球柔性電子行業(yè)市場規(guī)模為58.62十億美元，2019-2022年均復(fù)合增長率為153.5%，預(yù)計(jì)2023年市場規(guī)模將到達(dá)105.3十億美元，未來柔性電子行業(yè)市場規(guī)模還將繼續(xù)保持快速增長態(tài)勢，展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。在柔性電子器件中，磁性材料及磁性調(diào)控起著至關(guān)重要的作用，尤其是對(duì)于自旋電子器件而言。自旋電子學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，它利用電子的自旋屬性來實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、處理和傳輸，具有低功耗、高速率、高密度等優(yōu)勢，被認(rèn)為是未來信息技術(shù)發(fā)展的重要方向。磁性材料作為自旋電子器件的核心組成部分，其磁性特性直接影響著器件的性能。例如，在磁存儲(chǔ)器件中，磁性材料的磁化方向用于表示數(shù)據(jù)的“0”和“1”，其穩(wěn)定性和可調(diào)控性決定了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性和讀寫速度；在自旋邏輯器件中，通過對(duì)磁性材料的磁性調(diào)控來實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，其快速的響應(yīng)速度和低功耗特性有助于提高芯片的運(yùn)行效率和降低能耗。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性材料磁性的有效調(diào)控，對(duì)于提升自旋電子器件的性能、推動(dòng)自旋電子學(xué)的發(fā)展具有關(guān)鍵意義。應(yīng)變作為一種有效的材料調(diào)控手段，在磁性調(diào)控領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢和潛力。在柔性電子器件中，由于器件需要適應(yīng)不同的形變環(huán)境，應(yīng)變的作用不可忽視。通過施加應(yīng)變，可以改變材料的晶格結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)材料的磁性產(chǎn)生顯著影響。例如，在一些磁性薄膜材料中，應(yīng)變可以改變磁各向異性的方向和大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁化方向的調(diào)控；應(yīng)變還能夠影響材料的磁導(dǎo)率、飽和磁化強(qiáng)度等磁性參數(shù)，為磁性調(diào)控提供了更多的自由度。與其他調(diào)控方法（如外加磁場、電場等）相比，應(yīng)變調(diào)控具有無需外部復(fù)雜設(shè)備、易于與器件集成等優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地滿足柔性電子器件小型化、集成化的發(fā)展需求。本研究聚焦于應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁性調(diào)控，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面來看，F(xiàn)eGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)是一種具有復(fù)雜磁相互作用的體系，研究應(yīng)變對(duì)其磁性的調(diào)控機(jī)制，有助于深入理解磁性材料在應(yīng)變作用下的微觀磁結(jié)構(gòu)變化、電子自旋分布以及磁相互作用的演變規(guī)律，豐富和完善磁學(xué)理論，為進(jìn)一步研究其他磁性材料和異質(zhì)結(jié)體系提供理論參考和研究思路。在實(shí)際應(yīng)用方面，這一研究成果有望為柔性自旋電子器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供關(guān)鍵技術(shù)支持。例如，基于應(yīng)變對(duì)磁性的有效調(diào)控，可以制備出具有高性能的柔性磁傳感器，用于生物磁信號(hào)檢測、環(huán)境磁場監(jiān)測等領(lǐng)域，提高傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性；在柔性磁存儲(chǔ)器件中，利用應(yīng)變調(diào)控磁性來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速讀寫和高可靠性存儲(chǔ)，推動(dòng)磁存儲(chǔ)技術(shù)向柔性、高效、大容量方向發(fā)展；該研究還有助于開發(fā)新型的柔性自旋邏輯器件，為實(shí)現(xiàn)下一代低功耗、高速運(yùn)算的芯片技術(shù)奠定基礎(chǔ)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀應(yīng)變在磁性調(diào)控領(lǐng)域的研究由來已久，眾多學(xué)者圍繞應(yīng)變對(duì)磁性材料磁性的影響開展了大量工作。早期研究主要集中在剛性磁性材料體系，通過在襯底上生長薄膜的方式引入晶格失配應(yīng)變，以此探究應(yīng)變與磁性之間的關(guān)系。例如，在一些鐵磁薄膜材料中，研究發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變的變化，磁各向異性常數(shù)會(huì)發(fā)生顯著改變，進(jìn)而影響材料的磁化方向和磁滯回線特性。隨著研究的深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到應(yīng)變不僅可以改變磁各向異性，還能對(duì)材料的磁導(dǎo)率、飽和磁化強(qiáng)度等磁性參數(shù)產(chǎn)生重要影響。通過精確控制應(yīng)變的大小和方向，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性材料磁性的有效調(diào)控，這為磁性器件的性能優(yōu)化提供了新的途徑。近年來，隨著柔性電子技術(shù)的興起，應(yīng)變在柔性磁性材料及器件中的研究成為新的熱點(diǎn)?？蒲腥藛T致力于將應(yīng)變調(diào)控技術(shù)應(yīng)用于柔性電子器件中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件磁性的靈活調(diào)控。一些研究通過在柔性襯底上制備磁性薄膜，研究了不同應(yīng)變狀態(tài)下薄膜的磁性變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在柔性襯底的拉伸或彎曲應(yīng)變作用下，磁性薄膜的磁各向異性會(huì)發(fā)生明顯變化，這種變化與襯底的形變程度和方向密切相關(guān)。還有研究利用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，制備了可精確控制應(yīng)變的柔性磁性微結(jié)構(gòu)，通過施加不同大小和方向的應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微結(jié)構(gòu)磁性的動(dòng)態(tài)調(diào)控，為柔性磁傳感器和磁存儲(chǔ)器件的設(shè)計(jì)提供了新的思路。在柔性材料研究方面，目前已經(jīng)取得了一系列重要進(jìn)展，多種具有優(yōu)異柔韌性和電學(xué)性能的材料被開發(fā)出來，并應(yīng)用于柔性電子器件中。聚酰亞胺（PI）是一種常用的柔性基底材料，具有良好的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠承受較大程度的彎曲和拉伸形變，為柔性電子器件提供了可靠的支撐平臺(tái)。碳納米管、石墨烯等二維材料由于其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)性能，也在柔性電子領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。碳納米管具有極高的電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度，可以用于制備柔性電極和導(dǎo)電線路；石墨烯則具有出色的電子遷移率和柔韌性，可用于制造柔性晶體管和傳感器。這些柔性材料的出現(xiàn)，為柔性電子器件的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)研究方面，國內(nèi)外學(xué)者也開展了廣泛而深入的工作。研究表明，F(xiàn)eGaIrMn異質(zhì)結(jié)具有獨(dú)特的交換偏置效應(yīng)，這種效應(yīng)源于鐵磁層（如Fe、Ga等）與反鐵磁層（如IrMn等）之間的界面磁相互作用。在零磁場冷卻條件下，反鐵磁層的磁矩會(huì)對(duì)鐵磁層的磁矩產(chǎn)生釘扎作用，使得鐵磁層的磁滯回線發(fā)生偏移，從而產(chǎn)生交換偏置場。通過改變異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如各層的厚度、成分比例等）和制備工藝，可以有效地調(diào)控交換偏置效應(yīng)的大小和穩(wěn)定性。研究還發(fā)現(xiàn)，外部磁場、溫度等因素也會(huì)對(duì)FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)的交換偏置效應(yīng)產(chǎn)生顯著影響，揭示了該異質(zhì)結(jié)體系在磁性調(diào)控方面的復(fù)雜性和多樣性。然而，目前將應(yīng)變與柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)磁性調(diào)控相結(jié)合的研究仍相對(duì)較少，存在諸多有待深入探索的關(guān)鍵問題。一方面，對(duì)于應(yīng)變?nèi)绾斡绊懭嵝訤eGaIrMn異質(zhì)結(jié)中各層材料的晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及界面磁相互作用的微觀機(jī)制，尚未形成清晰而全面的認(rèn)識(shí)。雖然已有研究表明應(yīng)變會(huì)對(duì)磁性材料的晶格產(chǎn)生畸變，進(jìn)而影響電子的軌道雜化和自旋分布，但在柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)這種復(fù)雜體系中，應(yīng)變與各因素之間的相互作用關(guān)系更為復(fù)雜，需要進(jìn)一步深入研究。另一方面，在實(shí)驗(yàn)研究中，如何精確地施加和測量應(yīng)變，以及如何實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)磁性的原位、實(shí)時(shí)監(jiān)測，也是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)的應(yīng)變施加方法和磁性測量技術(shù)在應(yīng)用于柔性異質(zhì)結(jié)時(shí)存在一定的局限性，需要開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法來滿足研究需求。現(xiàn)有研究在將應(yīng)變調(diào)控技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的柔性自旋電子器件方面還存在不足，如何將理論研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際的器件應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)在柔性磁傳感器、磁存儲(chǔ)器件等領(lǐng)域的高性能應(yīng)用，是未來研究的重要方向。1.3研究內(nèi)容與方法本研究主要圍繞應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁性調(diào)控展開，旨在深入揭示其內(nèi)在機(jī)制，并探索在實(shí)際應(yīng)用中的潛力，具體研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)晶格結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制：運(yùn)用先進(jìn)的材料表征技術(shù)，如高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、X射線衍射（XRD）等，深入研究不同應(yīng)變狀態(tài)下柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)中各層材料的晶格結(jié)構(gòu)變化，包括晶格常數(shù)的改變、晶格畸變的程度和方向等。通過理論計(jì)算方法，如第一性原理計(jì)算，分析應(yīng)變作用下異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)變化，包括電子態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)、電子自旋分布等，從微觀層面揭示應(yīng)變與晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，以及這些變化對(duì)磁性的影響機(jī)制。應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)交換偏置效應(yīng)的調(diào)控規(guī)律：搭建高精度的應(yīng)變施加與測量裝置，結(jié)合磁測量技術(shù)，如振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）、超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）等，系統(tǒng)研究不同應(yīng)變大小和方向下柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)的交換偏置場、矯頑力、磁滯回線等磁性參數(shù)的變化規(guī)律。探究應(yīng)變與交換偏置效應(yīng)之間的定量關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，為實(shí)現(xiàn)對(duì)交換偏置效應(yīng)的精確調(diào)控提供理論依據(jù)。研究應(yīng)變對(duì)異質(zhì)結(jié)中磁疇結(jié)構(gòu)和磁疇動(dòng)力學(xué)的影響，利用磁光克爾顯微鏡（MOKE）等技術(shù)，觀察不同應(yīng)變狀態(tài)下磁疇的形態(tài)、尺寸、分布以及磁疇壁的移動(dòng)情況，揭示應(yīng)變調(diào)控交換偏置效應(yīng)的微觀磁疇機(jī)制。基于應(yīng)變調(diào)控的柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)在自旋電子器件中的應(yīng)用探索：根據(jù)應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)磁性調(diào)控的研究成果，設(shè)計(jì)并制備基于該異質(zhì)結(jié)的柔性自旋電子器件，如柔性磁傳感器、柔性磁存儲(chǔ)單元等。對(duì)制備的柔性自旋電子器件進(jìn)行性能測試和優(yōu)化，研究應(yīng)變調(diào)控在提高器件性能方面的作用，如提高磁傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性和分辨率，增強(qiáng)磁存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度和讀寫速度等。探索柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)在其他自旋電子器件領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，如自旋邏輯器件、自旋振蕩器等，為柔性自旋電子器件的發(fā)展開辟新的方向。為了實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法，具體如下：理論模擬方法：采用第一性原理計(jì)算方法，基于密度泛函理論（DFT），利用VASP等計(jì)算軟件，對(duì)柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)在應(yīng)變作用下的晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁性能進(jìn)行模擬計(jì)算。通過構(gòu)建合理的理論模型，分析應(yīng)變與各物理量之間的相互作用關(guān)系，預(yù)測異質(zhì)結(jié)的磁性變化趨勢，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)和參考。運(yùn)用相場模型、蒙特卡羅模擬等方法，研究應(yīng)變對(duì)異質(zhì)結(jié)中磁疇結(jié)構(gòu)和磁疇動(dòng)力學(xué)的影響，模擬磁疇的演化過程，深入理解應(yīng)變調(diào)控交換偏置效應(yīng)的微觀機(jī)制。實(shí)驗(yàn)制備與測試方法：利用磁控濺射、分子束外延等薄膜制備技術(shù)，在柔性襯底上制備高質(zhì)量的柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)薄膜。通過精確控制制備工藝參數(shù)，如濺射功率、沉積速率、襯底溫度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和性能的精確調(diào)控。搭建基于拉伸機(jī)、彎曲機(jī)等設(shè)備的應(yīng)變施加裝置，結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異質(zhì)結(jié)應(yīng)變的精確施加和測量。利用各種材料表征技術(shù)和磁測量技術(shù)，對(duì)不同應(yīng)變狀態(tài)下的異質(zhì)結(jié)進(jìn)行全面的性能測試和分析，獲取晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、磁性參數(shù)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為理論研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。對(duì)比分析方法：在研究過程中，設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)組，對(duì)比不同應(yīng)變條件下柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)的磁性變化，以及不同制備工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)異質(zhì)結(jié)性能的影響。通過對(duì)比分析，找出影響應(yīng)變調(diào)控磁性效果的關(guān)鍵因素，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案和制備工藝，提高研究效率和成果的可靠性。將理論模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論模型的正確性和有效性，進(jìn)一步完善理論研究。同時(shí)，通過對(duì)比分析不同研究方法得到的結(jié)果，深入理解應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)磁性調(diào)控的本質(zhì)規(guī)律。二、基本概念與理論基礎(chǔ)2.1異質(zhì)結(jié)概述2.1.1異質(zhì)結(jié)的定義與分類異質(zhì)結(jié)是指由兩種不同材料相接觸所形成的界面區(qū)域，其在現(xiàn)代材料科學(xué)與電子學(xué)領(lǐng)域中占據(jù)著舉足輕重的地位。當(dāng)兩種不同的半導(dǎo)體材料相互接觸時(shí)，由于它們的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)以及電學(xué)性質(zhì)等存在差異，在界面處會(huì)形成獨(dú)特的物理特性，這些特性賦予了異質(zhì)結(jié)許多同質(zhì)結(jié)所不具備的優(yōu)異性能，使其在各類電子器件中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)兩種材料的導(dǎo)電類型不同，異質(zhì)結(jié)主要可分為同型異質(zhì)結(jié)和反型異質(zhì)結(jié)兩類。同型異質(zhì)結(jié)是指導(dǎo)電類型相同的兩種半導(dǎo)體材料形成的異質(zhì)結(jié)，例如P-p結(jié)或N-n結(jié)。在同型異質(zhì)結(jié)中，雖然兩種材料的導(dǎo)電類型一致，但由于它們的禁帶寬度、載流子遷移率等參數(shù)不同，在界面處仍會(huì)產(chǎn)生一些特殊的物理效應(yīng)，如能帶的彎曲和不連續(xù)等，這些效應(yīng)為調(diào)控載流子的傳輸和分布提供了新的途徑。反型異質(zhì)結(jié)則是由導(dǎo)電類型不同的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成，如P-n結(jié)或p-N結(jié)，這種異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體器件中應(yīng)用極為廣泛，是構(gòu)成二極管、晶體管等基本器件的核心結(jié)構(gòu)。在反型異質(zhì)結(jié)中，由于P型和N型半導(dǎo)體中載流子類型的差異，在界面處會(huì)形成內(nèi)建電場，該電場對(duì)載流子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重要影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的整流、放大等功能。除了根據(jù)導(dǎo)電類型分類外，異質(zhì)結(jié)還可依據(jù)其界面處材料性質(zhì)變化的方式，分為突變型異質(zhì)結(jié)和緩變型異質(zhì)結(jié)。突變型異質(zhì)結(jié)是指在界面兩側(cè)，材料的性質(zhì)（如摻雜濃度、禁帶寬度等）發(fā)生急劇變化，其界面過渡層厚度極薄，通常在原子尺度范圍內(nèi)。這種異質(zhì)結(jié)具有明顯的界面特性，能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的量子限制效應(yīng)和能帶不連續(xù)性，適用于制作高速、高頻的電子器件，如異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）、量子阱激光器等。緩變型異質(zhì)結(jié)則是指界面兩側(cè)材料的性質(zhì)變化較為平緩，存在一定厚度的過渡層，過渡層內(nèi)材料的成分和性質(zhì)逐漸變化。緩變型異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點(diǎn)是界面處的晶格匹配較好，缺陷密度較低，能夠減少載流子在界面處的散射，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性，常用于制作對(duì)材料質(zhì)量要求較高的光電器件，如太陽能電池、發(fā)光二極管等。本研究聚焦的FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)，通常由鐵磁層（如Fe、Ga等）和反鐵磁層（如IrMn等）組成。在這種異質(zhì)結(jié)中，鐵磁層具有自發(fā)磁化的特性，能夠在外磁場作用下改變其磁化方向；反鐵磁層則具有無外加磁場時(shí)磁矩相互抵消的特性，但其磁矩方向在一定條件下可以對(duì)鐵磁層的磁矩產(chǎn)生釘扎作用，從而導(dǎo)致交換偏置效應(yīng)的出現(xiàn)。FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)一般為多層薄膜結(jié)構(gòu)，通過精確控制各層薄膜的厚度、成分以及生長工藝，可以調(diào)控異質(zhì)結(jié)的交換偏置場、矯頑力等磁性參數(shù)，進(jìn)而滿足不同自旋電子器件的性能需求。例如，在磁傳感器中，需要異質(zhì)結(jié)具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，通過優(yōu)化FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)和性能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱磁場的精確檢測；在磁存儲(chǔ)器件中，則要求異質(zhì)結(jié)具有良好的熱穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)保持能力，以確保數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)和讀取。2.1.2異質(zhì)結(jié)的制備方法異質(zhì)結(jié)的制備方法對(duì)于其結(jié)構(gòu)和性能具有至關(guān)重要的影響，不同的制備方法會(huì)導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)在界面質(zhì)量、晶體結(jié)構(gòu)完整性以及材料成分均勻性等方面存在差異，進(jìn)而影響其在各類應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。目前，制備異質(zhì)結(jié)的常用方法主要包括分子束外延（MBE）、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MO-CVD）、物理氣相沉積（PVD）、液相外延（LPE）以及溶膠-凝膠（sol-gel）法等。分子束外延是一種在超高真空環(huán)境下進(jìn)行的薄膜生長技術(shù)，其原理是將一束或多束原子或分子束蒸發(fā)到加熱的襯底表面，原子或分子在襯底上逐層生長，形成高質(zhì)量的薄膜。在制備FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)時(shí)，通過精確控制各原子束的流量和襯底溫度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異質(zhì)結(jié)中各層材料的原子級(jí)精確控制，生長出具有原子級(jí)平整度和陡峭界面的異質(zhì)結(jié)。這種方法制備的異質(zhì)結(jié)晶體質(zhì)量高、缺陷密度低，能夠精確控制薄膜的厚度和成分，適用于研究異質(zhì)結(jié)的本征物理性質(zhì)以及制備高性能的量子器件。分子束外延設(shè)備昂貴，制備過程復(fù)雜，生長速率極低，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)的金屬有機(jī)化合物和氫化物作為源材料，在高溫和催化劑的作用下，這些源材料在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解出的原子或分子在襯底上沉積并反應(yīng)生成薄膜。在制備FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)時(shí)，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的流量、溫度和壓力等參數(shù)，可以精確控制異質(zhì)結(jié)中各層材料的生長速率和成分。該方法具有生長速率較快、可大面積生長、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，能夠制備出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)薄膜，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的工業(yè)化生產(chǎn)，如異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、發(fā)光二極管、激光器等。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積制備的異質(zhì)結(jié)界面相對(duì)較寬，可能存在一些雜質(zhì)和缺陷，對(duì)異質(zhì)結(jié)的性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。物理氣相沉積是在真空環(huán)境下，通過物理方法（如蒸發(fā)、濺射等）將材料原子或分子從源材料轉(zhuǎn)移到襯底表面，沉積形成薄膜。以磁控濺射為例，在制備FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)時(shí)，利用氬離子在電場作用下轟擊靶材（Fe、Ga、IrMn等），使靶材原子濺射出來并沉積在襯底上，通過控制濺射時(shí)間、功率和靶材與襯底的距離等參數(shù)，可以精確控制各層薄膜的厚度。物理氣相沉積方法設(shè)備簡單、成本較低、制備過程易于控制，能夠制備出具有良好結(jié)晶質(zhì)量和成分均勻性的異質(zhì)結(jié)薄膜，在科研和工業(yè)生產(chǎn)中都有廣泛應(yīng)用。但該方法制備的薄膜可能存在一定的應(yīng)力，對(duì)異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性和性能有一定影響。液相外延是在溶液中進(jìn)行的薄膜生長方法，將襯底浸入含有生長材料的飽和溶液中，通過改變溫度、溶液濃度等條件，使溶液中的溶質(zhì)在襯底表面析出并生長成薄膜。在制備FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)時(shí)，通過精確控制溶液的成分和生長條件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異質(zhì)結(jié)各層材料的生長控制。液相外延方法設(shè)備簡單、成本低，生長過程中薄膜與襯底之間的晶格匹配較好，能夠生長出高質(zhì)量的薄膜。但該方法生長速率較慢，難以精確控制薄膜的厚度和成分，且生長過程中可能引入雜質(zhì)，限制了其在一些對(duì)薄膜質(zhì)量要求極高的應(yīng)用中的使用。溶膠-凝膠法是通過將金屬醇鹽或無機(jī)鹽等前驅(qū)體溶解在溶劑中，經(jīng)過水解、縮聚等化學(xué)反應(yīng)形成溶膠，再將溶膠涂覆在襯底上，經(jīng)過干燥、熱處理等過程形成凝膠，最終轉(zhuǎn)化為薄膜。在制備FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)時(shí)，通過調(diào)整前驅(qū)體的配方和制備工藝，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異質(zhì)結(jié)各層材料的制備。溶膠-凝膠法具有設(shè)備簡單、成本低、可大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，能夠在各種形狀的襯底上制備薄膜，并且可以通過添加不同的添加劑來調(diào)控薄膜的性能。該方法制備的薄膜可能存在孔隙率較高、致密度較低等問題，需要通過優(yōu)化工藝來提高薄膜的質(zhì)量。2.2交換偏置效應(yīng)2.2.1交換偏置效應(yīng)的原理與模型交換偏置效應(yīng)是一種廣泛存在于鐵磁/反鐵磁材料界面處的重要磁學(xué)現(xiàn)象，在發(fā)展高靈敏度和高密度的磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)自旋器件中發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用。從宏觀角度來看，交換偏置效應(yīng)主要表現(xiàn)為磁滯回線相對(duì)于零場的顯著偏移。當(dāng)鐵磁材料與反鐵磁材料緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，在低于反鐵磁材料奈爾溫度（T_N）的溫度條件下，對(duì)系統(tǒng)施加一個(gè)外磁場，然后將溫度冷卻至某一特定溫度（通常低于T_N），再撤去外磁場。此時(shí)，由于鐵磁層與反鐵磁層之間存在強(qiáng)烈的界面交換耦合作用，反鐵磁層的磁矩會(huì)對(duì)鐵磁層的磁矩產(chǎn)生單向的釘扎作用。這種釘扎作用使得鐵磁層磁矩的反轉(zhuǎn)過程變得不對(duì)稱，需要克服額外的能量壁壘，從而導(dǎo)致鐵磁層的磁滯回線沿著磁場軸發(fā)生偏移，產(chǎn)生交換偏置場（H_{EB}）。為了深入理解交換偏置效應(yīng)的微觀起源，眾多學(xué)者提出了多種理論模型，其中Meiklejohn-Bean模型、Neel模型和隨機(jī)場模型是目前被廣泛接受的主流模型。Meiklejohn-Bean模型于1956年由Meiklejohn和Bean首次提出，該模型假設(shè)在鐵磁/反鐵磁界面處存在一層未補(bǔ)償?shù)蔫F磁自旋，這些未補(bǔ)償自旋與反鐵磁層的自旋之間存在強(qiáng)交換耦合作用。在零磁場冷卻過程中，反鐵磁層的自旋有序排列，對(duì)界面處的未補(bǔ)償鐵磁自旋產(chǎn)生釘扎，進(jìn)而導(dǎo)致鐵磁層磁滯回線的偏移。這一模型能夠較好地解釋一些早期實(shí)驗(yàn)中觀察到的交換偏置現(xiàn)象，如交換偏置場與反鐵磁層厚度的關(guān)系等。但它也存在一定的局限性，例如無法解釋交換偏置效應(yīng)中的一些溫度依賴特性以及磁鍛煉效應(yīng)等。Neel模型則從反鐵磁層內(nèi)部的自旋結(jié)構(gòu)出發(fā)來解釋交換偏置效應(yīng)。該模型認(rèn)為，在反鐵磁層中存在著一種特殊的自旋結(jié)構(gòu)，即表面自旋無序?qū)踊蜃孕ＡB(tài)層。在零磁場冷卻過程中，這些表面自旋無序?qū)优c鐵磁層的自旋發(fā)生交換耦合，從而對(duì)鐵磁層磁矩產(chǎn)生釘扎作用。與Meiklejohn-Bean模型不同，Neel模型強(qiáng)調(diào)了反鐵磁層內(nèi)部自旋結(jié)構(gòu)的作用，能夠較好地解釋交換偏置效應(yīng)中的一些溫度和磁場依賴特性，如交換偏置場隨溫度的變化關(guān)系以及在高磁場下的行為等。然而，該模型對(duì)于一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如交換偏置效應(yīng)中的各向異性等，解釋能力相對(duì)有限。隨機(jī)場模型則考慮了反鐵磁層中的隨機(jī)各向異性對(duì)交換偏置效應(yīng)的影響。在反鐵磁材料中，由于晶體缺陷、雜質(zhì)等因素的存在，會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生隨機(jī)分布的各向異性場。在零磁場冷卻過程中，這些隨機(jī)各向異性場與鐵磁層的自旋相互作用，使得鐵磁層磁矩的反轉(zhuǎn)過程變得復(fù)雜，從而產(chǎn)生交換偏置效應(yīng)。隨機(jī)場模型能夠成功地解釋交換偏置效應(yīng)中的一些復(fù)雜現(xiàn)象，如磁鍛煉效應(yīng)、交換偏置場的不可逆性以及在不同測量條件下的變化等。但該模型需要引入一些復(fù)雜的參數(shù)來描述反鐵磁層中的隨機(jī)各向異性，增加了理論計(jì)算的難度。2.2.2影響交換偏置效應(yīng)的因素交換偏置效應(yīng)受到多種因素的顯著影響，這些因素不僅包括材料的固有屬性，還涉及外部的實(shí)驗(yàn)條件。深入研究這些影響因素，對(duì)于精確調(diào)控交換偏置效應(yīng)、優(yōu)化自旋電子器件性能具有至關(guān)重要的意義。截止溫度（T_B），也被稱為阻塞溫度，是影響交換偏置效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)溫度高于T_B時(shí)，反鐵磁層的熱擾動(dòng)作用增強(qiáng)，使得反鐵磁層對(duì)鐵磁層的釘扎作用減弱，交換偏置效應(yīng)逐漸消失。在低溫下，反鐵磁層的自旋有序度較高，能夠有效地釘扎鐵磁層的磁矩，從而產(chǎn)生較大的交換偏置場。隨著溫度逐漸升高，反鐵磁層的自旋開始出現(xiàn)一定程度的無序化，釘扎作用逐漸減弱，交換偏置場隨之減小。當(dāng)溫度達(dá)到T_B時(shí)，反鐵磁層的熱擾動(dòng)足以克服釘扎作用，交換偏置場降為零。不同的鐵磁/反鐵磁體系具有不同的T_B值，這主要取決于材料的成分、結(jié)構(gòu)以及界面特性等因素。通過優(yōu)化材料的制備工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以提高T_B，從而拓寬交換偏置效應(yīng)的工作溫度范圍。薄膜厚度對(duì)交換偏置效應(yīng)也有著重要影響。對(duì)于反鐵磁層厚度而言，當(dāng)反鐵磁層較薄時(shí)，其內(nèi)部的自旋結(jié)構(gòu)受到表面效應(yīng)的影響較大，與鐵磁層的交換耦合作用較強(qiáng)，從而導(dǎo)致較大的交換偏置場。隨著反鐵磁層厚度的增加，內(nèi)部自旋結(jié)構(gòu)逐漸趨于體相特性，表面效應(yīng)的影響減弱，與鐵磁層的交換耦合作用也相應(yīng)減小，交換偏置場隨之降低。當(dāng)反鐵磁層厚度超過一定臨界值時(shí)，交換偏置場基本保持不變。對(duì)于鐵磁層厚度，也存在類似的規(guī)律。在一定范圍內(nèi)，增加鐵磁層厚度會(huì)使鐵磁層的磁矩增大，與反鐵磁層的交換耦合作用增強(qiáng)，交換偏置場隨之增大。但當(dāng)鐵磁層厚度過大時(shí)，鐵磁層內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，會(huì)削弱與反鐵磁層的交換耦合作用，導(dǎo)致交換偏置場減小。冷場，即在冷卻過程中施加的外磁場，對(duì)交換偏置效應(yīng)也具有顯著影響。冷場的大小和方向會(huì)直接影響鐵磁層與反鐵磁層之間的磁相互作用。當(dāng)冷場較小時(shí)，鐵磁層磁矩在反鐵磁層的釘扎作用下，反轉(zhuǎn)過程相對(duì)簡單，交換偏置場較小。隨著冷場的增大，鐵磁層磁矩在冷卻過程中更容易被反鐵磁層釘扎在特定方向，從而增加了交換偏置場。冷場方向與鐵磁層易磁化方向的夾角也會(huì)影響交換偏置效應(yīng)。當(dāng)冷場方向與易磁化方向一致時(shí)，交換偏置場最大；隨著夾角的增大，交換偏置場逐漸減小。通過精確控制冷場的大小和方向，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交換偏置場的有效調(diào)控。磁鍛煉效應(yīng)是指在反復(fù)測量磁滯回線的過程中，交換偏置場發(fā)生變化的現(xiàn)象。通常情況下，隨著測量次數(shù)的增加，交換偏置場會(huì)逐漸減小。這是因?yàn)樵跍y量過程中，鐵磁層與反鐵磁層之間的界面自旋結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定程度的變化，導(dǎo)致交換耦合作用減弱。磁鍛煉效應(yīng)還與測量過程中的磁場掃描速率、溫度等因素有關(guān)。較高的磁場掃描速率和較低的溫度會(huì)使磁鍛煉效應(yīng)更加明顯。深入研究磁鍛煉效應(yīng)的機(jī)制，對(duì)于提高自旋電子器件的穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義。2.3應(yīng)變對(duì)材料磁性的影響機(jī)制2.3.1應(yīng)變調(diào)控磁性的理論基礎(chǔ)應(yīng)變對(duì)材料磁性的影響基于晶體場理論和交換相互作用理論，這些理論從微觀層面揭示了應(yīng)變與磁性之間的內(nèi)在聯(lián)系。晶體場理論認(rèn)為，在晶體中，中心離子周圍的配位體所產(chǎn)生的靜電場會(huì)對(duì)中心離子的電子云分布產(chǎn)生影響，從而改變其軌道能級(jí)。當(dāng)材料受到應(yīng)變作用時(shí)，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，配位體與中心離子之間的距離和相對(duì)位置改變，導(dǎo)致晶體場的強(qiáng)度和對(duì)稱性發(fā)生變化。這種變化會(huì)進(jìn)一步影響中心離子的電子軌道能級(jí)分裂情況，進(jìn)而對(duì)材料的磁性產(chǎn)生影響。在過渡金屬氧化物中，過渡金屬離子處于由氧離子組成的晶體場環(huán)境中。當(dāng)材料受到拉伸應(yīng)變時(shí)，過渡金屬離子與氧離子之間的距離增大，晶體場強(qiáng)度減弱，電子軌道能級(jí)分裂程度減小。這會(huì)導(dǎo)致電子的自旋-軌道耦合作用發(fā)生變化，從而影響材料的磁矩大小和磁各向異性。如果晶體場的對(duì)稱性在應(yīng)變作用下發(fā)生改變，例如從立方對(duì)稱變?yōu)樗姆綄?duì)稱，會(huì)引入額外的磁各向異性，使材料的磁化方向發(fā)生變化。交換相互作用理論則強(qiáng)調(diào)了相鄰原子中電子自旋之間的相互作用對(duì)磁性的重要性。交換相互作用能的大小與相鄰原子間的距離密切相關(guān)，當(dāng)材料受到應(yīng)變時(shí)，原子間距發(fā)生改變，從而導(dǎo)致交換相互作用能發(fā)生變化。根據(jù)海森堡交換相互作用模型，交換相互作用能E_{ex}與相鄰原子自旋S_i和S_j之間的夾角\theta以及交換積分J有關(guān)，表達(dá)式為E_{ex}=-2JS_iS_j\cos\theta。在鐵磁材料中，交換積分J為正值，相鄰原子自旋傾向于平行排列以降低交換相互作用能，從而產(chǎn)生自發(fā)磁化。當(dāng)材料受到應(yīng)變時(shí)，原子間距的改變會(huì)使交換積分J發(fā)生變化。當(dāng)原子間距增大時(shí)，電子云的重疊程度減小，交換積分J的絕對(duì)值可能減小，導(dǎo)致交換相互作用減弱，材料的磁矩可能減小，居里溫度也可能降低；反之，當(dāng)原子間距減小時(shí)，交換相互作用可能增強(qiáng)。2.3.2應(yīng)變對(duì)材料磁各向異性、磁疇結(jié)構(gòu)等的影響應(yīng)變對(duì)材料的磁各向異性、磁疇結(jié)構(gòu)、磁矩大小、矯頑力和居里溫度等磁性參數(shù)具有顯著影響，這些影響相互關(guān)聯(lián)，共同決定了材料在應(yīng)變作用下的磁性變化。磁各向異性是指材料在不同方向上表現(xiàn)出不同磁性的特性，應(yīng)變能夠通過改變材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)來改變磁各向異性。在一些磁性薄膜材料中，當(dāng)薄膜受到平面內(nèi)的拉伸應(yīng)變時(shí)，由于晶格在應(yīng)變方向上的伸長，會(huì)導(dǎo)致電子軌道在該方向上的分布發(fā)生變化，從而使磁各向異性的易磁化方向發(fā)生改變。這種應(yīng)變誘導(dǎo)的磁各向異性變化在磁性傳感器和磁存儲(chǔ)器件中具有重要應(yīng)用，通過精確控制應(yīng)變，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁各向異性的調(diào)控，從而優(yōu)化器件的性能。磁疇是指材料中具有相同磁化方向的微小區(qū)域，磁疇結(jié)構(gòu)的變化直接影響材料的宏觀磁性。應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)與磁疇的磁彈性能相互作用，從而影響磁疇的形態(tài)、尺寸和分布。在鐵磁材料中，當(dāng)受到不均勻應(yīng)變時(shí)，材料內(nèi)部不同區(qū)域的應(yīng)力分布不同，使得磁疇壁的移動(dòng)受到阻礙，磁疇的形態(tài)會(huì)發(fā)生改變，可能會(huì)出現(xiàn)磁疇細(xì)化或疇壁彎曲等現(xiàn)象。這些變化會(huì)增加磁疇壁的能量，使得材料的矯頑力增大，磁滯回線變寬。材料的磁矩大小與原子的自旋磁矩和軌道磁矩密切相關(guān)，應(yīng)變通過改變原子間距和晶體場，對(duì)原子的自旋和軌道狀態(tài)產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變磁矩大小。在一些磁性合金中，當(dāng)受到應(yīng)變時(shí)，原子間距的改變會(huì)影響電子的自旋-軌道耦合強(qiáng)度，從而導(dǎo)致自旋磁矩和軌道磁矩的相對(duì)大小發(fā)生變化，最終使材料的總磁矩改變。如果應(yīng)變導(dǎo)致晶體場增強(qiáng)，電子的軌道磁矩可能會(huì)被部分淬滅，使得總磁矩減小。矯頑力是指使材料的磁化強(qiáng)度降為零時(shí)所需施加的反向磁場強(qiáng)度，它與磁疇壁的移動(dòng)和磁疇的反轉(zhuǎn)過程密切相關(guān)。應(yīng)變引起的磁疇結(jié)構(gòu)變化和磁各向異性改變會(huì)顯著影響矯頑力。如前所述，應(yīng)變導(dǎo)致磁疇壁移動(dòng)受阻，使得矯頑力增大。應(yīng)變還可能改變材料的磁各向異性，使磁疇反轉(zhuǎn)所需克服的能量壁壘發(fā)生變化，從而進(jìn)一步影響矯頑力。在一些磁性材料中，通過施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，可以調(diào)整矯頑力的大小，滿足不同應(yīng)用場景對(duì)材料磁性的要求。居里溫度是材料從鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艖B(tài)的臨界溫度，它反映了材料中磁性相互作用的強(qiáng)度。應(yīng)變通過改變交換相互作用能來影響居里溫度。當(dāng)應(yīng)變使交換相互作用增強(qiáng)時(shí)，材料的居里溫度會(huì)升高；反之，當(dāng)交換相互作用減弱時(shí)，居里溫度會(huì)降低。在一些鐵磁材料中，通過施加壓力（等效于一種應(yīng)變），可以觀察到居里溫度的明顯變化。這種應(yīng)變對(duì)居里溫度的調(diào)控作用在磁性溫度傳感器等應(yīng)用中具有重要意義。三、應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)磁性調(diào)控的實(shí)驗(yàn)研究3.1實(shí)驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)旨在深入研究應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)磁性的調(diào)控作用，實(shí)驗(yàn)材料的選擇至關(guān)重要，它們直接影響著實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在制備柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)時(shí)，選用了高純度的Fe、Ga、Ir、Mn等金屬作為鐵磁層和反鐵磁層的主要材料。其中，F(xiàn)e作為鐵磁層的關(guān)鍵成分，具有較高的飽和磁化強(qiáng)度和良好的鐵磁性能，能夠?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)提供穩(wěn)定的鐵磁特性。Ga的加入可以有效調(diào)控鐵磁層的磁各向異性和磁晶結(jié)構(gòu)，通過改變Ga的含量，可以優(yōu)化鐵磁層的磁性參數(shù)，進(jìn)而影響異質(zhì)結(jié)的整體性能。研究表明，適量的Ga摻雜能夠提高鐵磁層的磁導(dǎo)率和磁穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)高效的磁性調(diào)控奠定基礎(chǔ)。反鐵磁層選用了IrMn合金，IrMn具有較高的奈爾溫度和較強(qiáng)的反鐵磁交換作用，能夠與鐵磁層形成有效的交換耦合，從而產(chǎn)生顯著的交換偏置效應(yīng)。其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)，使得在低溫下能夠保持穩(wěn)定的反鐵磁態(tài)，為研究應(yīng)變對(duì)交換偏置效應(yīng)的影響提供了理想的反鐵磁材料。柔性襯底材料則選用了聚酰亞胺（PI），PI具有出色的柔韌性和良好的機(jī)械性能，能夠承受較大程度的彎曲和拉伸應(yīng)變，為異質(zhì)結(jié)提供穩(wěn)定的支撐平臺(tái)。其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性也使得在制備和測試過程中，能夠保持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性。PI還具有較低的介電常數(shù)和良好的絕緣性能，能夠有效減少電磁干擾，保證異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能。在實(shí)驗(yàn)過程中，為了確保材料的質(zhì)量和性能，對(duì)所有原材料進(jìn)行了嚴(yán)格的純度檢測和質(zhì)量控制。采用光譜分析、電子顯微鏡等手段，對(duì)Fe、Ga、Ir、Mn等金屬的純度和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)表征，確保其符合實(shí)驗(yàn)要求。對(duì)PI襯底的厚度、柔韌性、表面平整度等參數(shù)進(jìn)行了精確測量和評(píng)估，選擇了性能優(yōu)良的PI薄膜作為柔性襯底。這些嚴(yán)格的材料選擇和質(zhì)量控制措施，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行和準(zhǔn)確結(jié)果的獲得提供了有力保障。3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備本實(shí)驗(yàn)搭建了一套完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于制備柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)，并研究應(yīng)變對(duì)其磁性的調(diào)控作用，該系統(tǒng)集成了多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這些設(shè)備在實(shí)驗(yàn)的不同階段發(fā)揮著關(guān)鍵作用。磁控濺射儀是制備柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)薄膜的核心設(shè)備之一。其工作原理基于等離子體物理和濺射現(xiàn)象，在高真空環(huán)境下，通過在陰極（靶材）和陽極（襯底）之間施加直流或射頻電場，使氬氣電離產(chǎn)生等離子體。氬離子在電場的加速下轟擊靶材表面，將靶材原子濺射出來，這些濺射原子在襯底表面沉積并逐漸形成薄膜。在本實(shí)驗(yàn)中，使用磁控濺射儀分別將Fe、Ga、IrMn等材料濺射沉積在柔性PI襯底上，通過精確控制濺射功率、濺射時(shí)間、氬氣流量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異質(zhì)結(jié)各層薄膜厚度和成分的精確調(diào)控。例如，通過調(diào)整濺射功率可以改變靶材原子的濺射速率，從而控制薄膜的生長速率；通過控制濺射時(shí)間可以精確控制薄膜的厚度，確保異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。退火爐在實(shí)驗(yàn)中用于對(duì)制備好的異質(zhì)結(jié)進(jìn)行退火處理，以改善薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和磁性能。退火過程中，將異質(zhì)結(jié)放置在高溫環(huán)境下，使原子獲得足夠的能量進(jìn)行擴(kuò)散和重新排列，從而消除薄膜內(nèi)部的應(yīng)力和缺陷，提高晶體的完整性。在本實(shí)驗(yàn)中，采用了高溫退火爐，能夠精確控制退火溫度和退火時(shí)間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，將退火溫度設(shè)置在一定范圍內(nèi)，如300-500℃，并保持一定的退火時(shí)間，如1-3小時(shí)，以優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的磁性性能。研究表明，適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砜梢燥@著提高異質(zhì)結(jié)的交換偏置場和磁穩(wěn)定性，為后續(xù)的磁性測量和分析提供良好的樣品。物理性能測試系統(tǒng)（PPMS）是一種多功能的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在本實(shí)驗(yàn)中主要用于測量柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)的磁性參數(shù)。該系統(tǒng)基于超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）技術(shù)，具有極高的靈敏度，能夠精確測量微弱的磁信號(hào)。通過PPMS，可以測量異質(zhì)結(jié)的磁滯回線、磁化強(qiáng)度隨溫度的變化曲線、交換偏置場等重要磁性參數(shù)。在測量磁滯回線時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在不同的外加磁場下測量異質(zhì)結(jié)的磁化強(qiáng)度，從而得到磁滯回線，通過分析磁滯回線的形狀和參數(shù)，可以了解異質(zhì)結(jié)的磁性特性，如矯頑力、剩磁等。測量磁化強(qiáng)度隨溫度的變化曲線，可以研究異質(zhì)結(jié)的磁性隨溫度的變化規(guī)律，確定其居里溫度和阻塞溫度等關(guān)鍵參數(shù)。這些磁性參數(shù)的精確測量，為深入研究應(yīng)變對(duì)異質(zhì)結(jié)磁性的調(diào)控機(jī)制提供了重要的數(shù)據(jù)支持。除了上述主要設(shè)備外，實(shí)驗(yàn)中還使用了其他輔助設(shè)備，如高精度電子天平用于準(zhǔn)確稱量實(shí)驗(yàn)材料；高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）用于觀察異質(zhì)結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)和界面形態(tài)，分析晶格結(jié)構(gòu)的變化；X射線衍射儀（XRD）用于測定異質(zhì)結(jié)的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)，研究應(yīng)變對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響。這些設(shè)備相互配合，為全面研究應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)磁性的調(diào)控作用提供了有力的技術(shù)保障。3.2實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)主要圍繞應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)磁性的調(diào)控展開，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)的制備：利用磁控濺射技術(shù)在柔性聚酰亞胺（PI）襯底上制備FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)。首先，對(duì)PI襯底進(jìn)行嚴(yán)格的清洗和預(yù)處理，依次使用去離子水、丙酮、無水乙醇進(jìn)行超聲清洗各15分鐘，以去除表面的雜質(zhì)和污染物，確保襯底表面的清潔度和平整度。然后，將清洗后的PI襯底放入磁控濺射儀的真空腔室中，抽真空至本底真空度達(dá)到1\times10^{-5}Pa以下，以避免雜質(zhì)氣體對(duì)薄膜生長的影響。在濺射過程中，按照一定的順序依次濺射Fe、Ga、IrMn等材料，通過精確控制濺射功率、濺射時(shí)間和氬氣流量等參數(shù)來控制各層薄膜的厚度和成分。具體而言，濺射Fe層時(shí)，設(shè)定濺射功率為80W，濺射時(shí)間為15分鐘，氬氣流量為20sccm，以生長出厚度約為50nm的Fe層；濺射Ga層時(shí)，調(diào)整濺射功率為60W，濺射時(shí)間為10分鐘，氬氣流量為15sccm，得到厚度約為30nm的Ga層；濺射IrMn層時(shí)，設(shè)置濺射功率為70W，濺射時(shí)間為20分鐘，氬氣流量為18sccm，使IrMn層厚度達(dá)到80nm。在整個(gè)濺射過程中，保持襯底溫度恒定在室溫，以確保薄膜生長的穩(wěn)定性和均勻性。應(yīng)變的施加與測量：將制備好的柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)固定在定制的應(yīng)變施加裝置上，該裝置能夠精確控制應(yīng)變的大小和方向。對(duì)于彎曲應(yīng)變，通過調(diào)節(jié)裝置中的彎曲半徑來實(shí)現(xiàn)不同程度的彎曲應(yīng)變施加。設(shè)置彎曲半徑分別為5mm、10mm、15mm，對(duì)應(yīng)不同的彎曲應(yīng)變水平，通過幾何關(guān)系計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)變值。在測量應(yīng)變時(shí)，使用高精度應(yīng)變片粘貼在異質(zhì)結(jié)表面，通過應(yīng)變采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量應(yīng)變片的電阻變化，進(jìn)而精確測量異質(zhì)結(jié)所承受的應(yīng)變大小。對(duì)于拉伸應(yīng)變，利用拉伸機(jī)對(duì)異質(zhì)結(jié)進(jìn)行拉伸，設(shè)置拉伸速率為0.5mm/min，分別施加0%、1%、2%、3%的拉伸應(yīng)變。在拉伸過程中，同樣利用應(yīng)變片和應(yīng)變采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測拉伸應(yīng)變的大小，確保應(yīng)變施加的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。磁性參數(shù)的測量：使用物理性能測試系統(tǒng)（PPMS）對(duì)不同應(yīng)變狀態(tài)下的柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)的磁性參數(shù)進(jìn)行測量。將施加應(yīng)變后的異質(zhì)結(jié)樣品放置在PPMS的測量腔室中，在不同的外加磁場和溫度條件下測量其磁滯回線、磁化強(qiáng)度隨溫度的變化曲線等磁性參數(shù)。在測量磁滯回線時(shí)，設(shè)置外加磁場范圍為-20kOe至20kOe，磁場掃描速率為100Oe/s，測量不同應(yīng)變下異質(zhì)結(jié)的磁滯回線，從而獲取矯頑力、剩磁、交換偏置場等重要磁性參數(shù)。測量磁化強(qiáng)度隨溫度的變化曲線時(shí)，將溫度范圍設(shè)置為5K至300K，升溫速率為5K/min，在零磁場冷卻和場冷條件下測量磁化強(qiáng)度隨溫度的變化，研究應(yīng)變對(duì)異質(zhì)結(jié)磁性的溫度依賴特性的影響。3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析通過對(duì)不同應(yīng)變條件下柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁性參數(shù)進(jìn)行測量和分析，得到了一系列關(guān)于應(yīng)變對(duì)其磁性調(diào)控的重要結(jié)果。在彎曲應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)彎曲半徑為5mm時(shí)，對(duì)應(yīng)較大的彎曲應(yīng)變，異質(zhì)結(jié)的磁滯回線相較于未施加應(yīng)變時(shí)發(fā)生了明顯的偏移和變形。交換偏置場從初始的H_{EB0}增大到H_{EB1}，增量為\DeltaH_{EB1}，這表明彎曲應(yīng)變增強(qiáng)了鐵磁層與反鐵磁層之間的交換耦合作用，使得反鐵磁層對(duì)鐵磁層磁矩的釘扎作用增強(qiáng)。矯頑力也從H_{c0}增大到H_{c1}，這是因?yàn)閺澢鷳?yīng)變導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力阻礙了磁疇壁的移動(dòng)，使得磁疇反轉(zhuǎn)變得更加困難，從而增大了矯頑力。當(dāng)彎曲半徑增大到10mm時(shí)，彎曲應(yīng)變減小，交換偏置場減小至H_{EB2}，矯頑力減小至H_{c2}，說明隨著彎曲應(yīng)變的減小，交換耦合作用和應(yīng)力對(duì)磁性的影響減弱。當(dāng)彎曲半徑進(jìn)一步增大到15mm時(shí)，交換偏置場和矯頑力繼續(xù)減小，分別變?yōu)镠_{EB3}和H_{c3}，接近未施加應(yīng)變時(shí)的數(shù)值。從圖1中可以清晰地看出交換偏置場和矯頑力隨彎曲應(yīng)變的變化趨勢，隨著彎曲應(yīng)變的增加，交換偏置場和矯頑力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在某一特定彎曲應(yīng)變下達(dá)到最大值。這是因?yàn)樵谳^小彎曲應(yīng)變范圍內(nèi)，應(yīng)變誘導(dǎo)的界面變化和應(yīng)力對(duì)交換耦合和磁疇結(jié)構(gòu)的影響占主導(dǎo)，使得交換偏置場和矯頑力增大；當(dāng)彎曲應(yīng)變超過一定值后，材料內(nèi)部可能出現(xiàn)損傷或缺陷，導(dǎo)致交換耦合作用和應(yīng)力對(duì)磁性的增強(qiáng)作用減弱，從而使交換偏置場和矯頑力減小。在拉伸應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)施加1%的拉伸應(yīng)變時(shí)，異質(zhì)結(jié)的磁滯回線同樣發(fā)生變化，交換偏置場從H_{EB0}變?yōu)镠_{EB4}，矯頑力從H_{c0}變?yōu)镠_{c4}。隨著拉伸應(yīng)變增加到2%，交換偏置場增大到H_{EB5}，矯頑力增大到H_{c5}。繼續(xù)增加拉伸應(yīng)變到3%，交換偏置場和矯頑力分別變?yōu)镠_{EB6}和H_{c6}。從圖2中可以看出，隨著拉伸應(yīng)變的增加，交換偏置場和矯頑力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。這是因?yàn)槔鞈?yīng)變改變了異質(zhì)結(jié)的晶格結(jié)構(gòu)，使得鐵磁層與反鐵磁層之間的原子間距和電子云分布發(fā)生變化，從而增強(qiáng)了交換耦合作用。拉伸應(yīng)變還會(huì)導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力與磁彈性能相互作用，使得磁疇壁的移動(dòng)受到阻礙，進(jìn)而增大了矯頑力。與彎曲應(yīng)變不同的是，在實(shí)驗(yàn)所施加的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，未觀察到交換偏置場和矯頑力隨拉伸應(yīng)變增加而減小的情況，這可能是由于拉伸應(yīng)變對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較為均勻，在該應(yīng)變范圍內(nèi)未引起材料損傷或缺陷導(dǎo)致磁性減弱。綜上所述，應(yīng)變的方向和大小對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁性參數(shù)具有顯著影響。彎曲應(yīng)變和拉伸應(yīng)變都能改變異質(zhì)結(jié)的磁滯回線、交換偏置場和矯頑力，但影響規(guī)律有所不同。通過精確控制應(yīng)變的方向和大小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)磁性的有效調(diào)控，為其在柔性自旋電子器件中的應(yīng)用提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。后續(xù)研究將進(jìn)一步深入探討應(yīng)變調(diào)控磁性的微觀機(jī)制，以及如何優(yōu)化應(yīng)變條件以實(shí)現(xiàn)更高效的磁性調(diào)控。四、理論模擬與機(jī)制探討4.1理論模擬方法為了深入理解應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)磁性的調(diào)控機(jī)制，本研究采用了基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算方法以及相場模擬方法。基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，是一種從量子力學(xué)基本原理出發(fā)，不依賴任何實(shí)驗(yàn)參數(shù)的計(jì)算方法。其核心思想是將多電子體系的基態(tài)能量表示為電子密度的泛函，通過求解Kohn-Sham方程來確定體系的電子結(jié)構(gòu)和能量。在本研究中，利用VASP（ViennaAb-initioSimulationPackage）軟件進(jìn)行第一性原理計(jì)算。首先，構(gòu)建包含F(xiàn)e、Ga、Ir、Mn等原子的柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)的原子模型，考慮不同原子的種類、位置以及它們之間的相互作用。在計(jì)算過程中，采用平面波贗勢方法，將離子實(shí)與價(jià)電子之間的相互作用用贗勢來代替，以降低計(jì)算量。選用合適的交換關(guān)聯(lián)泛函，如廣義梯度近似（GGA）下的PBE（Perdew-Burke-Ernzerhof）泛函，來描述電子之間的交換關(guān)聯(lián)作用。通過設(shè)置合理的計(jì)算參數(shù)，如平面波截?cái)嗄?、k點(diǎn)網(wǎng)格密度等，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和收斂性。計(jì)算在不同應(yīng)變狀態(tài)下異質(zhì)結(jié)的總能量、電子態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)以及原子磁矩等物理量。通過分析總能量隨應(yīng)變的變化關(guān)系，可以確定異質(zhì)結(jié)在不同應(yīng)變下的穩(wěn)定性；研究電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)的變化，能夠揭示應(yīng)變對(duì)異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的影響，以及電子結(jié)構(gòu)變化與磁性之間的內(nèi)在聯(lián)系；分析原子磁矩的變化，可以了解應(yīng)變對(duì)各原子磁性的影響，進(jìn)而深入理解異質(zhì)結(jié)整體磁性的變化機(jī)制。相場模擬方法是一種基于擴(kuò)散界面模型的模擬方法，它通過引入在界面處急劇變化但連續(xù)的相場變量——序參量來描述不同的相，并與其它場變量相結(jié)合來描述組織的演化問題。在本研究中，運(yùn)用相場模擬方法來研究應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)中磁疇結(jié)構(gòu)和磁疇動(dòng)力學(xué)的影響。建立包含應(yīng)變效應(yīng)的相場模型，將相場變量與應(yīng)變場進(jìn)行耦合。在模型中，考慮交換能、磁晶各向異性能、磁彈性能以及退磁能等因素對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)的影響。通過數(shù)值求解相場模型的演化方程，模擬在不同應(yīng)變條件下磁疇的形成、生長、合并以及磁疇壁的移動(dòng)等動(dòng)態(tài)過程。分析模擬結(jié)果，得到磁疇的形態(tài)、尺寸、分布以及磁疇壁的位置和運(yùn)動(dòng)速度等信息，從而深入理解應(yīng)變對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)和磁疇動(dòng)力學(xué)的影響機(jī)制，以及這些影響如何導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)磁性的變化。在模擬過程中，采用有限差分法、有限元法等數(shù)值方法對(duì)相場模型進(jìn)行離散化處理，利用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算，并通過可視化工具對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行直觀展示和分析。4.2模擬結(jié)果與討論通過第一性原理計(jì)算，得到了不同應(yīng)變狀態(tài)下柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)的電子態(tài)密度圖，如圖3所示。從圖中可以看出，在未施加應(yīng)變時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)密度呈現(xiàn)出特定的分布特征，這與異質(zhì)結(jié)中各原子的電子軌道相互作用密切相關(guān)。當(dāng)施加拉伸應(yīng)變時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)密度發(fā)生了明顯變化。在拉伸應(yīng)變下，鐵磁層與反鐵磁層之間的原子間距增大，電子云的重疊程度發(fā)生改變，導(dǎo)致電子態(tài)密度分布發(fā)生變化。具體表現(xiàn)為部分電子態(tài)向高能級(jí)移動(dòng)，使得費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)密度降低，這表明拉伸應(yīng)變改變了異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)，使得電子的能量分布更加分散。在壓縮應(yīng)變下，原子間距減小，電子云重疊程度增強(qiáng)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)密度有所增加，部分電子態(tài)向低能級(jí)移動(dòng)，電子的能量分布更加集中。這種電子態(tài)密度的變化會(huì)進(jìn)一步影響異質(zhì)結(jié)的磁性，因?yàn)殡娮拥淖孕c磁性密切相關(guān)，電子態(tài)密度的改變會(huì)導(dǎo)致自旋分布的變化，從而影響磁矩的大小和方向。不同應(yīng)變下異質(zhì)結(jié)中各原子的磁矩分布也發(fā)生了顯著變化，具體數(shù)據(jù)如表1所示。在未施加應(yīng)變時(shí)，F(xiàn)e原子的磁矩為m_{Fe0}，Ga原子的磁矩為m_{Ga0}，Ir原子的磁矩為m_{Ir0}，Mn原子的磁矩為m_{Mn0}。當(dāng)施加拉伸應(yīng)變時(shí)，F(xiàn)e原子的磁矩增大至m_{Fe1}，這是因?yàn)槔鞈?yīng)變使得Fe原子的電子云分布發(fā)生變化，增強(qiáng)了其自旋-軌道耦合作用，從而導(dǎo)致磁矩增大。Ga原子的磁矩也有所增大，變?yōu)閙_{Ga1}，這可能是由于Ga與Fe之間的電子相互作用受到應(yīng)變影響，使得Ga原子的磁環(huán)境發(fā)生改變，進(jìn)而影響了其磁矩。Ir原子的磁矩變化較小，從m_{Ir0}變?yōu)閙_{Ir1}，這表明Ir原子對(duì)拉伸應(yīng)變的響應(yīng)相對(duì)較弱，其磁矩主要受自身原子結(jié)構(gòu)和與相鄰原子的相互作用影響。Mn原子的磁矩減小至m_{Mn1}，這可能是因?yàn)槔鞈?yīng)變改變了Mn原子與周圍原子的交換相互作用，使得其磁矩降低。在壓縮應(yīng)變下，F(xiàn)e原子的磁矩減小至m_{Fe2}，Ga原子的磁矩減小至m_{Ga2}，Mn原子的磁矩增大至m_{Mn2}，Ir原子的磁矩變化依然較小，變?yōu)閙_{Ir2}。這些磁矩的變化直接影響了異質(zhì)結(jié)的總磁矩和磁性行為，進(jìn)一步說明了應(yīng)變對(duì)異質(zhì)結(jié)磁性的顯著調(diào)控作用。相場模擬得到的不同應(yīng)變下異質(zhì)結(jié)的磁疇結(jié)構(gòu)圖像如圖4所示。在未施加應(yīng)變時(shí)，磁疇結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出相對(duì)規(guī)則的分布，磁疇壁較為平滑，磁疇尺寸相對(duì)均勻。當(dāng)施加拉伸應(yīng)變時(shí)，磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。由于拉伸應(yīng)變導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力與磁疇的磁彈性能相互作用，使得磁疇壁發(fā)生彎曲和變形，磁疇尺寸也變得不均勻。部分磁疇在應(yīng)變方向上被拉長，而其他方向上的磁疇則受到擠壓，磁疇壁的能量增加，導(dǎo)致磁疇結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。在壓縮應(yīng)變下，磁疇同樣受到應(yīng)力作用，磁疇壁的移動(dòng)受到阻礙，磁疇傾向于聚集在一起，形成更大尺寸的磁疇，磁疇壁的數(shù)量減少，磁疇結(jié)構(gòu)的有序性降低。這些磁疇結(jié)構(gòu)的變化與實(shí)驗(yàn)中觀察到的磁性參數(shù)變化密切相關(guān)，進(jìn)一步揭示了應(yīng)變通過影響磁疇結(jié)構(gòu)來調(diào)控異質(zhì)結(jié)磁性的微觀機(jī)制。4.3應(yīng)變調(diào)控磁性的微觀機(jī)制從原子尺度深入探究應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)磁性調(diào)控的微觀機(jī)制，對(duì)于全面理解其磁性變化規(guī)律具有至關(guān)重要的意義。應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著畸變。當(dāng)施加拉伸應(yīng)變時(shí)，晶格在應(yīng)變方向上被拉長，原子間距增大。在FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)中，鐵磁層與反鐵磁層之間的界面原子間距也會(huì)相應(yīng)增大。這種原子間距的改變會(huì)對(duì)電子云分布產(chǎn)生重要影響。由于電子云的分布與原子間的相互作用密切相關(guān)，原子間距的增大使得電子云的重疊程度減小，導(dǎo)致電子間的交換相互作用減弱。在鐵磁層中，電子間的交換相互作用是維持磁矩有序排列的重要因素，交換相互作用的減弱會(huì)使得磁矩的穩(wěn)定性降低，從而影響異質(zhì)結(jié)的磁性。在壓縮應(yīng)變下，晶格被壓縮，原子間距減小。這使得電子云的重疊程度增強(qiáng)，電子間的交換相互作用增強(qiáng)。在FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)中，這種增強(qiáng)的交換相互作用會(huì)改變鐵磁層和反鐵磁層中原子的磁矩大小和方向。對(duì)于鐵磁層中的Fe原子，壓縮應(yīng)變可能導(dǎo)致其3d電子云與相鄰原子的電子云重疊程度增加，增強(qiáng)了自旋-軌道耦合作用，使得Fe原子的磁矩增大。而對(duì)于反鐵磁層中的Mn原子，原子間距的改變可能會(huì)影響其與周圍原子的反鐵磁交換作用，導(dǎo)致磁矩方向的調(diào)整，進(jìn)而影響整個(gè)異質(zhì)結(jié)的交換偏置效應(yīng)。應(yīng)變還會(huì)改變原子間的鍵角。在FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)中，不同原子之間通過化學(xué)鍵相互連接，鍵角的變化會(huì)改變原子的配位環(huán)境，進(jìn)而影響電子的軌道雜化方式。當(dāng)鍵角發(fā)生變化時(shí)，原子的電子軌道會(huì)發(fā)生重新分布，導(dǎo)致電子態(tài)密度的改變。這種電子態(tài)密度的變化會(huì)進(jìn)一步影響自旋-軌道耦合及磁相互作用。如果鍵角的改變使得某些電子態(tài)的能量發(fā)生變化，可能會(huì)導(dǎo)致自旋向上和自旋向下的電子占據(jù)情況發(fā)生改變，從而影響磁矩的大小和方向。應(yīng)變引起的電子云分布和電子態(tài)密度變化會(huì)導(dǎo)致自旋-軌道耦合及磁相互作用的改變。自旋-軌道耦合是電子的自旋與其軌道運(yùn)動(dòng)之間的相互作用，它對(duì)材料的磁性具有重要影響。在應(yīng)變作用下，電子云分布的改變會(huì)導(dǎo)致自旋-軌道耦合強(qiáng)度的變化。當(dāng)原子間距增大時(shí)，電子云的彌散程度增加，自旋-軌道耦合強(qiáng)度可能會(huì)減弱；而當(dāng)原子間距減小時(shí)，自旋-軌道耦合強(qiáng)度可能會(huì)增強(qiáng)。這種自旋-軌道耦合強(qiáng)度的變化會(huì)進(jìn)一步影響磁矩的取向和穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異質(zhì)結(jié)磁性的調(diào)控。磁相互作用包括鐵磁層內(nèi)部的鐵磁交換作用、反鐵磁層內(nèi)部的反鐵磁交換作用以及鐵磁層與反鐵磁層之間的交換耦合作用。應(yīng)變通過改變原子間距和電子云分布，對(duì)這些磁相互作用產(chǎn)生顯著影響。在鐵磁層中，原子間距的變化會(huì)影響鐵磁交換作用的強(qiáng)度，進(jìn)而影響磁矩的大小和一致性。在反鐵磁層中，應(yīng)變會(huì)改變反鐵磁交換作用的平衡，影響反鐵磁層的自旋結(jié)構(gòu)。對(duì)于鐵磁層與反鐵磁層之間的交換耦合作用，應(yīng)變會(huì)改變界面處的電子結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用，從而影響交換偏置效應(yīng)的大小和穩(wěn)定性。通過深入分析應(yīng)變對(duì)這些磁相互作用的影響，可以建立起應(yīng)變與磁性調(diào)控之間的微觀聯(lián)系，為進(jìn)一步優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的磁性性能提供理論依據(jù)。五、應(yīng)用前景與展望5.1在自旋電子器件中的應(yīng)用潛力應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)磁性的有效調(diào)控，為其在自旋電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，有望為新一代高性能自旋電子器件的發(fā)展帶來新的突破。在磁傳感器方面，基于應(yīng)變調(diào)控的柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)具有顯著優(yōu)勢。傳統(tǒng)磁傳感器在檢測微弱磁場時(shí)，往往受到靈敏度和穩(wěn)定性的限制，難以滿足日益增長的高精度檢測需求。而利用應(yīng)變對(duì)異質(zhì)結(jié)磁性的調(diào)控作用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱磁場的高靈敏度檢測。通過施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，改變異質(zhì)結(jié)的磁滯回線和交換偏置場，使傳感器對(duì)磁場變化的響應(yīng)更加靈敏。當(dāng)應(yīng)變導(dǎo)致交換偏置場增大時(shí)，磁滯回線的偏移更加明顯，傳感器能夠更準(zhǔn)確地檢測到磁場的微小變化。這種高靈敏度的磁傳感器可廣泛應(yīng)用于生物磁信號(hào)檢測領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)研究中，生物體內(nèi)的細(xì)胞和組織會(huì)產(chǎn)生極其微弱的磁信號(hào)，如腦磁圖（MEG）和心磁圖（MCG）檢測中，這些信號(hào)對(duì)于疾病的早期診斷和治療具有重要意義。基于柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)的高靈敏度磁傳感器能夠捕捉到這些微弱信號(hào)，為生物醫(yī)學(xué)研究提供更精確的數(shù)據(jù)支持，有助于提高疾病診斷的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。在環(huán)境磁場監(jiān)測領(lǐng)域，該磁傳感器也能發(fā)揮重要作用。隨著環(huán)境污染問題日益受到關(guān)注，對(duì)環(huán)境磁場的監(jiān)測變得愈發(fā)重要。工業(yè)生產(chǎn)、電力傳輸?shù)然顒?dòng)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的環(huán)境磁場，傳統(tǒng)磁傳感器難以準(zhǔn)確監(jiān)測其變化。而基于應(yīng)變調(diào)控的柔性磁傳感器可以適應(yīng)不同的環(huán)境條件，準(zhǔn)確檢測環(huán)境磁場的微小波動(dòng)，為環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。在磁隨機(jī)存儲(chǔ)器方面，應(yīng)變調(diào)控的柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)也具有巨大的應(yīng)用潛力。磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）作為一種新型的非易失性存儲(chǔ)器，具有高速讀寫、低功耗、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來存儲(chǔ)器發(fā)展的重要方向。在傳統(tǒng)的MRAM中，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取依賴于磁性材料的磁化方向。而利用應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)磁性的調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)更快速、更可靠的數(shù)據(jù)讀寫。通過施加應(yīng)變改變異質(zhì)結(jié)的磁性，能夠降低磁化翻轉(zhuǎn)所需的能量，從而提高讀寫速度。當(dāng)應(yīng)變使異質(zhì)結(jié)的磁各向異性發(fā)生改變時(shí)，磁化方向的切換更加容易，數(shù)據(jù)的寫入和讀取速度得到顯著提升。應(yīng)變調(diào)控還可以增強(qiáng)異質(zhì)結(jié)的熱穩(wěn)定性，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。在高溫環(huán)境下，傳統(tǒng)MRAM中的磁性材料可能會(huì)出現(xiàn)磁化強(qiáng)度下降、數(shù)據(jù)丟失等問題。而應(yīng)變調(diào)控后的柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)能夠在一定程度上抵抗高溫的影響，保持穩(wěn)定的磁性，確保數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)和讀取。這使得基于該異質(zhì)結(jié)的MRAM在高溫、高可靠性要求的應(yīng)用場景中具有明顯優(yōu)勢，如航空航天、汽車電子等領(lǐng)域。在自旋邏輯器件方面，應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)磁性的調(diào)控為實(shí)現(xiàn)低功耗、高速運(yùn)算的自旋邏輯器件提供了新的途徑。自旋邏輯器件是利用電子的自旋屬性來實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的新型器件，與傳統(tǒng)的CMOS邏輯器件相比，具有低功耗、高速率、高集成度等優(yōu)勢。在自旋邏輯器件中，磁性材料的磁性狀態(tài)用于表示邏輯值“0”和“1”，通過控制磁性狀態(tài)的變化來實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)磁性的調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)更快速、更精確的磁性狀態(tài)切換，從而提高自旋邏輯器件的運(yùn)算速度和降低功耗。通過精確控制應(yīng)變的大小和方向，可以使異質(zhì)結(jié)的磁化方向在不同的邏輯狀態(tài)之間快速切換，減少邏輯運(yùn)算的時(shí)間延遲。應(yīng)變調(diào)控還可以優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的磁性穩(wěn)定性，降低邏輯錯(cuò)誤的發(fā)生率，提高自旋邏輯器件的可靠性。這為實(shí)現(xiàn)下一代高性能、低功耗的芯片技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，有望推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。5.2面臨的挑戰(zhàn)與解決方案盡管應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)磁性調(diào)控的研究取得了一定進(jìn)展，但在實(shí)際應(yīng)用和深入研究中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在大規(guī)模制備高質(zhì)量柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)方面，存在著顯著的工藝難題。磁控濺射、分子束外延等薄膜制備技術(shù)雖然能夠在實(shí)驗(yàn)室條件下制備出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)薄膜，但這些技術(shù)通常需要復(fù)雜的設(shè)備和嚴(yán)格的制備條件，制備過程成本高昂且效率較低，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。在柔性襯底上生長高質(zhì)量的FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)薄膜時(shí)，由于柔性襯底與薄膜材料之間的熱膨脹系數(shù)差異以及晶格失配等問題，容易導(dǎo)致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和缺陷，影響異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)完整性和性能穩(wěn)定性。這些應(yīng)力和缺陷可能會(huì)導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)的磁性參數(shù)發(fā)生波動(dòng)，降低其在自旋電子器件中的應(yīng)用性能。為解決這一問題，需要開發(fā)新的低成本、高效率的薄膜制備技術(shù)。可以探索基于溶液法的制備工藝，如旋涂、噴涂等方法，這些方法具有設(shè)備簡單、成本低、可大面積制備等優(yōu)點(diǎn)。通過優(yōu)化溶液的配方和制備工藝參數(shù)，有望在柔性襯底上制備出高質(zhì)量的FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)薄膜。還需要進(jìn)一步研究柔性襯底與薄膜材料之間的界面工程，通過引入緩沖層、優(yōu)化襯底預(yù)處理工藝等手段，減小熱膨脹系數(shù)差異和晶格失配的影響，降低薄膜內(nèi)部的應(yīng)力和缺陷密度，提高異質(zhì)結(jié)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。應(yīng)變與磁性調(diào)控的穩(wěn)定性和一致性也是當(dāng)前面臨的重要挑戰(zhàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，柔性自旋電子器件可能會(huì)受到復(fù)雜的外部環(huán)境影響，如溫度變化、機(jī)械振動(dòng)等，這些因素可能導(dǎo)致應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響異質(zhì)結(jié)的磁性調(diào)控效果。溫度升高可能會(huì)使應(yīng)變誘導(dǎo)的磁性變化發(fā)生不可逆的改變，導(dǎo)致磁性參數(shù)的漂移，影響器件的性能穩(wěn)定性。不同批次制備的柔性FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)可能存在磁性參數(shù)的不一致性，這主要是由于制備過程中的工藝波動(dòng)以及材料本身的不均勻性導(dǎo)致的。這種不一致性會(huì)給器件的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用帶來困難，降低產(chǎn)品的良品率和可靠性。為解決應(yīng)變與磁性調(diào)控穩(wěn)定性問題，需要深入研究應(yīng)變與磁性在復(fù)雜環(huán)境下的相互作用機(jī)制。通過實(shí)驗(yàn)和理論模擬相結(jié)合的方法，分析溫度、振動(dòng)等因素對(duì)異質(zhì)結(jié)應(yīng)變狀態(tài)和磁性的影響規(guī)律，建立相應(yīng)的物理模型?；谶@些模型，可以設(shè)計(jì)出具有自補(bǔ)償功能的應(yīng)變調(diào)控結(jié)構(gòu)，當(dāng)外部環(huán)境變化導(dǎo)致應(yīng)變狀態(tài)改變時(shí)，該結(jié)構(gòu)能夠自動(dòng)調(diào)整，保持異質(zhì)結(jié)的磁性穩(wěn)定。針對(duì)磁性參數(shù)不一致性問題，需要進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝，提高工藝的重復(fù)性和穩(wěn)定性。采用先進(jìn)的自動(dòng)化制備設(shè)備和精確的過程控制技術(shù)，嚴(yán)格控制制備過程中的各項(xiàng)參數(shù)，減少工藝波動(dòng)。對(duì)原材料進(jìn)行嚴(yán)格的篩選和質(zhì)量檢測，確保材料的均勻性和一致性，從而提高不同批次制備的異質(zhì)結(jié)磁性參數(shù)的一致性。5.3未來研究方向展望未來，本研究領(lǐng)域有著多個(gè)極具潛力的拓展方向，有望在基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用方面取得更顯著的突破。在深入研究應(yīng)變與其他因素協(xié)同調(diào)控磁性方面，將開展應(yīng)變與溫度、電場、磁場等多物理場協(xié)同作用對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)磁性影響的研究。探究不同物理場之間的耦合機(jī)制，以及它們?nèi)绾喂餐绊懏愘|(zhì)結(jié)的晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁相互作用。研究應(yīng)變與溫度協(xié)同作用時(shí)，分析溫度變化如何影響應(yīng)變誘導(dǎo)的晶格畸變和電子結(jié)構(gòu)變化，以及這種變化對(duì)交換偏置效應(yīng)和磁疇結(jié)構(gòu)的影響。通過建立多物理場耦合的理論模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，揭示多物理場協(xié)同調(diào)控磁性的規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)更精確、更靈活的磁性調(diào)控提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。探索新型柔性磁性異質(zhì)結(jié)材料體系也是未來研究的重要方向。一方面，嘗試引入新的元素或化合物，設(shè)計(jì)合成具有獨(dú)特磁性能和應(yīng)變響應(yīng)特性的新型異質(zhì)結(jié)材料。研究在FeGaIrMn異質(zhì)結(jié)中引入稀土元素，利用稀土元素的特殊電子結(jié)構(gòu)和磁性，增強(qiáng)異質(zhì)結(jié)的磁性和應(yīng)變調(diào)控效果。另一方面，關(guān)注新型二維材料和有機(jī)-無機(jī)雜化材料在柔性磁性異質(zhì)結(jié)中的應(yīng)用。二維材料如二硫化鉬、氮化硼等具有優(yōu)異的電學(xué)和力學(xué)性能，將其與磁性材料復(fù)合，有望制備出具有高性能的柔性異質(zhì)結(jié)。有機(jī)-無機(jī)雜化材料則結(jié)合了有機(jī)材料的柔韌性和無機(jī)材料的磁性優(yōu)勢，為柔性磁性異質(zhì)結(jié)的發(fā)展提供了新的思路。通過探索新型材料體系，拓展應(yīng)變調(diào)控磁性的研究范圍，發(fā)現(xiàn)新的磁現(xiàn)象和物理規(guī)律，為柔性自旋電子器件的創(chuàng)新發(fā)展提供材料支持。在拓展應(yīng)用領(lǐng)域方面，除了自旋電子器件，未來還將探索應(yīng)變調(diào)控的柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)在生物醫(yī)學(xué)和能源領(lǐng)域的應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用其高靈敏度的磁性響應(yīng)特性，開發(fā)新型的生物傳感器，用于生物分子檢測、細(xì)胞成像和疾病診斷等。研究如何將異質(zhì)結(jié)與生物分子進(jìn)行特異性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物標(biāo)志物的高靈敏檢測，為早期疾病診斷提供新的技術(shù)手段。在能源領(lǐng)域，探索將其應(yīng)用于能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)器件，如磁性電池、磁控太陽能電池等。研究應(yīng)變調(diào)控的磁性如何影響電池的充放電性能和太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，為提高能源利用效率和開發(fā)新型能源技術(shù)提供新的途徑。通過拓展應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)應(yīng)變調(diào)控的柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)從基礎(chǔ)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，為解決實(shí)際問題和推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。六、結(jié)論6.1研究成果總結(jié)本研究圍繞應(yīng)變對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁性調(diào)控展開，通過實(shí)驗(yàn)研究與理論模擬相結(jié)合的方式，深入探究了其內(nèi)在機(jī)制與應(yīng)用潛力，取得了一系列具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義的研究成果。在實(shí)驗(yàn)研究方面，成功搭建了完備的實(shí)驗(yàn)體系，利用磁控濺射技術(shù)在柔性聚酰亞胺（PI）襯底上制備出高質(zhì)量的柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)。通過精心設(shè)計(jì)的應(yīng)變施加與測量裝置，精確控制并測量了彎曲應(yīng)變和拉伸應(yīng)變，結(jié)合物理性能測試系統(tǒng)（PPMS），全面、準(zhǔn)確地測量了不同應(yīng)變狀態(tài)下異質(zhì)結(jié)的磁滯回線、交換偏置場、矯頑力等磁性參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地表明，應(yīng)變的方向和大小對(duì)柔性FeGaIrMn交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁性具有顯著影響。彎曲應(yīng)變下，交換偏置場和矯頑力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在特定彎曲應(yīng)變下達(dá)到最大值，這是由于應(yīng)變誘導(dǎo)的界面變化和應(yīng)力對(duì)交換耦合及磁疇結(jié)構(gòu)的綜合影響，在較小應(yīng)變時(shí)增強(qiáng)磁性，超過一定值后因材料損傷導(dǎo)致磁性減