剪切水平表面声波诱导多晶Fe72Ga28薄膜在矫顽场下的高磁灵敏度研究

这篇研究通过设计Love波器件（SH-SAW）与磁致伸缩多晶Fe72Ga28层相互作用，揭示了在≈160 MHz高频剪切应变下，矫顽场附近磁畴振荡产生的独特响应。研究发现传感器响应高度依赖磁场与波传播方向的夹角，在平行配置下获得≈5 Hz/nT（0.031 ppm·nT?1）的超高灵敏度，为低功耗、便携式磁传感器开发提供了新思路。

　　

引言

在物联网(IoT)与人工智能(AI)时代，精确传感技术成为健康监测、工业控制等领域的核心需求。基于压电效应的表面声波(SAW)器件因其高频信号处理能力备受关注，其中剪切水平极化波(SH-SAW)因其在液体中的低衰减特性尤为突出。Love波作为SH-SAW的导波模式，通过SiO₂波导层将能量局域化于表面，显著提升传感灵敏度。磁致伸缩材料FeGa合金（如Fe₇₂Ga₂₈）因其高磁致伸缩系数(λ_s)和机械性能，成为与SAW耦合的理想选择。

实验设计

研究采用ST切割石英基底，通过光刻工艺制备周期λ=28 μm的铝叉指换能器(IDT)，并沉积3.1 μm厚SiO₂波导层构建Love波器件（工作频率≈160 MHz）。磁致伸缩层采用溅射法沉积50-200 nm厚多晶Fe₇₂Ga₂₈薄膜，Mo缓冲/覆盖层防止氧化。XRD分析显示薄膜呈(110)织构，晶粒尺寸约7 nm。通过反馈环路电路实时监测谐振频率(f_res)随磁场的变化，结合纵向磁光克尔效应(L-MOKE)表征磁滞回线。

关键发现

1. 角度依赖性响应：当磁场(H_app)与波矢(k_SH-SAW)夹角α=0°时，f_res在矫顽场(H_c)附近出现陡峭峰值（灵敏度4.92 Hz/nT），而α=45°时响应反向。理论模型表明，剪切应变诱导的单轴各向异性(k_σ=3λ_sσ)在α=0°时最大程度调制磁矩取向，导致有效杨氏模量(E_eff)突变。
2. 矫顽场机制：峰值出现于磁化反转起始阶段，此时局域各向异性与外加磁场抗衡，磁矩无序度最高。L-MOKE同步测量证实，f_res极值点对应磁化强度(M)的快速翻转过程（图5）。
3. 厚度效应：100 nm厚FeGa层表现最优，因较薄层(50 nm)的强磁弹耦合(B_eff≈?10 MPa)与较厚层(200 nm)的集体磁化反转特性平衡。

理论突破

准静态磁弹性模型揭示：

• 磁致伸缩应变(e_m)∝θ·cos2α，θ为磁矩偏转角，在H_app≈?H_k（各向异性场）时达到极值。
• 多晶材料的磁矩反转分散性使E_eff变化平滑化，但高频(160 MHz)剪切应变仍能通过ΔE效应显著调制f_res。

应用前景

该技术突破了传统SAW磁传感器需预设面内磁各向异性的限制，通过多晶FeGa的矫顽场附近响应实现高灵敏度，兼具低功耗（mW级）、实时响应和微型化优势，为生物医学检测（如磁性纳米粒子追踪）和环境监测（弱磁场探测）提供了新方案。未来可通过优化FeGa晶粒取向与波导层厚度，进一步提升灵敏度至亚nT级。