基片对NiFe薄膜磁电性能影响的研究

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坡莫合金(NiFe)作为一种经典的软磁性材料,具有高饱和磁化强度、高剩磁比、低矫顽场和各向异性磁电阻的特点,这使它在弱磁场传感器和薄膜电感等领域有着广阔的应用前景。随着电子器件微型化、集成化和柔性化技术的发展,NiFe薄膜器件与其它器件集成化的过程对NiFe薄膜在不同基片,特别是几何弯曲基片上的异质生长提出了新的需求。因此,我们需要理解不同基片的几何形貌与弯曲特征对生长在其上的NiFe薄膜的微结构和磁电性能的影响。但目前关于不同基片上NiFe薄膜的磁电性能的研究报道较少,利用基片的几何特征来调控NiFe薄膜磁电性能的研究也未见报道。针对以上问题,本文首先选取了不同表面形貌的类单晶硅片(MLC-Si)来研究基片形貌对NiFe薄膜微结构和磁电性能的影响,接着使用柔性基片来研究基片弯曲形状和应变对NiFe薄膜微结构和磁电性能的影响,最后在这些研究基础上设计了柔性各向异性磁电阻传感器,研究了柔性传感器的磁场感应性能。具体的研究内容和结果如下:第一部分的主要研究内容为在MLC-Si(平面、正金字塔和倒金字塔)刚性基片上制备了不同厚度的NiFe薄膜,研究了薄膜的微观结构、磁性和磁电阻特性。结果表明NiFe薄膜的表面形貌结构与平面基片的形貌基本一致。然而,金字塔表面上的NiFe薄膜厚度从金字塔尖端到底部逐渐增加。这是由薄膜生长过程中入射原子/离子在金字塔表面的各向异性扩散引起的。与平面基片相比,金字塔结构基片上的薄膜具有较小的饱和磁化强度,但面内矫顽力较大,这主要是由测试磁场与基片表面之间的非零角度引起的。面内到面外方向测得的磁滞回线表明,所有MLC-Si基片上薄膜的磁性能都高度依赖于测试磁场角度。对NiFe薄膜的进一步后退火结果表明,薄膜的磁性能主要取决于MLC-Si基片的表面微观结构而不是制备条件。平面MLC-Si基片上NiFe薄膜的各向异性磁电阻效应高于金字塔上NiFe薄膜的结果,这与薄膜磁性的测试结果相吻合。第二部分的主要研究内容为在聚乳酸(PLA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)和云母片上制备了不同厚度的NiFe薄膜,研究基片的弯曲方向、弯曲程度和弯曲次数对薄膜的微观结构、磁性和磁电阻特性的影响。结果表明NiFe薄膜的磁性主要受基片弯曲带来的几何形状的影响。薄膜的矫顽力随弯曲半径的增加而增加,磁电阻效应随弯曲半径的增加而下降,薄膜的弯曲半径可以小于2.5 mm。随着弯曲次数的增加,薄膜的矫顽力在略微增加后保持稳定,磁电阻效应在略微下降后保持稳定,薄膜的最大弯曲次数可以达到2000次。最后我们以PI为基片,设计了基于惠斯通电桥的柔性NiFe薄膜各向异性磁电阻传感器。结果表明传感器可以在-3 Oe到3 Oe磁场下实现电压的线性输出,并且随变化磁场角度呈正弦输出。
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