·1776* 工程科学学报，第39卷，第12期 torque,简称STT)的磁随机存储器发展迅速，它的原 对该材料外加电场E可以控制其磁化强度M,或者外 理是通过极化自旋流翻转铁磁性薄膜的磁化方向，从 加磁场H可以控制其电极化强度P的一种耦合效 而实现信息的存储。流经器件的电流会产生焦耳热， 应m.设定α为材料的磁电耦合系数，α值越大代表 焦耳热对于元器件的性能、寿命和精确度都有极大的 磁电转换率越高，同时铁电性和铁磁性之间的耦合性 损害.于是，如何可以在不产生焦耳热的情况下调 能越强.而根据文献报道：应变可以通过压电效应调控薄 控材料的磁性成为人们关注的热点.随着功能薄膜材 膜的电极化，通过磁弹性效应调控薄膜的磁化强度陶 料的广泛研究和应用，针对薄膜材料的人工设计以及 然而，在大多数材料中并不存在磁电耦合效应，这 结构性能的调控研究也日渐深入，人们研究发现，过渡 是因为大多数材料并不同时具有铁电性与铁磁性，这 金属及其氧化物中的过渡金属原子或者离子具有复杂 些晶体的对称性不能满足空间反演和时间反演操作不 的多自由度和多序参量的耦合效应，表现出新颖的宏 变性.这就限制了可以同时出现铁电性和铁磁性的材 观物理性质，因而，这些物理性质的量子调控成为人们 料的数量网，而在可用的材料中，除了传统的多铁材 研究的重点.应变是一个有效的调控手段，可以通过 料以外，人们提出一种较为可行的解决方案，即制造铁 晶格（声子）与电子、自旋、轨道等的相互作用来影响 磁性层和铁电性层的多铁异质结复合材料0网.在这 材料的电、磁、光等物理特性，并可能导致某些独特物 种铁磁/铁电异质结中，两种材料的界面破坏了界面附 性的出现.研究发现，应变调控电子器件磁性的 近的铁磁层的时间反演对称性，同时铁磁层本身破坏 功耗大约是自旋转矩器件功耗的百分之一.事实 了空间反演的对称性，因此在铁磁层靠近界面的区域 上，人们已经大规模利用应变来调控半导体、超导体、 会出现磁电耦合的多铁性能四.此外，异质结结构打 庞磁电阻薄膜、铁电体、铁氧体材料以及多铁性材料等 破了对称性和低温对于材料选择的限制，允许人工创 的电学和磁学性能等4刀.引入应变的主要方式有五 造出各种各样的铁磁材料和铁电材料的多铁组合.这 种：1、通过外加机械作用力给材料施加应力；2、通 种复合材料的设计方案开辟了利用低功耗电子技术的 过施加外电场诱导应变产生网：3、柔性电子器件圆； 新途径B4- 4、通过形状记忆合金诱导应变四：5、外延应力四.其 此外，大部分实验中所用提供应变的柔性衬底为 中，柔性电子器件是目前的一个研究热点.在应用方 聚对二甲苯酸乙二脂醇(polyethyleneterephthalate,简称 面，传统的电子产品依赖于刚性的印刷电路版技术. 为PET)基片，它被广泛地应用于磁记录、感光材料、电 无论是电子元器件还是连接电子元器件的导电体都分 子、电气绝缘、工业用膜、包装装饰、屏幕保护、光学级 布于刚性的电路板上，大至普通的晶体管电路，小至大 镜面表面保护、生物医疗等领域，在室温下为非晶态， 规模的集成电路，几乎都采用这样的模式.虽然刚性 PET薄膜具有以下特点：(1)具有良好的气密性、防潮 电路板有利于保护电子元器件，使其在使用过程中不 性、耐热、耐寒性和良好的耐化学药品性和耐油性： 会轻易损坏，但不可避免地制约了电子产品的延展性 (2)机械性能优良，抗张强度和抗冲击强度高，表面可 和柔韧性.正因如此，可承受拉伸、卷曲等大变形的柔 以被塑造成任何形状 性电子(flexible electronics)的研究已成为电子、力学、 1柔性铁磁/铁电异质结中应变调制的磁电 材料和物理等学科的一个研究热点.柔性电子器件在 近年来得到迅猛发展 耦合效应 柔性电子技术可概括为在柔性薄膜、可延展性塑 柔性衬底通过弯折给生长在其上面的薄膜材料提 料、记忆合金或者超薄金属基底上制备出可随基底任 供应变，应变可以调制多种磁电耦合效应，例如，磁各 意变形的电子器件的一门新兴电子技术，又称为塑料 向异性、巨磁电阻、隧道磁电阻等等.表1列举出了具 电子、印刷电子等，柔性电子以其独特的延展性以及高 有代表性的柔性铁磁/铁电异质结中应变调制磁电耦 效、低成本制造工艺，在消费电子、医学仪器、能源电力 合效应的研究B7- 和军事装备等领域有着广阔的发展和应用前景，目前 1.1磁各向异性 产品有电子眼、柔性电子显示器、电子报纸以及柔性生 Tang等叨利用磁控溅射在PET柔性沉底上生长 物医疗装置等m,2-.Science杂志将有机电子技术进 了5~200nm的CoFeB薄膜，详细地分析了薄膜厚度 展列为2000年世界十大科技成果之一. 对于薄膜结构以及磁性的影响：由应变引起的面内各 柔性电子器件的研究范围特别广，但是在自旋电 项异性随薄膜厚度发生了规律性的变化.由于不同厚 子学领域，对于柔性电子器件的研究还处于起步阶段， 度的CoFeB薄膜所受的应变不同，所以，当薄膜厚度 柔性衬底一般通过弯折给生长在它上面的薄膜材料提 为5~70m时，薄膜为各向异性，随着厚度的增加，在 供应变，来控制薄膜材料的磁电耦合效应.磁电耦合 薄膜厚度大于70m之后，薄膜过厚导致磁畴壁之间 效应是指一种材料同时具有铁磁有序和铁电有序时， 相互作用占主导因素，薄膜变为各向同性，在厚度为工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 torque，简称 STT) 的磁随机存储器发展迅速［5］，它的原 理是通过极化自旋流翻转铁磁性薄膜的磁化方向，从 而实现信息的存储． 流经器件的电流会产生焦耳热， 焦耳热对于元器件的性能、寿命和精确度都有极大的 损害［6］． 于是，如何可以在不产生焦耳热的情况下调 控材料的磁性成为人们关注的热点． 随着功能薄膜材 料的广泛研究和应用，针对薄膜材料的人工设计以及 结构性能的调控研究也日渐深入，人们研究发现，过渡 金属及其氧化物中的过渡金属原子或者离子具有复杂 的多自由度和多序参量的耦合效应，表现出新颖的宏 观物理性质，因而，这些物理性质的量子调控成为人们 研究的重点． 应变是一个有效的调控手段，可以通过 晶格( 声子) 与电子、自旋、轨道等的相互作用来影响 材料的电、磁、光等物理特性，并可能导致某些独特物 性的出现［7--13］． 研究发现，应变调控电子器件磁性的 功耗大约是自旋转矩器件功耗的百分之一［6］． 事实 上，人们已经大规模利用应变来调控半导体、超导体、 庞磁电阻薄膜、铁电体、铁氧体材料以及多铁性材料等 的电学和磁学性能等［14--17］． 引入应变的主要方式有五 种: 1、通过外加机械作用力给材料施加应力［18］; 2、通 过施加外电场诱导应变产生［19］; 3、柔性电子器件［20］; 4、通过形状记忆合金诱导应变［21］; 5、外延应力［22］． 其 中，柔性电子器件是目前的一个研究热点． 在应用方 面，传统的电子产品依赖于刚性的印刷电路版技术． 无论是电子元器件还是连接电子元器件的导电体都分 布于刚性的电路板上，大至普通的晶体管电路，小至大 规模的集成电路，几乎都采用这样的模式． 虽然刚性 电路板有利于保护电子元器件，使其在使用过程中不 会轻易损坏，但不可避免地制约了电子产品的延展性 和柔韧性． 正因如此，可承受拉伸、卷曲等大变形的柔 性电子( flexible electronics) 的研究已成为电子、力学、 材料和物理等学科的一个研究热点． 柔性电子器件在 近年来得到迅猛发展． 柔性电子技术可概括为在柔性薄膜、可延展性塑 料、记忆合金或者超薄金属基底上制备出可随基底任 意变形的电子器件的一门新兴电子技术，又称为塑料 电子、印刷电子等，柔性电子以其独特的延展性以及高 效、低成本制造工艺，在消费电子、医学仪器、能源电力 和军事装备等领域有着广阔的发展和应用前景，目前 产品有电子眼、柔性电子显示器、电子报纸以及柔性生 物医疗装置等［20，23--26］． Science 杂志将有机电子技术进 展列为 2000 年世界十大科技成果之一． 柔性电子器件的研究范围特别广，但是在自旋电 子学领域，对于柔性电子器件的研究还处于起步阶段， 柔性衬底一般通过弯折给生长在它上面的薄膜材料提 供应变，来控制薄膜材料的磁电耦合效应． 磁电耦合 效应是指一种材料同时具有铁磁有序和铁电有序时， 对该材料外加电场 E 可以控制其磁化强度 M，或者外 加磁场 H 可以控制其电极化强度 P 的 一 种 耦 合 效 应［27］． 设定 α 为材料的磁电耦合系数，α 值越大代表 磁电转换率越高，同时铁电性和铁磁性之间的耦合性 能越强． 而根据文献报道: 应变可以通过压电效应调控薄 膜的电极化，通过磁弹性效应调控薄膜的磁化强度［28］． 然而，在大多数材料中并不存在磁电耦合效应，这 是因为大多数材料并不同时具有铁电性与铁磁性，这 些晶体的对称性不能满足空间反演和时间反演操作不 变性． 这就限制了可以同时出现铁电性和铁磁性的材 料的数量［29］，而在可用的材料中，除了传统的多铁材 料以外，人们提出一种较为可行的解决方案，即制造铁 磁性层和铁电性层的多铁异质结复合材料［30--32］． 在这 种铁磁/铁电异质结中，两种材料的界面破坏了界面附 近的铁磁层的时间反演对称性，同时铁磁层本身破坏 了空间反演的对称性，因此在铁磁层靠近界面的区域 会出现磁电耦合的多铁性能［33］． 此外，异质结结构打 破了对称性和低温对于材料选择的限制，允许人工创 造出各种各样的铁磁材料和铁电材料的多铁组合． 这 种复合材料的设计方案开辟了利用低功耗电子技术的 新途径［34--36］． 此外，大部分实验中所用提供应变的柔性衬底为 聚对二甲苯酸乙二脂醇( polyethyleneterephthalate，简称 为 PET) 基片，它被广泛地应用于磁记录、感光材料、电 子、电气绝缘、工业用膜、包装装饰、屏幕保护、光学级 镜面表面保护、生物医疗等领域，在室温下为非晶态， PET 薄膜具有以下特点: ( 1) 具有良好的气密性、防潮 性、耐热、耐寒性和良好的耐化学药品性和耐油性; ( 2) 机械性能优良，抗张强度和抗冲击强度高，表面可 以被塑造成任何形状． 1 柔性铁磁/铁电异质结中应变调制的磁电 耦合效应 柔性衬底通过弯折给生长在其上面的薄膜材料提 供应变，应变可以调制多种磁电耦合效应，例如，磁各 向异性、巨磁电阻、隧道磁电阻等等． 表 1 列举出了具 有代表性的柔性铁磁/铁电异质结中应变调制磁电耦 合效应的研究［37--44］． 1. 1 磁各向异性 Tang 等［37］利用磁控溅射在 PET 柔性沉底上生长 了 5 ～ 200 nm 的 CoFeB 薄膜，详细地分析了薄膜厚度 对于薄膜结构以及磁性的影响: 由应变引起的面内各 项异性随薄膜厚度发生了规律性的变化． 由于不同厚 度的 CoFeB 薄膜所受的应变不同，所以，当薄膜厚度 为 5 ～ 70 nm 时，薄膜为各向异性，随着厚度的增加，在 薄膜厚度大于 70 nm 之后，薄膜过厚导致磁畴壁之间 相互作用占主导因素，薄膜变为各向同性，在厚度为 · 6771 ·