江奕天，李星星，张昕

（五邑大学数字光芯片联合实验室，广东 江门 529020）

目前，最先进的柔性磁传感器主要是基于各种磁阻效应制作的，如各向异性磁电阻（AMR）效应、巨磁阻效应和隧穿磁阻效应。其中，各向异性磁电阻源于未补偿自旋的传导电子的各向异性散射，并对磁场方向有很强的依赖性，由于其成本低廉、制备简单而备受关注。在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）平台已经成功制作了柔性多晶AMR传感器，然而磁阻值较低（约1.3%）。

云母（mica）衬底上进行范德华（vdW）外延为生长柔性单晶薄膜提供了一种方法。VdW外延的界面上没有共价键，晶格失配对于外延层和衬底之间的影响大大减小。VdW外延以往主要用于二维材料的生长，如今在三维材料体系中也广泛应用，如III族氮化物和II-VI族半导体薄膜等。

本文分析了Ni在云母衬底的外延生长。结果表明，Ni薄膜具有优异的结晶质量，AMR效应也得到了提高。此外，样品在10mm的曲率半径，经过104次弯曲循环后AMR性能没有表现出明显退化。

1 实验方法

Ni薄膜通过直流磁控溅射沉积在解理后的氟金云母[KMg3(AlSi3O10)F2]衬底表面。溅射腔室本底真空度为1.5×105Pa，工作强压为0.5Pa，气体氛围为氩气。每次生长前进行15min的预溅射，避免靶材污染。制备薄膜的衬底温度分别为350℃、400℃、450℃和500℃，溅射功率恒定为60W。

Ni薄膜表征采用型号smart lab，Rigaku RINT-TTR的X射线衍射（XRD）仪进行2θ-θ扫描、ω摇摆曲线和φ扫描表征，X射线源来自Cu Kα1。表面形貌由NT-MDT solver P47原子力显微镜（AFM）在非接触模式下测量。在200 Oe的磁场下，用标准四探针法对AMR效应进行了测量。为了测量弯曲耐久性，使用一个带有伺服电机的自制平台，以1Hz的测量频率反复弯曲样品，弯曲半径为10mm。

2 结果与讨论

图1-a显示了不同衬底温度下制备的Ni薄膜的XRD 2θ-θ曲线。除了mica(00l)峰，所有衬底温度下都存在Ni(111)强衍射峰，这表明了薄膜的(111)择优取向。除Ni(111)衍射峰，在衬底温度450℃和500℃制备的薄膜还出现了NiO(111)衍射峰（用红色星号标出），NiO衍射峰的出现表明，只有在衬底温度低于450℃时才能生长出纯(111)取向的Ni薄膜。400℃制备的Ni(111)薄膜XRD摇摆曲线如图1-b所示，样品半峰全宽（FWHM）值为0.13°，与MgO衬底制备的Ni薄膜FWHM接近（0.11°）。

表1 衬底温度与样品衍射峰数据

为了揭示Ni相对mica的面内取向，沿Ni(200)和mica(022)面测试了衬底温度为400℃样品的面内φ扫描，如图1-c所示。mica的对称性导致了2个彼此间隔180°的(022)衍射峰出现。6个Ni(200)衍射峰方位角间隔60°，其中2个衍射峰与mica(022)的衍射峰峰位一致。鉴于以上结果，Ni和mica衬底之间相应的面内外延关系如下：Ni[-110]║mica[100]和Ni[11-2]║mica[010]。

图1 Ni/mica 异质结晶体结构表征

考虑到Ni(111)的三重对称性，对于单畴Ni(111)薄膜而言，预计会有三个方位角相隔120°的衍射峰[(200)、(020)和(002)]。图1-c中出现的6个衍射峰可以推测出Ni存在2个等效畴，其面内旋转角为60°，如图2-a所示。

这是因为Ni具有面心立方（FCC）结构，会在mica上形成ABC和ACB两种堆积方式。图2-b为衬底温度400℃时Ni薄膜的AFM图谱，从中也可以明显观察到2个相差60°的晶畴取向。Ni(-110)和(11-2)面的晶格间距分别为2.491Å和2.157Å，得出Ni与mica的晶格失配度约为6.1%，远小于Ni和MgO衬底之间的晶格失配，因此，高质量的Ni薄膜可以成功在mica衬底外延生长。

图2 Ni薄膜的外延匹配关系及两种等效畴

图3-a总结了不同衬底温度下生长的Ni薄膜AMR效应的磁场与角度的依赖关系。AMR可以表示为[ρ(φH)-ρ⊥]/ρ//，其中，φH是磁场和电流方向之间的夹角，ρ⊥和ρ//分别是垂直于磁场和平行于电流方向的电阻率。与预期的一致，Ni薄膜的AMR表现出cos2φH的角度依赖性，并在电流和磁场方向平行时达到最大值。各向异性磁电阻率通常定义为(ρ//-ρ⊥)/ρ//，当衬底温度从300℃上升到400℃时，各向异性磁电阻率从1.48%提升到1.71%，当衬底温度进一步加热到500℃时，各向异性磁电阻率下降到1.29%。这一观察结果表明，在外延温度窗口内(111)衍射峰强度的增大有利于各向异性磁电阻率的提高。随着温度的进一步升高，薄膜结晶度降低，各向异性磁电阻率也随之降低，单晶Ni薄膜的各向异性磁电阻率要高于多晶Ni薄膜。

图3 Ni薄膜的AMR性能测试

为了确保Ni/mica异质结在柔性电子产品应用中的稳定性，我们对样品的机械耐久性进行了测试。曲率半径为10mm的样品，对应的拉伸应变为ε=t/2r=0.4%，其中，t和r分别是mica衬底厚度和曲率半径。在测试过程中，样品的一侧固定，另一侧可移动，对样品施加应变。

图3-b可以明显看出，样品拉伸弯曲104次后，各向异性磁电阻率没有发生明显下降。Ni/mica异质结具有优异的机械耐久性。对样品施加压缩应变，观察到了类似的结果。Ni/mica异质结的机械耐久性能与VO2/mica、Fe3O4/mica异质结相当。

3 结语

综上所述，Ni(111)外延薄膜可以在柔性mica(001)衬底上生长。面内外延关系是Ni[-110]║mica[100]和Ni[11-2]║mica[010]，Ni和mica之间的晶格失配度约为6.1%，Ni(111)摇摆曲线的最佳FWHM为0.13°。Ni薄膜的各向异性磁电阻率在衬底温度400℃的条件下达到最大。Ni(111)薄膜具有优异的机械耐久性，在曲率半径10mm的弯曲条件下，经过104次弯曲循环后，各向异性磁电阻率没有明显下降。柔性Ni薄膜在弯曲条件下的出色性能使其在可穿戴设备领域极具潜力。