（凝聚态物理专业论文）fecunb（v）sib纳米晶合金巨磁阻抗效应及其传感器模型的研究.pdf

摘要 f 随着信息技术的普及，各种信息设备，汽车和工业机器人一类机电设备， 电力电子设备，医疗电子设备和工业测试设备的发展，都对磁传感器提出了 越来越高的要求。近年来在一些新型软磁材料中发现的巨磁阻抗效应具有很 高的灵敏度，在室温下可达到】2 1 2 0 o e 的灵敏度。因此研究巨磁阻抗材 料及其在磁传感器领域中的应用具有重要的科学意义。2 p 。一 本文针对f e 基纳米晶合金中的巨磁阻抗效应及在传感器中的应用，做了 以下工作： l 、详细研究了不同退火温度、电流频率和外加磁场对纳米晶软磁合金 f e 7 1 一n b 二c u l v l8 s i l 35 8 9 和f e 7 35 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 的巨磁阻抗效应的影响。侯验结 果表明：电流频率、外加磁场及退火温度对f 0 7 27 n b 2 c u l v l8 s i l 35 8 9 纳米晶合 金和f e 7 35 c u l n b 3 s h 5 8 9 纳米晶合金的巨磁阻抗效应有明显的影响。在电流频 率为0 5 1 5 m h z 范围内及外磁场为l 4 0 e 范围内，两种材料可获得明显的 磁阻抗效应。退火温度对f e 7 27 n b 2 c u i v l8 s h 5 8 9 纳米晶合金与 f e 7 3 j c “l n b 3 s h 5 8 9 纳米晶合金的巨磁阻抗效应有不同的影响，主要表现在获 得明显巨磁阻抗效应的退火温度范围不同，f e 7 27 n b 2 c u l v lg s h 5 8 9 纳米晶合 金获得明显磁阻抗效应的退火温度范围为5 2 0 5 8 0 ，而f e 7 35 c u l n b 3 s i l 35 8 9 纳米晶合金相应退火温度范围为5 4 0 5 8 0 ，这与v 元素的作用有关。关于 f e 砣j ：c u l v l8 s i l 35 8 9 纳米晶合金巨磁阻抗效应的研究，目前尚未见国内外 文献报道。) 声“一 2 、根据f e 7 27 n b 2 c u l v l8 s i l 35 8 9 纳米晶合金巨磁阻抗效应的研究结果，利 用p r o t e l 9 9 软件设计和模拟了巨磁阻抗效应轮速传感器模型。传感器振荡电路 采用波形和频率稳定度比较好的西勒电路，利用计算机辅助设计西勒电路的 参数。经过p r o t e l 9 9 静态工作点仿真分析、温度扫描分析、瞬态分析，结果表 明所设计的西勒电路可以以设计的频率起振，工作状态满足巨磁阻抗元件对 振荡电路的要求。设计滤波器对振荡电路的输出信号进行滤波，使振荡电路 输出信号转变为直流信号。将此信号通过电压比较器，输出方波信号。在0 2 0 e 范围周期变化的外加磁场通过由巨磁阻抗元件、振荡电路、滤波器电路和 电压比较器电路构成的巨磁阻抗效应轮速传感器模型变为o 6 v 相同周期的 方波，一个方波对应一个轮齿的转动，计算方波的频率就可以得到齿轮的转 速。通过巨磁阻抗效应建立轮速传感器模型，在国内外文献中还未见报道， 具有定的创新性。人夕一 关键词：纳米晶合金；磁性材转巨磁阻抗效吩传感器， a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c l m o l o g yw h i c ha r er e l a t e dt om e c h a n i c a l a n de l e c t r o n i ce q u i p m e n t a p p l y i n gt oe l e c t r i cp o w e r ，m e d i c a l t r e a t m e n t ，c a r ，i n d u s t r i a l r o b o ta n dt e s t i n gf a c i l i 饥t h e r ea r ei n c r e a s i n gd e m a n dt o m a g n e t o s e n s o rw i t hh i g h c a p a b i l i t y r e c e n t l y ， an e ws e n s i t i v e g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c e e f ! f 、e c tw i t ht h e s e n s i t i v i t y o fl2 12 0 o ea tr o o mt e m p e r a t u r ew a sf o u n di ns o m en e ws o f t m a g n e t i c m a t e “a 1 r e s e a r c h i n g m a t e r i a lw i t h g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c ep l a y a i m p o r t a mr 0 1 ei nt h e o r ya 1 1 da p p l i c a t i o no fm a g n e t o e l e c t m n i c s a i m i n ga tg i a l l tm a g n e t o i m p e d a n c ee 腩c ti nf e - b a s en a n o c r y s t a l l i n ea l l o ya n d a p p l i c a t i o ni nm a g n e t o s e n s o r ，t 1 1 ef o l l o s i n g sa r es o m e c r e a t i v ea s p e c t s ： 1 p h e n o m e n o n 血a tt e m p e r a t u r eo fa n n e a i i n g ，f r e q u e n c yo fc u r r e m ，m a 2 n e t i c n e l di m p o s eo ng m i ( g i a i l tm a g n e t o i m p e d a n c e ) o fn a n o c r y s t a l l i n ea 1 1 0 ys a m p l e s f e 7 27 n b 2 c u lv l8 s i l 35 8 9a n df e 7 35 c u l n b 3 s i l 35 8 9h a v eb e e no b s e r v e d t b m p e r a t u r e o fa r u l e a l i ng f r e q u e n c y o f c u r r e n t ，m a g n e t i c 6 e l de f f e c tg m io ft h et w o n a n o c r y s t a l l i n ea l l o yo b v i o u s l y t h eh i g h e rv a l u eo ft 1 1 em a g n e t o i m p e d a n c er a t e sf o r s a m p l e sc a nb eg a i n e db o t ha tf r e q u e n c yo fc u r r e n tb e t w e e no 5 m h za n d1 5 m h z a n da t m a g n e t i cf i e l d b e t w e e n10 em 讨4 0 e s a n 叩】e so ff e 7 27 n b 2 c u i v i 8 s i ”5 8 9 a l m e a l e da tt e m p e r a t u r e sb e t w e e n5 2 0 a n d5 8 0 c a nb er e l a t e dt ot h eh i g l l e r v a l u eo ft h e m a g n e t o i m p e d a n c e r a t e s i no r d e rt o g e th i g h e r v a l u eo ft h e m a g n e t o i m p e d a n c er a t e s ，s 踟p l e so ff e 7 27 n b 2 c u l v l8 s i l 35 8 9m u s tb ea n n e a l e d a t t e m d e r a t u r e sb e t w e e n5 4 0 a n d5 8 0 t h i si sb e c a u s ee l e m e n tvi n n u e n c et 1 1 ev a l u e o ft h em a g n e t o i m p e d a i l c er a t e so n 也e s 锄p l e so ff e 7 27 n b 2 c u i v l 8 s i l 35 8 9 t h e r eh a v e n o tb e e nt h er e p o r t so n g i a i l tm a g n e t 0 一i m p e d a l l c ee 髓c t o f f e 7 2 7 n b 2 c u l v l8 s h 5 8 9 2 b a s e do nt l l er e s u h丘o m g i a n tm a g n e t o - i m p e d a n c ee f f e c t i n f e 7 27 n b 2 c u l v l8 s i l 3 5 8 9n a n o c r y s t a l l i n ea l l o y t l ：l em o d e lo fs e n s o ra b o u tg i 姐t m a g n e t o i m p e 出m c ee 丘 e c t t om e a s u r es p e e do fw h e e lh a v e b e e ns t u d i e d s e i l o r c u r r e n ta d a p ts a m p l e sh a v i n gg i 蛐tm a 弘e t o i m p e d 锄c ee 仃e c tt os u p p l ya cs o u r c e i t sp a r a m e t e r sc a nb ec a l c u l a t e dt h r o u g hc o m p u t e rp r o g r a m t h es e i l o rc u r r n ti s p r o v e dt ob ear i g h to s c i l l a t o rm r o u g ho p e r a t i n gp o i n ta n a l y s i s ，t e m p e r a t u r es w e e p a n dt f a n s i e n ta n a l y s i sb yp r o t e l 9 9 f i l t e ra n dv o l t a 窖ec o m p a r a t o rc a i lt r a n s f o r i nm e s i n ew a v eo u to f s e i l o rc u n mi n t os q u a r ew a v e t h es 迢n a lo f m a g n e t i cf i e l db e t w e e n o o ea n d2 0 ec a i lb et r a n s f o m e di n t ot h es i g n a ls q u a r ew a v ew i t l ls a m ep e r i o d b e t w e e no va 1 1 d6 vt 1 1 r o u g ht l l es e n s o r i n c l u d i n gc o m p o n e mh a v i n gg i a i l t m a g n e t o i m p e d a l l c e ，s e i i o rc u f i l t e ra i l dv o i t a g ec o m p a r a t o r t h j ss q u a r e c a l l t a k ec o u n to ff k q u e n c yo fw h e e ln m n i n g a b o u tt h i sk i n do ft l l em o d e lo f o fs e n s o r a b o u tg i a n tm a g n e t o ，i m p e d a n c ee 舒b c t ，t 掂r eh a v en o tb e e nr e p o r t si nm ew o r l d k e yw o r d s ：n a n o c r y s t a l l i n ea l l o y ，m a g n e t i cm a t e i j a 】，g i a l l tm a g n e t o - m p e d 柚c e e f f 色c t ，s e n s o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究j j 芟果除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗墨兰望瞳 或其他教 育机构的掌( 立或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位奄文作者轴蓬蜡错啪制巧引腑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁逮墨兰堂瞳 有关保留、使用学位论文 的规定：持授权墨盗垄苎望嚷可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供 查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位抡文作者签名：亏鳓 导师签名 学位抡文作者签名：僵掣刍 导师签名 签字日期：加哆年石月日 签字日期：汐；年易月日 第一章绪论 第一章绪论 本章要点： 1 介绍巨磁阻抗效应的起源 2 综述巨磁阻抗效应的国内外研究动态 3 分析目前存在的问题 4 全文的结构和安排 随着信息技术的普及，各种信息设备，汽车和工业机器人一类机电设备， 电力电子设备，医疗电子设备和工业测试设备的发展，都对磁传感器提出了 越来越高的要求。为了检测磁记录介质和旋转编码器环形永磁体表面的定域 微弱磁通量，检测头长度应小于l m m ；为了能够精确的非接触传感信号，磁 通检测的灵敏度应为8 x 1 0 8 x 1 0 4 a m ；检测高密度记录应磁盘存储器表面磁 通的变化，需要信号频率为0 1 0 m h z 的响应速度；作为汽车和 电动机用的微型磁传感器，在5 0 + 1 8 0 温度范围应当由不稳定度小于 o o l f s 1 的高温稳定性和最高工作温度；功耗要低于l o m w ，使这种便携 式微型传感器能够使用纽扣电池工作。 通常使用的磁通传感器和磁通检测元件，例如磁通门传感器、霍尔元件 和磁敏( m r ) 电阻元件，都不能完全满足这些要求。使用高性能细磁芯的磁 通门磁强计，灵敏度可达8 x l o 巧a ，m ，但由于杂散电容，磁芯绕组会使传感器 的响应速度低于数k h z 。虽然霍尔元件和m r 元件都能做成微型器件，但它们 的磁通检测率大约是o 1 o e 。而且霍尔元件的最高工作温度在7 0 ；目前 正在加紧开发的臣磁电阻( g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 元件是利用某些磁 性材料的巨磁电阻效应，这种效应是在施加外加磁场的情况下材料的电阻发 生巨变的现象。其灵敏度可以提高1 个数量级，达到l o e ，不过，它还存 在磁滞、温度不稳定性等问题；使用目前研制的g m r 材料，必须在较高磁场 ( 1 0 k o e ) 中才能观察到明显的效应，因此实际应用中有一定的局限性。 巨磁阻抗( g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c e ，o m i ) 效应比巨磁电阻( g m r ) 效 应大一个数量级。在室温下就可以得到相当大的磁阻抗效应，一般能达到 1 2 1 2 0 ，o e 的灵敏度。很多研究表明，具有显著g m i 效应的非晶或纳米晶 丝( 约1 m m ) ，可以同时满足新型微型磁传感器所需的诸多条件。为制作新型 的磁传感器提出了一种新的方法。 1 1 巨磁阻抗效应 巨磁阻抗效应( g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c e ，g m i ) 的发现并非偶然，它是 长期以来人们对磁性本质探索的结果。近代人工微结构技术的发展为0 m i 效 应的发展提供了条件。我们知道磁场可以使许多金属的电阻发生改变，只不 第一章绪论 过变化率很小，一般不超过2 3 ，这种由磁场引起的电阻变化称为磁电阻 现象( m a g n e t o - r e s i s t a n c e ，缩写为m r ) 。早在1 8 6 5 年，英国的著名物理学家 w t o m s o l l 就发现了这种现象。到1 9 8 8 年b a i b i c h 等人报导了在f e ，c r 交替沉 积而形成的多层膜( f e c r ) n ( n 为周期数) ，发现了超过5 0 的磁电阻变化 率，灵敏度达到1 0 e ，这种现象称为巨磁电阻效应( g i a n t m a g n e t o _ 1 c s i s t a n c e ，g m r ) 。1 9 9 2 年，日本名古屋大学毛利佳年雄教授等人首 先报道了在非晶磁性材料中发现其交流磁阻抗随外加磁场而变化的现象，这 种现象非常灵敏。非晶丝的灵敏度达1 2 1 2 0 o e ，比巨磁电阻( g m r ) 效 应大一个数量级。因此将此现象称为巨磁阻抗效应1 2 】。在室温下显著的磁阻抗 效应和低外磁场下的高灵敏度，使这种效应在传感器技术和磁记录技术中具 有巨大的应用潜能，引起了人们广泛的重视。随后，世界各国的许多实验室 相继开展了g m i 效应的研究工作，在短短几年的时间里取得了引人注目的理 论及实验成果，并使研究成果迅速进入应用领域。 最早解释巨磁阻抗效应也是日本名古屋大学毛利佳年雄教授等人，毛利等 人的研究成果表明【2j ，巨磁阻抗效应和传统的磁阻效应没有关系，而是与横向 磁导率和趋肤效应有关。我们知道在直流电路中，均匀金属导体横截面上的 电流密度分布是均匀的。但在交流电路中，随着频率的增加，在金属导体截 面上的电流分布越来越向导体表面集中。这种现象叫做趋肤效应。交流电流 i = i 。e x p ( j 叭) 通过导体会产生横向磁场，引起相应的磁化。在低频下，当趋肤 效应弱时，横向磁化强度的变化使导体产生附加的围绕导体的感生电压v l ， 总电压v = r i + v l ( r 为导体的电阻) ，由于导体的横向磁结构，这个感生电压 很大( 富钴非晶丝在l l o k h z ：v l v = 1 7 ) ，并且对外加磁场h 。很敏感。 随着频率的升高，趋肤效应变强，电流分布在导体表面附近，使总电压v ( 包 括电阻和电感分量) 发生变化。这种电流分布不仅与导体的形状和频率有关， 还和外磁场产生的横向磁导率肛有关。若横向磁导率肛在高频段是外磁场h 。 的敏感函数，则这种关系本身在整个穿透深度那就呈现出阻抗特性，导致灵 敏的电压响应：v ，h 。) = z i = 【r 佃， ，h 。) ) + j x ，“( 0 ) ，h 。) ) i 可以看 作是外磁场引起阻抗变化。在低频段，阻抗的变化与z 中的第一项有关，这 一项由内部自感产生，与横向磁导率成正比。在高频段，趋肤效应加强，整 个阻抗在整个穿透深度( 包括两个分量r 和x ) 都是外磁场的敏感函数。 在适当成分下，f e c o s i b 非晶软磁丝具有良好的软磁特性。磁致伸缩系数 趋近于零( 1 0 7 ) ，因为负的磁致伸缩导致切向各向异性，从而使磁畴结构沿 着丝呈环形畴排列，如图1 所示。在低频电流时，通过丝的电流产生了一个 易轴场，该场使畴壁移动产生环形磁化。外加纵向场h 。相对于环形磁化来讲 是一个难轴场。会阻止环形磁通的变化。结果当h 。= 0 时，切向磁导率较大 ( 1 0 4 ) ，当h 。增加，切向磁导率随外磁场急剧减小，圆周磁导率随外场灵 敏度变化是巨磁阻抗效应产生的主要原因。在高频电流时，阻抗的变化主要 受趋肤效应影响。 第一章绪论 一h e x 图l 一1非晶丝的磁畴模型 1 2 巨磁阻抗材料的分类及特点 随着对巨磁阻抗效应的深入研究，人们不光在非晶磁性材料中发现g m i 效应的，而且在其他一些磁性材料中也发现了巨磁阻抗效应。下面我们对此 作一个分类并简要介绍其特性： 1 2 1 非晶磁性材料 人们首先是在非晶磁性材料中发现g m i 效应的。总结起来讲，已开展的 工作为研究具有不同组分、不同形状的非晶材料的g m i 效应，试图从各个不 同的角度说明g m i 效应的起因、应用条件；在这之中，很多研究人员都非常 关注磁场退火或应力退火感生的各向异性对g m i 效应的影响，发现感生各向 异性对阻抗与外场的关系曲线形状有极大的影响，从而极大地影响了g m i 效 应的灵敏度和应用范围。目前。尚没有获得大而灵敏的样品的理想形状的说 法，非晶丝、带之间最基本的差别就在于它们的切向各向异性【3j 。至于在实际 应用时，是选择丝还是带，这完全取决于具体应用环境。下面就简述非晶磁 性材料在最近的研究结果。 一、非晶丝 尽管在很多磁场传感器【4 ，5 】中已开始应用非晶丝中的g m i 效应来制作，但 是磁阻抗的许多特点还不是很明了。特别是感生和内禀各向异性的问题，目 前还没有给出合理的解释。例如，研究发现利用电流退火的非晶丝对外磁场 其灵敏度有很大的提高【6 ， ，而扭转的非晶丝却显示出令人感兴趣的双稳态特 性8 1 。再如表面晶化的非晶丝【9 】或软磁纤维【l o 】由于感生了特殊的各向异性，它 们显示出不周的g m i 响应特点。为了系统研究磁各向异性对g m i 效应的影响， k n o b e l 等人【l l 】仔细地研究了张力( 沿丝轴方向) 对具有正和负磁致伸缩系数的 非晶丝的g m i 效应的影响，发现外加应力显著地改变了阻抗的场频特性，并 指出这些变化可以在考虑一定张力下圆磁化过程来解释。图1 2 u 1 示出了磁 致伸缩系数入s = 4 x1 0 一8 的c 0 6 8l f e 44 s i l 25 8 15 非晶丝的阻抗与外加张力的关 系。从图中可以看出阻抗的实部和虚部都明显地受张力的影响，其最大值出 第一章绪论 现在当外加场与各向异性场相等的附近，这个事实已用作估计非晶磁性材料 的磁致伸组常数的个新方法【1 2 1 。 图l 一2 c 0 6 8i f 。44 s m5 b l5 非晶丝的阻抗分量在不同外加张力的场特性 二、非晶带 自从g m i 效应发现以来，非晶薄带中的g m i 效应也得到了广泛的研究， 研究的重点除感生各向异性对g m i 效应的影响外，还注意到了其切向g m i 效应【l 土”j 。研究发现切向g m i 效应与纵向g m i 效应有相同的数量级，但对切 向g m i 效应要考虑其退磁场才能解释观察到的结果。研究发现，在非晶薄带 中出现g m i 效应的最佳条件是：软磁性能好( 九s = o ) 【1 5 】，并进行适当的热处理 以感生合适的各向异性。另外，样品的长度对g m i 效应也有很大的影响【1 6 】。 三、非晶薄膜 随着微磁器件的发展越来越多的器件需要薄膜化。为此，r l s o m m e r 和c lc h i e n 【“j 研究了薄膜中的g m i 效应，薄膜的组分是f e 7 35 s h 5 8 9 c u l n b 3 ， 由磁控溅射法制得。经过适当的退火后，不但发现具有纵向g m i 效应( 以外 磁场为参考方向，平行为纵向，垂直为切向) ，而且还发现其有切向g m i 效应 的新现象。而没有经过退火处理的薄膜中，没发现g m i 效应，这也说明g m i 效应与材料的结构的相关性。同时也研究了频率特性，发现低频( 1 m h z ) 4 z z = o 。大于5 0 m h z 时，获得较大的卅z z ( 2 0 3 5 ) ，而在非晶带中，由 于其厚度较大( 大于3 0um ) ，在低频也能获得较大的磁阻抗效应。这说明只 有在趋肤深度6 。远大于薄膜厚度时，g m i 效应才显著，非晶丝中较大的磁导 率也是其比薄膜的g m i 效应大的原因。在他们的研究中还得出一点重要的结 论。磁致伸缩对g m i 效应影响不大。这与原来的看法不一致。 t u c h i y a m a 等研究了射频溅射的零磁致伸缩的非晶( c o f e ) 8 8 8 2 0 薄膜中 的g m i 效应【l8 1 。他们考察了退火条件与g m i 特性的关系，发现当把高频正 弦电流加于在旋转磁场下退火的样品上时，其阻抗随着外加场h 。的增加而单 调减少。由于样品中存在切向各向异性。在h 。 0 3 ) 都不能使磁性能改善。h a s e g a w a 等人的研究【驯亦表明， f 。7 5 n i 4 m 0 3 8 1 6 s i 2 非晶合金析出少量的a f e 晶粒( 晶粒尺寸为1 0 0 3 0 0 i l i i l ，体 积分数 m o = w v c r 7 5 j 。同时这些元素对降低k 、扩大纳米晶化退火温区、 改善脆性和工艺性能亦有益处，c r 还可增加耐蚀性。 2 4f e c u n b s i b 纳米晶软磁合金的相结构 大量的实验结果f 1 2 “3 8 3 9 1 已表明，f e c u n b s i b 纳米晶软磁合金主要是 由f e ( s i ) 相和剩余非晶相所组成。其中o c f e ( s i ) 晶粒尺寸约1 0 2 0 n m ，均匀 分布在非晶合金的基体上。h e r z e r 【6 9 ”j 对f e 7 3 j c u l n b 3 s h 5 8 9 纳米晶合金的相 结构进行了分析，发现合金中存在两个不同的铁磁相一晶体相和界面相：晶 体相是含s i 约2 0 a t 的f e ( s i ) 固溶体，其体积约占7 0 8 0 、居里温度约6 0 0 、饱和磁化强度约1 3 t ：界面相体积约占2 0 3 0 ，其居里温度约3 2 0 ， 饱和磁化强度约1 1 6 t ，并且仍为无规的近似非晶的结构，其厚度约为l n m ， 即4 5 原子层。高分辨电镜观察的结果f 1 2 1 1 弧1 3 9 】进一步揭示了该合金在最佳 磁性状态是( 5 5 0 l h 退火) 的组织特征，它是由直径约1 0 n m 的o c f e ( s i ) 球形 晶粒和剩余的非晶基体组成。这些晶粒几乎被l 3 m 的非晶相所包围。更仔 细的研究发现【1 2 ”，在剩余非晶相基体中除a - f e ( s i ) 晶粒以外，还存在直径约 5 n m 的c u - f e 超细粒子或原子团。 由于f e c u n b s i b 纳米晶合金中晶相及晶间非晶相的尺寸很小，目前尚不 能用分析电镜( a e m ) 获得各相的化学组成。对于晶相的化学成分，多数工作是 通过x 射线精确测定点阵常数( 假定它是单一的a - f e ( s i ) 固溶体) 而确定其中的 s i 含量。但此法对剩余非晶相的化学组成则无能为力。h o n o 【l “j 等用原子探针 场离子显微镜( a p f i m ) 专门研究了f e 7 35 c u l n b 3 s h 5 8 9 纳米晶合金在最佳磁性 状态时f 5 5 0 1 h 退火) 各相的化学成分，结果如下：在a f e 晶相中含s i 约 第二章f e c u n b f v ) s i b 纳米晶材料的研究 2 0 a t 及少量b ( 约2 a t ) ，不含n b 和c u ，在剩余非晶相中含n b 和b 约各占 1 0 一1 5 a t ，含s i 约5 a t ，含f e 约6 5 7 0 a t ，其中不含c u ，而c u 富集在一 些直径约5 n m 的微粒中，微粒内含c u 约6 0a t ，f e 6 0 ) 时，其居里 温度明显高于相同成分的非晶合金，并对此进行了解释。认为居里温度的提 高是由于甜f e 的交换场穿入非晶基体而引起其平均有效分子场的增加所致。 最近的研究【1 4 4 l 指出，当纳米晶合金的界面相占有很大的体积分数时出现的一 些磁现象( 如纳米晶化的最初阶段出现的磁硬化现象) 陋1 4 4 1 是无法用h e r z e r 的 理论7 3 9 0 】进行解释的。这是由于h e r z e r 的理论主要是采用了a 1 b e n 【1 4 0 1 的 非晶无规各向异性模型，因此它是一个单相理论。对于双相的纳米晶软磁会 金，h e m a n d o l l 4 s 】最近提出了“双相纳米晶无规各向异性唯象理论”，该理论考 虑到相邻晶粒磁矩间的交换耦合是通过非晶基体实现的，因此引入了一个唯 象参数y ，表示非晶界面层传递相邻晶粒交换作用的能力，它与非晶基体交换 相关长度l 。有关，可表示 y = 矿 化 ( 2 一1 ) 是两个相邻晶粒表面的平均距离。八与晶粒尺寸d 及晶化相的体积分数 v 。有关，可近似表示成 a = 。谚) ；一。 ( 2 _ 2 ) 对于淬态的非晶l 。约为3 0 n m 数量级，当淬态合金应力充分消除后的晶 化初期l 。增加到o 1 “m 以上。纳米晶试样的宏观各向异性一般由两部分组 成，结构各向异性k + 及磁弹性各向异性k 。，这里仅考虑与结构各向异性相关 第二章f e - c u - n b ( 、r ) s i b 纳米晶材料的研究 的因素。 对于双相的纳米晶合金，交换相关长度l 。为： f 一战，y 2 “一 屹 ( 2 3 ) 岛为单相系统的交换相关长度，对于完全晶化的试样，v c ：1 ，代入f 1 9 ) 得八= 0 ，在将八。o 代入( 1 8 ) 式导出y = 1 ，因此唯象理论包含了h e r z e r 的理论， 将它作为v c = 1 的极限。在单相理论中，只有一个参数d 与磁性能相关，而在 双相唯象理论中有两个参数v 。和d 与磁性相关。 有效各向异性 由各个小晶粒的磁晶各项异性k ，的平均涨落决定。 z 足i = 足l ( d 三。) ”2( 2 4 ) 将( 2 3 ) 式和( 2 4 ) 式并考虑到 ，= 屹( 。口) ”，则当n 1 或。 d _ 。 时，双相系统有效各向异性 + 可表示成 ：丝三生三 尹 ( 2 5 ) 由( 2 1 ) ，( 2 2 ) ，( 2 3 ) 、( 2 4 ) 和( 2 5 ) 式可以看出，y ，l 。及 + 与 v 。有关，这是唯蓉理论的主要特点。若假定l 。不变，由双相的唯象理论还 可以得出这样的结论：当v 。一定时，随着晶粒的细化，晶粒间的交换作用增 强，有效各向异性变小。 2 6 本章小结 从大量的研究可以看出，关于纳米晶软磁合金的巨磁阻抗效应，围绕 f e c u - n b - s i - b 纳米晶合盒开展的研究工作较多。但是f e - c u n b - s i b 合金对 制带工艺要求控制工艺要求严格，如果控制不好，在淬态也很脆，因而影响 到后续的生产工艺性能。f e c u m o s i b 与f e - c u - n b s i b 相比，明显改善了 合金的淬态脆性，但f e c u m o s i b 纳米晶合金的磁导率较低。从已有的文献 【9 7 】来看，用v 替代易于改善合金的淬态脆性，但f e c u v - s i b 纳米晶合金的 软磁性能较差，如果在f e c u n b s i b 高导磁纳米晶合金就基础上，添加少量 的v 或其它元素替代n b 以改善合金的淬态脆性，则不论对于材料性能的研究 以及材料的实际应用都有十分重要的意义。本文在此基础上，用v 部分替代 n b 形成f e c u - n b ( v ) s i b 纳米晶舍金，并研究f e c u n b ( v ) s i b 纳米晶软磁 合金材料中的巨磁阻抗效应。 1 7 第三章f e - c u n b ( v ) s i b 纳米晶台金巨磁阻抗效应的研究 第三章 f e c u n b ( v ) s i 二b 纳米晶合金巨磁阻抗效应的研究 本章要点： 1 介绍样品的制备系统及测试系统的原理和使用方法 2 研究退火温度对巨磁阻抗效应影响 3 结合实验和理论分析磁场及电流频率等参数对巨磁阻抗效应的影响 本章用熔体急冷法制备了f 0 7 27 c u l n b 2 v l8 s h 5 8 9 和f e 7 35 c u l n b 3 s i l 35 8 9 非 晶软磁合金薄带样品，对样品进行真空退火，退火后得到纳米晶合金。选用 这两种材料是根据第一章和第二章的分析，并考虑到f e 7 27 c u l n b 2 v l8 s i l 35 8 9 有较好的工艺性能。就我们掌握的文献来看，国内还没有关于 f e 7 27 c u l n b 2 v l8 s h 5 8 9 纳米晶合金的巨磁阻抗效应的报导。通过不断改变样 品的退火工艺条件、外磁场、电流频率，分析了样品中出现g m i 效应的原因， 最终得到了性能良好的适用于制作g m i 传感器的材料。 3 1 样品的制备和测试 3 1 1 制备系统 样品的制备基本上分为两步： l 、 非晶合金的制备：按标称成分配料，在真空感应炉中熔炼成母合金 锭，在大气中采用单辊急冷设备喷射出宽度为1 0 m m 、厚度约3 0 “m 的f e 7 27 c u l n b 2 v 18 s i l 35 8 9 和f e 7 35 c u l n b 3 s i l 35 8 9 非晶合金薄带，制 备过程如图3 1 所示： 2 、 纳米晶合金样品的制备：按样品性能的测试要求，分别将非晶条带 剪成3 5 m m 长的待测样品，将样品放到炉管内，密封后抽真空； 待炉膛真空度达1 x 1 0 - 2 p a 开始升温，温度升至规定的退火温度时 保温3 0 i i l i n ，然后随炉冷却至室温取出。 图3 1 熔体急冷法喷制非晶薄带示意图 第三章f e - c u _ n b ( v ) - s i - b 纳米晶合金巨磁阻抗效应的研究 3 1 2 测试系统 样品的阻抗测试采用安捷伦公司生产的具有高测量精度的h p 4 1 9 4 a 阻抗 分析仪，如图3 2 所示。此阻抗分析仪具有下列测量功能： 频率扫描能力可以拟定在何处及如何获取测试数据 内置等效电路分析能对被测的多元件电路模型进行计算。 彩色液晶显示屏可以同时显示多组测量曲线。 先进的校准和补偿方法降低了测量误差。 在4 0 h z l l o m h z 宽频率范围内的高精度4 端对阻抗测量。利用基本 精度为o 0 8 的扫描测量可以精确估算元件特性的极小变化。 可以对电容器、电感器、谐振器、半导体之类的元件以及对印刷电路 板和环形铁芯之类的材料进行测量。 用4 2 9 4 1 a 阻抗探头进行在线或接地测量。 内置l a n 接口。 测量参数：可以测量阻抗、电阻、相位。电感、电容等电学参数。 图3 2h p 4 1 9 4 a 阻抗分析仪及4 2 9 4 1 a 阻抗探头 阻抗测量采用四探针法，直流磁场由直径为3 0 c m 的赫姆霍兹线圈提供， 最大磁场为7 0 0 e 。磁场方向平行于样品中的电流方向，所有数据全在室温测 量，测量原理如图3 3 所示。 = 二二= 二二二二二二7 绝缘板 电流计 电压计 。交流恒迹源 外磁场h 。 图3 3四探针法测量阻抗原理示意图 1 9 第三章f e - c u - n b ( 、r ) s i b 纳米晶合金巨磁阻抗效应的研究 四探针测量系统中，外两枚探针与恒流源、可调电阻和电流计串联，内两 枚探针与电压计串联。待测样品放淤绝缘板上，并置于外磁场中。当恒流源 给电路提供一恒定交流电流i 时，由于外磁场处于变化之中，而待测样品如存 在巨磁阻抗效应，必然电压计读出的数据会随外场呈一特定的变化规律，这 就正好反映出阻抗的变化规律，实际上就是我们所要观察的g m i 效应。 在这过程中，由于恒流源i 不变，因此可以认为样品中的传导电流没变， 只是由于阻抗的变化导致了电压计读数的变化，因此我们可以用下式来描述 四探针测量系统的原理： 础) = 羊 ( 3 _ 1 ) 式中，z ( h ) 为阻抗，其值为外加磁场的函数，v 为端子电压，i 为恒流源。 利用( 3 1 ) 式，我们很容易得出g m i 效应的阻抗变化率： k o m - = 等= 警= 半= 半 c s l ， zz ( h )k ， 式中：z ( h 1 ) 为加外磁场h i 时的阻抗值 z ( h 2 ) 为加外磁场h 2 时的阻抗值 v 1 为加外磁场h i 时的电压计的读数 v 2 为加外磁场h 2 时的电压计的读数 在本文研究中。为方便讨论，定义阻抗变化率的值如式( 3 3 ) ： 伽c 耻等c 耻唑疑怒掣c ，吲 采用这公式计算样品的阻抗变化率作为衡量样品g m i 效应的指标。 3 2 实验结果与分析 以纳米晶软磁合金薄带f e 7 2 7 c u l n b 2 v l8 8 i 1 35 8 9 和f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 35 8 9 样品 为实验对象对其中的臣磁阻抗效应进行分析，从而对影响巨磁阻抗效应的因 素进行综合考察分析，同时为进一步建立g m i 传感器模型提供理论指导。 3 2 1 f e 7 2 7 c u l n b 2 v 1 8 s i l 3 s b 9 样品g m i 效应的研究 巨磁阻抗效应的研究包括许多因素，其中最重要的是材料的退火条件、频 响特性和磁场特性对巨磁阻抗效应的影响。 一、g m i 效应与交流电流频率的关系 如图3 4 给出样品的巨磁阻抗效应值随电流频率的变化关系，根据( 3 第三章f e c u n b ( 、，) s i b 纳米晶合金巨碰阻抗效应的研究 3 ) 式，图中的纵坐标用1 z ( o ) 一z ( 7 0 0 e ) l z ( 7 0 0 e ) 即g m i ( 0 0 e ) 表示。 紧 x o o 巴 趟 宙 o o e n g 啦 f ( m h z ) 图3 4 f e 7 2 7 c u i n b 2 v 18 s i l 3 毋9 合金阻抗变化率与电流频率的关系 由图3 4 可知，f e ，2 7 c u l n b 2 v l8 s h 5 8 9 样品在不同退火条件下的g m i ( o o e ) 随施加的交流电流频率增加而单调上升，在频率约l m h z 处有一个最大值， 然后随电流频率增加而单调下降，在电流频率约为1 0 k h z 处，g m i ( o o e ) 接近 于零。具有明显磁阻抗效应的电流频率范围为o 5 1 5 m h z 。g m i 效应随电 流频率的关系可以用经典电磁理论中的趋肤效应来解释。在直流电路中，均 匀金属导体横截面上的电流密度分布是均匀的。但在交流电流中，随着频率 的增加，在金属导体截面上的电流分布越来越向导体表面集中。这种现象叫 做趋肤效应。趋肤效应使导体的有效截面积减小了，从而使导体的有效电阻 或阻抗增加。在趋肤效应中，一个很重要的物理参数是趋肤深度6 ，它表征 电流密度i 已经减小到初始电流密度i 。的l e * 3 7 时的深度。趋肤深度越 小，阻抗越大。根据经典电磁理论，我们知道趋肤深度6 可以表示为： 。阿 扣j 赢i ( 3 4 ) 此处p 是材料的电阻率，是交流电流频率，是材料的有效磁导率， 是真空磁导率。可以看到趋肤深度主要和三个因素有关，即材料的电阻率、 磁导率和交流电流的频率。在图3 4 中趋肤深度主要受电流频率的影响，在 船舱m丝侣傅h他们8 6 4 2 0 之 第三章f e c u - n b ( 、，) s i b 纳米晶台金巨磁阻抗效应的研究 低频时，趋肤深度较大，因而相应的阻抗较小，随着电流频率的增加，趋肤 深度减小，阻抗增大。由公式( 3 3 ) g m i ( o o e ) 阻抗变化率主要受分母z ( 7 0 0 e ) 影响，所以在电流频率较高时，g m i ( 0 0 e ) 的分母z ( 7 0 0 e ) 较大，其阻抗变化 率较小，而在频率较低时，z ( 7 0 0 e ) 较小，阻抗变化率较大。又因为在很低频 率( o 1 0 k h z ) 阻抗效应不显著，所以如图3 1 中f 。1 m h z 处，阻抗变化 率出现了一个峰值。 二、 g m i 效应与退火温度的关系 由上小节图3 4 可以看出，不同热处理条件下的f e 7 27 c u i n b 2 v l8 s h 5 8 9 薄带样品的阻抗变化率g m i ( 0 0 e ) 值有明显的不同。在5 2 0 、5 5 0 和5 8 0 退火的样品，其阻抗变化率较大，而淬态和在6 1 0 退火的样品，其阻抗变化 率较