柔性磁傳感器兼具柔性電子的可變形性與磁傳感器的非接觸、矢量探測優勢，在人形機器人、醫療健康、虛擬現實等領域應用前景廣闊，備受關注。然而，其制備與使用中產生的各類應變，往往影響器件的工作穩定性。
針對該問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團隊通過襯底彎曲、機械拉伸、各向異性熱膨脹等方法，實現了對柔性磁性薄膜中均勻應變的定量控制，系統揭示了應變對柔性鐵磁薄膜和交換偏置異質結磁各向異性的調控規律，并發展了多場耦合生長和界面調制等方法，顯著提升了柔性薄膜磁性能的應變穩定性。
近期，團隊將研究進一步拓展至復雜應變對柔性磁性薄膜的調控規律和機制。在實際應用中，柔性電子器件常承受非均勻應變，厘清應變梯度對磁性能的影響，對提升器件穩定性具有重要意義。
研究中，團隊選擇具有磁斯格明子結構的Pt/Co/Ta多層膜作為研究對象，采用預拉伸彈性聚二甲基硅氧烷（PDMS）襯底并結合磁控濺射技術，利用薄膜與襯底間的模量差異，在預應變釋放后的Pt/Co/Ta薄膜中成功構筑了微褶皺結構，從而引入非均勻應變分布：褶皺結構的波峰位置受到拉伸應變，而波谷位置受到壓縮應變，由此產生面內應變梯度。磁力顯微鏡觀測顯示，不同磁場下斯格明子的密度與尺寸呈現顯著空間非均勻性，并在褶皺波峰兩側出現不對稱分布：在負應變梯度區域，斯格明子更易穩定存在，密度更高、尺寸更大；而在正應變梯度區域則相反。利用面內應變梯度，斯格明子密度可在1-13 μm?2范圍內連續調節，尺寸調控范圍達85-133 nm，該調控效果甚至優于均勻應變的作用。
圖1 褶皺Pt/Co/Ta多層膜的制備，形貌、磁性表征與應變分布
圖2 磁斯格明子密度、尺寸的不對稱分布與可逆性調控
微磁學模擬表明，該效應源于應變梯度打破局域反演對稱性，從而有效調制界面Dzyaloshinskii–Moriya相互作用。這種調控方式具有良好的可逆性和循環穩定性，在多次拉伸－釋放循環后仍能保持穩定，且可拓展至其他鐵磁多層膜體系。本研究工作為認識復雜應變對磁敏材料的調控規律和機制提供了重要基礎，同時為設計應變穩定性好的柔性磁傳感器提供了新思路。
圖3 磁斯格明子密度、尺寸的應變梯度調控策略與傳統均勻應變調控方法對比
相關研究成果以“Effective Manipulation of Skyrmions via Strain Gradient”為題，發表在國際權威期刊《先進材料》（Advanced Materials）上。該工作的第一作者鄒若安為寧波材料所直博生，共同第一作者邱勝為南京大學博士生，通訊作者為中國科學院寧波材料所楊華禮研究員、謝亞麗研究員與寧波東方理工大學李潤偉教授，合作者包括安徽大學湯進教授、田明亮教授、合肥物質研究院強磁場科學中心杜海峰研究員、蘭州大學柴國志教授等，研究工作得到了國家自然科學基金、浙江省自然科學基金和寧波市基金的支持。
DOI:?10.1002/adma.202518161
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