飛納電鏡與拉伸臺在助力可穿戴電子設(shè)備研究中的應(yīng)用

人工磁受體是人類與周圍環(huán)境互動的一種有待探索的全新技術(shù)。該技術(shù)通過將磁場傳感器嵌入柔軟有彈性的薄膜來構(gòu)建磁敏電子皮膚。然而磁敏電子皮膚往往僅限于面內(nèi)傳感，無法作為交互式可穿戴電子產(chǎn)品的開關(guān)或邏輯元件。本文發(fā)展了一種基于柔性自旋閥的新型磁響應(yīng)平臺，其具有面外磁場傳感特性，可應(yīng)用于非接觸式交互電子設(shè)備。該技術(shù)基于全金屬 Co / Pd 基自旋閥，其中合成反鐵磁體具有垂直磁各向異性。該柔性磁傳感器可作為瞬時和永久（閉鎖）開關(guān)的邏輯元件。即使彎曲半徑小于 3.5 mm，開關(guān)也能保持其性能，并能承受數(shù)百次循環(huán)的重復(fù)彎曲。將柔性開關(guān)集成在皮膚互動電子產(chǎn)品中，可應(yīng)用于非接觸式人機(jī)界面，具有使用方便，節(jié)能以及對外部磁干擾不敏感的特性。該技術(shù)為電子皮膚提供了新功能，并為成熟的皮膚上非觸摸交互式電子產(chǎn)品發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

這一研究成果 《Flexible Magnetoreceptor with Tunable Intrinsic Logic for On-Skin Touchless Human-Machine Interfaces》，發(fā)表在頂級期刊 《Advanced Functional Materials》上。
 

（原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202101089）

在這一研究成果中，作者演示了第一個在平面外磁場下工作的柔性磁阻自旋閥開關(guān)。通過調(diào)整復(fù)雜層堆棧中的磁交換耦合，實(shí)現(xiàn)了自旋閥 Spin valve（SV）作為鎖存（或永久）開關(guān)和瞬時開關(guān)工作。在這種情況下，磁阻功能元件可以使用單個材料科學(xué)平臺執(zhí)行基本邏輯操作（永久或臨時開關(guān)）。

平面外磁場下工作的柔性磁阻自旋閥開關(guān)

如圖 1 所示，在 125μm 厚的 PEN 膜上制備的自旋閥器件能夠承受 3.5 mm 的彎曲以及超過 600 個循環(huán)的重復(fù)彎曲測試，而不會犧牲其磁阻性能。這項(xiàng)研究成果展示了該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)皮膚上交互式磁電設(shè)備方面的優(yōu)勢，該設(shè)備無接觸、節(jié)能（瞬時開關(guān)）且對外部磁干擾（閉鎖開關(guān)）不敏感。

在這項(xiàng)研究工作中，作者使用飛納電鏡的拉伸臺，對制備的柔性材料自旋閥轉(zhuǎn)換器進(jìn)行動態(tài)壓縮彎曲，并使用飛納大倉室掃描電鏡 Phenom XL 對材料自旋閥的形貌進(jìn)行表征。
 

  

利用拉伸臺的壓縮功能，擠壓使材料彎曲，觀察了不同曲率半徑下形貌的變化（如圖 2c-d），為了評估其機(jī)械性能，通過將膜的兩端從其初始平坦?fàn)顟B(tài)移動到更靠近，直到達(dá)到 3.5mm 的最大彎曲半徑，來彎曲柔性自旋閥開關(guān)。
 

柔性自旋閥在彎曲時的機(jī)械和磁阻性能測試
 

圖 2a 顯示了彎曲狀態(tài)下樣品的側(cè)視圖，照片根據(jù)樣品曲率半徑的變化進(jìn)行顏色編碼。如圖 2b 為不同曲率半徑的金屬堆疊中的相應(yīng)應(yīng)變。從圖 2c 中可以看出，彎曲至 4mm 曲率半徑的樣品的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示沒有出現(xiàn)裂紋或分層。金屬疊層保持牢固地附著在聚合物膜上。在 4mm 的彎曲半徑下，金屬層堆疊經(jīng)歷約 1.5% 的拉伸應(yīng)變。 從圖 2d 中可以看出，當(dāng)樣品進(jìn)一步彎曲至 3.5 mm 半徑時，金屬層破裂。
 

金屬薄膜在彎曲到 3.5 mm 曲率半徑時發(fā)生開裂

結(jié)合圖 3 相關(guān)數(shù)據(jù)，可以看出當(dāng)接近 3.5 mm 彎曲半徑時，樣品電阻的增加是由金屬膜中周期性斷裂模式的出現(xiàn)引起的。然而，在樣品被壓平后，裂紋閉合，這導(dǎo)致樣品電阻的部分恢復(fù)。

這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展了磁受體電子皮膚的功能，超越了基本的接近感和定向感測。通過調(diào)整自旋閥的傳感層和參考層之間的交換偏置強(qiáng)度，使能夠嵌入瞬時和鎖存操作模式，從而降低了外部邏輯電路的復(fù)雜性。平面外磁場的明確解釋提供了直觀的開關(guān)邏輯狀態(tài)，并簡化了設(shè)備的使用。這種新型柔性磁感受功能元件顯示出在人機(jī)界面或虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的巨大潛力。