形状各向异性诱导的局部非相干磁化：磁阻传感器性能优化的关键机制

本研究针对磁阻传感器中形状各向异性导致的磁化非均匀性问题，通过NiFe单层薄膜Wheatstone桥传感器模型，结合宽场克尔显微镜和磁场模拟，揭示了退磁场在元件边缘3–4 μm处引发的局部磁化滞后现象，证实几何尺寸和偏置磁场可使传感器峰峰值电压波动达41%，为高精度磁传感器设计提供了关键理论依据。

　　

在磁传感器技术飞速发展的今天，各向异性磁阻（AMR）和平面霍尔磁阻（PHMR）传感器因其高线性度和低噪声特性，成为生物芯片、自动驾驶等领域的核心元件。然而，当传感器尺寸缩小至微米级时，形状各向异性导致的磁化非均匀性问题日益凸显——薄膜边缘的退磁场会引发局部磁化滞后，严重制约传感器精度。这一"磁化 incoherence"现象虽被广泛推测，却缺乏直接实验证据和定量分析。

针对这一挑战，来自电子科技大学的研究团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表研究，创新性地采用NiFe单层薄膜（厚度10–40 nm，宽度20–60 μm）构建Wheatstone桥传感器模型。通过同步施加驱动磁场（水平方向扫描）和恒定偏置磁场（垂直方向10–50 Oe），结合宽场磁光克尔效应显微镜（MOKE）的纵向/横向双通道成像技术，首次实现了磁化反转过程的纳米级动态观测。团队还开发了考虑局部磁化分布的新型电阻计算模型（将元件分割为n×m网格单元），突破了传统均匀磁化假设的局限。

3.1 局部非相干磁化的直接观测
在40 nm厚、40 μm宽的传感器中，克尔显微镜捕捉到磁化反转的"边缘滞后效应"：当驱动磁场从宽度方向扫向长度方向时，R1元件中心区域先于边缘3–4 μm处发生磁化旋转，形成"中心-边缘"磁化角差达45°的瞬态多畴结构。值得注意的是，这种效应具有方向依赖性——反向扫描时边缘磁化会呈现相反的滞后相位。通过量化分析发现，20 μm窄元件的非相干区域占比可达全区域的28%，而60 μm宽元件在50 Oe强偏置场下可降至5%以下。

3.2 退磁场的几何效应解析
有限元模拟揭示了关键机制：当磁化沿短轴方向时，40 nm厚薄膜边缘的退磁场强度在3–4 μm区域内骤增14 Oe以上，远超驱动磁场（10 Oe）的调控能力。这种空间非均匀性导致边缘区域形成"磁化势阱"，厚度增加会使势阱范围扩大200%，而宽度减小则使中心区退磁场提升3倍。这完美解释了实验中观察到的"宽度越小→非相干性越强"现象。

3.3 传感器信号的定量预测
创新性的网格化电阻模型（Eq.5-7）显示，多畴状态会使峰峰值电压降低41%。实测数据验证了该预测：20 nm薄膜的计算/实测信号误差<5%，而40 nm薄膜在10 Oe弱场下误差达22%，证实厚膜内部可能存在更复杂的三维磁化分布。研究还发现偏置磁场可有效抑制磁滞，25 Oe场强能使20 μm窄元件的信号线性度提升3倍。

这项研究首次建立了传感器几何参数→退磁场分布→局部磁化→输出信号的完整定量关系，揭示形状各向异性引发的边缘效应是制约微型化传感器性能的关键因素。提出的网格化计算方法为高精度传感器设计提供了新工具，而偏置磁场的调控规律为交换偏置（exchange bias）体系优化指明了方向。该成果不仅解决了磁传感器领域长期存在的"尺寸-性能"矛盾问题，其揭示的磁化非均匀性机制对自旋电子器件设计具有普适指导意义。