科学网—Nano Res.[器件]│北京科技大学徐晓光教授、姜勇教授团队实现基于柔性自旋轨道矩器件的应力传感器

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2024-12-9 14:13

| 个人分类: Nano Research | 系统分类: 论文交流

背景介绍

近年来，柔性 自旋电子器件 因其独特的可弯曲、轻量化和可穿戴等特性而备受关注。随着人工智能时代的到来，新应用场景对可穿戴设备提出了日益苛刻的要求，柔性电子器件也因而得到快速的发展，在健康监控、人机交互、应力传感等领域得到了广泛的研究和应用。目前，基于自旋轨道力矩(SOT)效应的自旋电子器件已经在构建具有高密度、快响应、低功耗的存储和逻辑运算方面显现出独特的优势。然而，如何在柔性衬底上实现电流和磁场操控的应力传感等功能仍然是柔性自旋电子器件领域面临的机遇和挑战。

成果简介

北京科技大学材料科学与工程学院 徐晓光 教授、姜勇教授团队 报道了一种基于柔性自旋轨道力矩效应的应力传感器，并实现了对拉应力的线性传感功能。团队在柔性Kapton衬底上通过旋涂聚酰亚胺（PI）的方法优化表面粗糙度，继而在其上成功生长出具有垂直磁各向异性的Ta/Pt/Co/Pt磁性多层膜，并加工成霍尔棒器件。基于Kapton/PI/Ta/Pt/Co/Pt磁性多层膜的霍尔棒器件在磁场辅助下实现了自旋轨道矩诱导的电流驱动磁化翻转。通过弯曲衬底对器件施加机械拉伸应力，基于自旋轨道矩效应的磁化翻转比例与应变线性相关，在1.35%的拉应变下，临界电流密度 J c 降低约7.6%。根据该变化规律，设计并实现了基于自旋轨道矩效应的柔性应变传感器，在手指上通过霍尔电阻测量实现了对关节动作的监测。该研究证明拉伸应变可有效调控自旋轨道矩效应，且实现了柔性自旋轨道矩器件对拉伸形变的线性响应。

图文导读

图1 (a)-(c) 柔性自旋电子器件微加工流程示意图；(d) 霍尔棒器件堆垛结构；(e) Kapton衬底表面形貌图；(f)Kapton衬底修饰后的表面形貌图；(g)平直和弯曲状态下的柔性电子器件实物图。

图2 (a) 磁光克尔测量示意图；(b)-(e) 磁场辅助下电流驱动磁化翻转图像。

图3 (a) 不同应变下霍尔棒器件的反常霍尔曲线；(b)-(c) 不同应变下电流驱动磁化翻转曲线；(d)-(f) H c 、 J c 和Δ R H 随应变的变化。

图4 不同应力状态下，±11 mA脉冲电流驱动磁矩翻转，可通过霍尔电阻值的变化实现对指关节动作的监测。

作者简介

北京科技大学材料科学与工程学院徐晓光教授、姜勇教授团队 主要从事磁电子材料与器件领域的研究，目前主要研究领域包括基于铁磁、反铁磁、二维磁性材料等磁电子材料及器件的自旋相关输运性质，以及高速度、低功耗、快响应的存储和逻辑运算器件研究。课题组常年招收博士研究生和博士后，感兴趣的同学可电子邮件联系徐晓光教授（xgxu@ustb.edu.cn）。

文章信息

Li M, Xu X, Wang M, et al. Strain-controlled current-induced magnetization switching in flexible spin-orbit torque device. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907066 .

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主题：霍尔棒器件