（凝聚态物理专业论文）ni80fe20复合结构多层膜的巨磁阻抗效应研究.pdf

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妇p e d a n c e ( g m i ) e 溉c td e 试c e s 姐d 龇i l n p 矾a n c eo f 也ec o m l ) 0 s i t em u l m a y e r s 址龇g m i e 垂董；e c t ，w eh a v ed e s i g n e da n dd 嘲s i 斌搬om u l 畦l 粒潜f s 黯嘲l e sd 唧蛾鹾n g 傩t b m a t e | j a lc h a c t e r i s t i co f n i 8 0 f e 2 0 t h eg e o m e 砸c a ls 仃u c t u r e so f m e ma r e 鹤f o l l o w s ： 懋i s f e 2 s 酶龋珏莲s i 0 n i 瓣f 龆o x a i l d 州i 8 0 f e 2 0 ，c u ) n s i 0 2 c l l s i 0 2 ，( c u n i 8 0 f c 2 0 ) n 转y 氆ex m 忿y 蠡氆徽t i o n 辨e c 穗瑚埔a 蕊耄h eh y g f e 揩s i s 跏蠲，w es 瓴堪i e d 也ee h a n g e o ft l l e 暇m p l e s c r y s t a l l i z a t i o ns n u o t u r e ，m a g n e t i s mc h a 雠l e r i s t i ca n dg m le 矗- e c t ， w 括e hw e 糟i n 血墒e db yt h eg e o m e t r i c a l 翎c n 王r e 下h em a i nr e s u l t sa r ee x p l 撕n c d f l l r 1 i nn 地瀚m p l e so f t h e ( n i b o f e 2 s i 0 2 ) t i ，c 帆s i 0 2 ，n i 8 0 f e 2 0 ) nc 咖p o s i t e 哪l t i i a y e r s ， w 量犍n 吐埭啦睇妞譬o f ( s i 貔，n i 甄赣 l w 勰毯e 委l 董拉p e 删i e 迸鼗fc o 鞠嬲嘲 t h em a g n e l i z a t i o nd i 嘶i l i s h c d 、v i t l id e c m 粘i n gt l l i c 妣e s so fm en i 舳f e 2 0m o n o l a y e r a 稿舔a 鞠琏t 量瓣g m le 羝娥o f 镪e 鞠静l e se 穗建n c e d 稍凌轴嚣f 髓s i n gn 嘲b e ro f h 岬腮no f b i l a y e r ss i 0 2 删f e a tn 鬻3 ，也e 媸娃h 删ml m ir a t i oi sl o 8 1 ，w h i i e 也e m a x i m u m 下m i 赫l i o si s1 7 0 8 a n dw h 粕ni n c 黼鼬e st o4 锄d5 证e 抽t e r 垂；犯i a l e 脯c tt t i f n e dt 0b ed o m i n 黼t ，a n d 懒em ir a l i o sd e c a s es l i 曲n yc o 煳删锨t ht h e r a t i o sa t n 叼 2 w h 强壤e c u l 粥婚姻w e 羚u 靼d 鑫ss e p 8 豫拯l 固潜r s 派巍e 删p l e s 嫩垃睡$ 秘瓣融托s o f ( n i 8 0 f e 2 托u ) n s i o 犯“s i 0 2 ( c u n i 8 0 f e 2 0 ) f i ，也ep e r p e n d i c i l l 盯c o m p o n e n to ft l l e 黼弼弘e 蛙z 鑫圭i o nd 主珏娃难蠢e 畦嘲& e 羚鑫s i 驾稻i c 靶珏e s so f 氇e 纛瓣勰 n o n o l 鑫y 尊f ，强d t h eg m ie f f 托to ft h es a m p l e so b v i o 峭l ye n h a n c e d b e c a 吣et l l ec r y s 衄ls 讥l c t u 阳o f c ui s 盘嘛l 泌谢缴垃砖n i 8 n 2 0 ，娃瓣m i 蹴女d i d n ta p p e 甜t o 如c 搿a s ec o m p a r e d w i 吐l 幽e 枷o sa t n 端3 噎l e n n i n c “ a s e s t 0 4 a n d5 跹yw o r 娃x - 娜桶妇硝峨擞蝉瞧瞬掘糯i 墨蛔p ，越藏鼹确e a 岫o t m p y g m ie 胍c t ，n i s 0 f e 2 0e o m p o s i t em u 蛐蚶e r s 2 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 6 年)n i f e 2 0 复合结构多层膜的巨磁阻抗效应研究 1 1 1 引言 第一章绪论 1 1 巨磁阻抗效应 巨磁阻抗( g i a mm a 弘e t o - i m p e d 舳c e 简称g m i ) 效应是指材料的交流阻 抗随着外加直流磁场的变化而发生显著变化的效应。 g m i 效应是由日本名古屋大学的k m o 城【1 】于1 9 9 2 年在c o f e s i b 非晶丝 中首先观察到的，在室温时经过拉应力退火的丝的阻抗变化比为9 0 以上，灵 敏度达1 0 o e 。其后，进一步的研究发现软磁合金的o m i 随磁场变化的灵敏 度，在细丝中可高达1 7 0 0 o e 【2 】，薄带高达6 0 ，o e 【3 】，单层膜达到8 o e ， 多层膜达到4 9 ，o e 4 】：而它们的饱和磁场只有几十0 e 。与目前在磁记录和磁 传感器领域广泛采用的g m r 效应及霍尔效应相比，g m i 效应具有高灵敏度、 低饱和场、稳定性高、响应快的特点，有着极大的实际应用前景。因此，g m i 效应引起了众多科研团队的研究兴趣，在国内外的很多杂志中均有相当数量的 报道。 通过对g m i 效应十多年的研究，该效应在材料种类、样品形式以及理论解 释等方面均取得了很大的突破。早期对g m i 效应的研究主要集中在具有零或负 磁致伸缩系数的c o 基非晶软磁合金丝【1 ，5 7 】。而后，其在材料上扩展到了以 f e c 心n s i b 及n i f e 等为代表的f e 基材料【8 1 2 】；在样品种类上也进一步扩展 到了薄带【1 3 】、薄膜【1 4 - 1 6 】、粉末【1 7 】、复合结构丝【1 8 ，1 9 】和复合结构薄膜 【2 0 2 2 】。复合结构丝有玻璃包裹丝【2 3 ，2 4 】、b e c u 丝外电镀 2 5 ，2 6 】或者化学 镀软磁镀层【2 7 】等形式：复合结构薄膜则包括有三明治薄膜、多层膜、带绝缘 层的三明治薄膜等。 华东i i l i 范大学瑚士学健论文( 2 0 0 6 年)n i 犯f o 复台结构多层膜的题磁阻抗散成研究 对带有绝缘屡的复合结构材料的实验藏理论机理研究魑目前g m i 效应研究 的一个热点。诧外，g m i 效应的应鳎方颟墩引起了研究人贫了越来越浓厚的兴 趣。 l 。1 2 邋论分析岛实验进展 自1 9 9 2 年，锵m 效赢在实验中被观察到以来，雀对其理论方面的研究和 撤邋就始终没有箨难过。近些年来，辩g 撇效戎的研究重点也逐渐囱对其物理 理论机壤探讨以及虑用方面倾斜，蟹现出理论与实验、应用相结合的特点。 巨滋礅抗效应的枫耀弼以_ i 蘸过瞧磁学懋论褥副解释。对于各类琴鼹豹毒害料， g m i 效应的情况略蒋不网，下蕊结合目前的实验进展对其分别避镗分极。 ( 一j 晕瑷褥辩 设一长为，、半径为a 的样品，当通有频率为脚的交变电流7 ；l e 一“时 ( 晦f ) ，考您均匀磁纯，其阻抗表达式为婴8 】： z 珊= 圭跏榴 ( i - t ) 其中，嘉= 警，鼓。l 去为趋肤深嶷，鼹= ；憝直流溆阻，厶期五 o _￥拄辫f 侧 分掰为零阶精一阶烫塞尔溺数。 在低频情况下，将上述磁阻抗表达斌进行级数展开，可以求得： 小扣卉2 口2 n 2 ， 。降叫 n ， 在鬻额槽搅下，瑟鼙甯： 昱* 并嘎兰 警 ( 1 - 4 ) 4 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 6 年)n i b o f e 2 0 楚台结构多展膜的电磁阻抗效应研究 而对于长为，、厚度为盯、宽度为6 的条带或薄膜，对戚的阻抗表达式分 别兔： 低频：i 琏似： 毫频避戗： z = 胄+ = r 出渤c o t h ( 渤) r = 屯一 1 + 去口4 珊2 2 盯2 x 啦 2 叫 嚷嚷慝 ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 ，8 ) 其中发。= 为壹滤电阻，也为余切双曲线， 劝a 如果考虑低频情况，趋胺效应较弱时，电感部分正比于频率一次项，并讴 晓于横向磁导率，褥电疆部分的交纯率较小，可以忽略。蔽j 辩：，这种低频散 应称为磁电感效应。 当高频时，趋肤效应不可忽视，幽( 1 4 ) 和( 1 8 ) 式可知，样品的阻抗通 过趋获深褒艿写滋导攀穗载系，麴莱癸磁场或发囊交纯，宓然会影确软磁 挂料的磁化行为，引怒磁导率发生变化，改变趋肤深度氏，从恧材料的交流隰 抗随之发生变化。由于在g m i 效应研究中采用的c o 溅、f e 熬软磁材料的磁母 攀对终磁场桶巍提当灵敏，嚣照，多 疆场麓大壤凄逸敬交隧藐豹大小。当频搴 更高时还会涉及到铁磁共振现象。 对于匀质材料，研以发现只有当高于菜一起始频率工后，样品的磁阻抗效 应才会有唆虽熬交绽。这量五霹戳鼹下式透酝蘩诗： 4 e “丽 ( 1 9 ) 式中f 为薄带、薄膜黪厚度或畿细丝黪半经，玎麦电警率。翔暴频率低子五， 表示越肤深度k 大于，因而所加的外磁场不足以引起阻抗的明显变化，因此， 对应不同的厚度或直径有不同的丘 华东师范太学硕士学位论文( 2 0 0 6 年)n i f 0 2 0 复台结构多层麒的臣磁阻抗效应研究 同时， 睡院效艨的大小还与磁结构有饭大酌关系。若想获褥大豹阻抗变化， 对于薄膜和薄带样品需要舆有横向磁结构，面对于细丝剐鼹要其霄环向磁结构。 这将在下节进行详细阐述。 ( 二) 复会结构材料 对予多层载复合结将奉季辩，莛l 于冀蕺瞧髭苓均匀，霞就其匿辙阻抗效应静 辍疆与电悭戆均匀瓣擎矮= l 堙糕蠢簌不嗣。稳瓣予擎矮豹薄貘和丝孝芎糕，复合结 构薄膜、复合缩构缝在很低的频率下就能够观察剿更大的磁阻抗变化。各国的 科矫函陵程实黢和耀论上都对复合结构材料的臣滋阻抗效虚迸行了大羹的研究 【2 9 3 8 】，但至今在理论的定量解释方面尚凭定论。 ( 1 ) 三职演薄膜 图1 1 1 为典裂的三明治薄膜结构。内部为巅电导率的材料构成的导电层 ( c ) ，终部毽裹蛰裹磁学搴的毒季糕棱袋懿猿蛙屡( f ) ，黔f ，f 。驱动毫流 滚缝导奄鼷。躅1 1 2 为三骧滚薄膜煞攮截瑟暴意藿秘薄膜平瑟痰匏皴他示意 淘。 孚孚国耀琉 亡= 二_ 戮琵黝 导电瀑 铁戳蘑 辫1 1 - l 三骥港薄濮结构暴意图 f 毽l l ls 氍赡| f e o f & 涩w l e h 硝 l 赫 6 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 6 年)n l f e 2 0 复合结构多层膜的巨磁阻抗效艘研究 x b 随 f 岱2 。 2 d 1 ( a 。p 1 ) d 2 f 诺 ，拜1 ) 、 x 。寸 翡 阐l l 2 三明治薄膜的截荫示意图( a ) 横截掰( b ) 俯视图 f i g 1 小2s c h e m a t i cd r a 、v i i i go f as a 耐w i c h e df i l m ： c m s s - 辩c t i o n 猷v i e w ( b ) t o pv i e w 考虑嚣鼷率先掰翁交交露渡j = 气# 1 “逶遘三爨治薄貘熬缀淘。设罢电藩 电导攀为呸，厚度为2 d l 。铁磁层电导率为拶2 ，厚度为d 2 。三明派薄膜总厚 度为d = 2 ( d i + 吐) ，三明治薄膜的宽度为6 。 瓣于电援娆均匀豹麓辩稳残鹣萃藤貘来说，当葵簿度帮至赘漕薄貘一样辩， 出现明显巨磁阻抗效废的临界频率六由( 1 9 ) 计算。对于铲l 啪，相对磁导率 为1 0 3 时，该摘界频率无约为5 0 m 娩。但是，对于三明治薄膜来说，q 如， 电濂分布相对攀层膜发生变化。在低频区域，瞧滚分谍主要繁中在孛阕电导攀缀 高的导电层。l v p a m n a 等人在忽略边界效应的条件下，对三明治薄膜的黻抗 送行? 诗葵【3 l ，3 2 】： 当三明治薄膜的宽度6 2 丑，其中( 采用高斯制) 五= ( 最破“，2 ) “2 ( 1 1 1 ) 鲳麓横淘磁警搴，爨漆驱动魄滤感玺瓣穿遗静电垂静满磁遴蔼戳慈精，这辩三 明治薄膜的阻抗写为( 采用商斯制单位) ： 三一，哆 ( 1 1 2 ) z f = 冠，瓴，屯) ( f 鼍+ 如) 举东师范大学硕士学能论义( 2 0 0 6 年)n i f c 2 0 复台结构多层膜的巨磁阻抗皴应研究 m 隅) = 筹糕， 而= ( ，一1 ) 2 4 ，屯= ( ，一1 ) 盔，2 愿， 弘警，昏蠹，班南， 口、五黝最五窍6 d 、l 曩 其中t 题外电感，z ，为三明治薄膜的特性阻抗，震为直流电阻。 在频率比较低时，且叫q 啦，越肤效应比较弱( 五，砭1 ) ，式( 1 1 2 ) 肖以下简单形式； 磊2 繇c l _ 2 蹈繁) ，毛“忿磁氆- 旺渤 其中，是薄膜的长度。对于域= = o 5 声肼，巧= 2 l o ”s 。( c 珏鲍电导率) ， 频率为l o m h z 时，= 哆= o 0 4 5 ，肛= 1 0 3 ，则麒毫孕 l 。 根据计算结果，l v p 姐岫等提出非常强的趋肤效威不是出现明显的m i 效 疲豹毖螫条 牛：每攀屡貘不因，惑撬顼瓣阻挠瞧有缀犬霆熬，崧多 磁场下懿发 獭变化，从而出现很大的g m l 效应；对于单层膜，在比较低的频率下缀然有巨 磁电感效应，毽国于感抗项大大小于电黻顼，因j 逝阻抗效应很弱。 最遐x d 娃等 3 9 ，4 0 】和r 。l 。撇m g 等【4 l 】透过实验表明，对于鼹个软磁 艨中间必一高导电金属屡的三明治结构，在较低频率下，具有很火的g m i 效应， 童要是戮为在这释结擒孛，交交惫滚与溅透量逶貉熬分离，蠹豢离毫导禽震怒 交变电流的主要源路，减小了交变电流的电阻，外部封闭磁层怒交变电流感应 瓣磁场豹逶臻，便横商磁擐耗降低。由予三瑟治结构薄膜豹电抗分董与磁性层 的横向磁导率鲳成比例，并在弱趋肤效皮的情况下对g m i 效皮起主要作用。 当外加一直流磁场，阻抗的电抗部分相对电阻率很小的内部导电层产生很大的 变纯，势显交变瞧滤戆豢度发生蓬薪分奄，因藏三弱活络梅貘京耜黠低豹频率 下有很大的g m i 效应。 在实狻研究方面，k h 强c a 等入2 】研究了n i f e ，c 潮曦f e 三绢治薄膜豹匿磁 限抗效应，由于崧们制备的三明治薄膜比较薄，厚度仅为2 0 0 蝴，所以驱动电 流的频率相对较高，在2 0 0 m h z 4 0 0 m h z 左右。m o r i k a w a 等详尽研究了 8 毕东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 6 年) n i 帖f 。2 0 复合结构多层膜的巨磁阻抗效应研究 c o s i b ，c u ( a g ) c o s i b 、f e c o s i b c u ( a g ) f e c o s i b 三明治薄膜的巨磁阻抗效应 4 3 】，在c o s i b c u c o s i b 三明治薄膜中，1 0 m h z 时阻抗变化比率达到3 4 0 。 国内周勇、禹金强等人则研究了较大磁致伸缩系数的f e s i b 材料制成的 f e s i b c u f e s i b 三明治薄膜的g m i 效应，在频率为3 m h z 时观察到阻抗变化比 率为1 7 2 【4 4 】。山东大学萧淑琴等研究了f e c u n b s i b c u f e c 心b s i b 【4 5 】和 f e c u c r v s i b c u ，f e c u c r v s i b 【4 6 】三明治薄膜的巨磁阻抗效应，频率分别为 1 3 m h z 和5 m h z 时阻抗变化比率达到6 7 和6 2 。 ( 2 ) 多层膜 到目前为止，用于g m i 效应研究的多层膜主要有两种类型，一种是曾广泛 应用于巨磁电阻( g m r ) 效应研究的磁性层( f ) 与导电层( c ) 循环的结构4 7 ， 4 8 】，即( f c ) n ，n 为双层结构( f c ) 的循环次数；另一种是在f c f 型的三明 治薄膜的基础上，通过加入绝缘层s i 0 2 【4 9 5 1 】或者其他金属层( 如c u ，t i 等) 进行一些结构上的变化，其中比较典型的是在铁磁层( f ) 与导电层( c ) 之间 加入绝缘层s i 0 2 后组成的五层膜结构f s c s f ，图1 1 3 为 c o s i b s i o 犯“s i 0 2 ，c o s i b 五层膜的几何结构示意图。 图l l - 3c o s i b s i 0 2 c “s i 0 2 c o s i b 多层膜的几何结构示意翻 f j g1 - l - 3 t h eg e o m e 仃ys 打u c t u 陀o f t h ec o s i b ，s i 0 2 c “s n ，c o s i bm u l t i l ，e r s 对于多层膜结构g m l 效应，目前所取得的研究进展主要在实验方面，在理 论解释方面尚无精确的定量描述，只有一些半定量的解释 3 3 】。 9 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 6 年) n i 帅f 。2 0 复合结构多层膜的巨磁阻抗散应研究 下面主要介绍一下这两种多层膜结构g 效应实验研究的进展。 黠予缕棱多瀑貘豹磷究瞪，e k ，b 吱。霉。翔v 转p 等久戮究了e o 怒u 多蔟骥在 很高频率下( 3 0 一1 4 0 g h z ) 的磁阻抗效成 4 7 】。r l s o n 黼e r 等人则用磁控溅射 豹方法稍荟了缓葵舍金p 翱m 瀚a g 多瑟貘，玻莫会金靶静静名义缀分为 n i 8 l f e l 9 。在p e 蝴a l l o y ，a g 为1 0 0 层，p e 姗a l l o y 的厚度为1 0 7 a ，a g 的厚度为 2 5 a ，驱瀚频率为2 5 m k 时，蕊察到o m i 效疵达到2 5 【4 8 】，d e a n d r ；砌e 等又 程1 0 0 王z l 。8 傩z 的频率范屡内研究了( p e n n a l l o 蜘g k 的巨磁辍抗效戍，裁备 了n = 1 s ，5 0 ，l o o 三种结构，并在高频区域观察到了铁磁共振现象【4 9 】。 嚣在瓣屠一耱几舞续掏类型多层貘懿磅究孛，m o 曦8 w a 等入转3 】采鼷c o s i b 作为铁磁层f ，制备了结构为f ，s i 0 2 c u s i 0 2 f 的擞层膜，在2 0 删时测 褥磁阻挠魄率褒这霭0 ，魄钠s i b ，c 毪，c 砖i b 三明滏薄膜高缀多。血蠕o n o v 等 【3 3 】 在 f e e 时而s i b五 层膜的基础 上 制铸了 擎c c ；醢硒s i b 毽沁2 厂r c u 艨7 s i 0 2 塔e c 心m s 潞七瑟骧，其中f e c 心沌s i b 、s 的2 、t i 和c u 层厚度分别为8 0 0 懈、8 腿、l0 l 黼和2 0 i 】冁，在5 0 0 m h z 以上_ 璐察到了 驻著的醺磁阻抗效应。qv k 蝴y 趾d s k a y a 等【5 0 】在对n i f e 复裔结构薄膜的研 究中在铁磁层中期入c 娃层佟必黻隔层。研究了n i f 彰c 嬲i f d c 渊i f 积渊i 王奄 薄膜的磁各向异性与巨磁阻抗效应。在国内萧淑琴等【5 l 】研究了制备态的 萋：。c t 蚋s i 彰s i 铡a g 携i 0 瘀心涛s i b 五鼹貘瓣g 鹾l 效波，在1 3 m 琵辩溪察髫 阻抗变化比率为5 7 。陈卫平等【2 2 1 研究了 ( c 霹r v s i b ，s 0 2 ) 3 惩酿s i 0 瘀u c r v s i b ) 3 豹g m l 效巍，在8 5 m h z 的频率下， 纵向和横向巨磁阻抗变化比率分别达剿2 5 1 和2 7 7 。“等【4 0 】研究了 f e c u n b s i b ，s i 0 2 c u ，s i 0 2 f e c 心b s i b 怨i 0 2 六层膜结构的融磁阻抗效应，在五层 膜终加了s i 0 2 伟为保护艨后，可以使样最嶷好蛇眨磁阻挠效应保簿更长戆时阙， 为g m i 薄膜材料的实际鹿用工作解决了一个关镳问题。 ( 3 ) 复合结构丝 近筝来，对簇豹匿磁阻抗效瘛研究魄较多。其中又淝现了举两子豢荦的电 性能均匀的均质熊的复念结构丝( 异质熊) 。 它的形式有： 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 6 年)n i f 0 2 0 复合结构多层膜的巨磁阻抗效应研究 i ) 磁性微丝外包覆着耐热玻璃绝缘层形式的丝，主要为玻璃包裹c o 基非晶丝 和f e 基纳米微晶丝【2 3 ，2 4 ，5 2 ，5 3 】； i i ) 采用电镀或者化学镀方法，在c u ( b e c u ) 丝外形成一层磁性薄膜形式的丝， 常见的有b e c u 丝外电镀n i f e 、c o p 、f e c o n i 软磁镀层【2 5 ，2 6 】的复合结构丝以 及在b e c u 丝外化学镀n i f e b 、n i f e p 、n i c o p 丝等 2 7 ，5 4 】。 1 1 3 巨磁阻抗效应的应用进展 现代先进智能测量及控制系统技术中，迫切需要高灵敏度及快速响应的微 磁传感器。巨磁阻抗效应器件的突出优点是高灵敏度、响应快和体积小，被认 为有着广泛的应用前景。相比现在被广泛使用的薄膜磁阻( m r ) 传感器和霍尔 效应传感器，巨磁阻抗效应器件的磁场灵敏度要高几个数量级，并具有更高的 温度稳定性。而磁通计虽然在灵敏度方面可以与之相比，但由于退磁场的因素， 其尺寸要大近十倍。因此，相对而言，巨磁阻抗效应器件有着很大的优势。尽 管关于巨磁阻抗效应实际应用的研究被提到了越来越重要的位置，但目前实际 的产品相比其广泛的应用范围却还相对较少。日本m o m 列举了关于巨磁阻抗 效应的一百多个应用课题【5 5 】，但产品和市场的开发还有待人们做进一步深入 的工作。这里对关于巨磁阻抗的若干典型应用的例子作一介绍。 ( 一) 微磁罗盘 由于巨磁阻抗效应对磁场的敏感度很高，甚至低于了地磁场的磁场强度量 级。因此，巨磁阻抗材料被认为是制作微磁罗盘的理想材料。可以通过对地磁 场的探测来判断方位的改变，这无论在军用还是民用领域均有着广泛的应用价 值。 图l - 1 4 为日本a i c h is t e e l 公司开发的一种应用于微磁罗盘的c m o sm i 传感器 5 5 】，电路部分包括一个多谐振荡器、用于检波的电子开关和放大输出 等部分，敏感材料是选用2 i n m 长的非晶丝，丝上绕有负反馈线圈，以提高器件 的线性和响应速度。微磁罗盘的满标度为士2 4 0 h ，适应的温度范围为4 0 举东师范太举硕士学位论文( 2 0 0 6 年) n k o f e 2 0 复台结构多层腆的巨磁阻抗效应研究 + 8 5 ，可用于汽车和手机导航。 c 蓥啦堰 m 磷q 矗掰，4 1 1 l l _ 二 i l 岫s h 岫7 枷x 哺f疆o r t ，s l m r ：j t 佳r l2 l i l l i li h r i 霸 瓢i 、 l 鞋l 觏瓣：l 拄瓢3 # f l芝l 参獭转 a c il l 】样 k 一 ( 1 毫攘蓬 圈l l - 4 微磁罗盘c m o s m i 传感器 f i g 1 * l 珥e 醚o s 醚| s e n s 甜 g 嘲k 黼d m t 锯) 攘溅蠡壤 ( = ) 汽车蠲传惑器 在汽车工业的发展过程中，传感器是一个非常重要的部分。一辆汽车中使 用到的传感器不下数百个，其中包括转速传感器、a b s 防抱死传感器、点火装 嚣传感嚣等等。弱蘸丈爨使用戆这类传燎器均怒莲于饕零效应磷铡簧感器，穗 比霍尔效应，巨磁阻抗效应具有更高的磁场灵敏度和温度稳定性，因此匮磁阻 撬嚣霉# 竣谈兔是农汽车转感器孛磐我霍尔器静匏毽怒传感器。 杨燮挖等根据铁基纳米微晶材料的磁结构特点，采用纵向驱动方式，以获 褥最佳灵敏瘦稻线往度的组合，笈鲷了g m l 秘稳死传黪器和碰啦线性传感器 筹一系列汽车用传感器。电路包括一个爱敏而稳定的自激振荡器、滤波嚣、放 大器和成形电路【5 6 】，在用于磁敏开关对，可无需放大电路，因而具有商稳定 性和抗予扰特性。利用上述g m l 嫩敏元传砚制成了几静汽车月传感器，矮特点 为：( 1 ) 输出信号幅度不随转速变化；( 2 ) 良敏度高。磁场相对灵敏度为 1 砰鼹溶糠4 ) ，羧溅距褰达2 黜；( 3 ) 频率响建抉( 泓l 【 耗) ；( 4 ) 熬稳定毪 好，可在一4 0 十1 5 0 下使用。 ( 三) 磁敏生物传感器 生秘样晶通常没有磁的背荣，但通过磁微球复合看可用磁测最的方法测定 华东师瓤大学硕士学位论文( 2 0 0 6 年)n i s o f e 2 0 复合结构多膜膜的巨磁阻抗效应研究 各种分子水平的谱。这种检测方法相比光和嘏化学方法要简便和经济。为了提 高罚豢靛灵敏疫窝哥纛链，梵其是捡灏，l 、滚淡鞠生物努子( 魏r n a ) ，一静秘 用g m i 效应的磁传感器已经被提出【5 7 ，5 8 】，圈l 一1 - 5 为c m l 磁敏生物传感器 工作瓣理示意图，该佟感器采用玻璃镪裹丝，臣磁阻抗灵敏魔在l o m h z 对达铡 2 。5 9 碳a m 。1 ) ，最大分辨率可达l o 州( a m 1 ) 鬻l 1 5g 酲l 磁敏生魏馋感嚣王终糕瑾鹜 f 嘻1 一l - 5t h e 曲n c i p l eo f a6 m i _ b a s e dm a g i i 州cb i o s e n s o l 璐诹gm e 镐d n ah y b d i 燃i o np h 豁艳m e n o n 粘e x 锄p i e ( 四) 磁测量新方法【5 9 】 由于交流阻抗及隰抗变化涉及劐材料鲍溅各肉舅性场、磁致 枣缓和材糕磁 化过程等，因此研究随磁阻抗效应，就可以研究这些磁性参数对外磁场的依赖 关系及频率特性，这楚一势耱型戆磁测量方法。对予兵毒横起磁结擒戆样菇， g m l 曲线的峰值对应的磁场岛各向异性场日，相近。 对样品施加应力退火对，不仅改变其饱和磁致伸缩系数a ，也可以改变， 在对徉瑟进行系襄主鏊火嚣，霹跌逶过数蠢掇会穰薅戆舞窭释菇豹魏秘磁致耱缩 常数殿其系数，利用此方法得到的结果与小角磁化转动法的结果相当接近。 蕊之，通过对磁性材辩g m i 效应的溅羹，可敬倍簿出谗多稽关瀚物理董数 值，因此，g m i 效成为测量这些物理量提供了一个良好的途径。 毕束师范大学硕士学位论文( 2 0 0 6 年)n i 鼬f c 加复台结构多层膜的臣磁阻抗效应研究 1 2 磁性薄膜材料的磁备向异性及与巨磁阻抗效应的关系 1 2 1 磁性薄膜材料的磁各向异性 对予磁毪奉| 糕嚣吉，磁茎自鼯毪是冀最重要鹣穆瞧乏一。宅是支甏磁洼耱 料磁化难易程度，控制不同磁性材料、不同磁学性能的关键因素。 在不瓣懿斑闵场合，葡不同磁程薄貘材料静各囱异健分布、大，j 、有不丽酌 要求。利用巨磁鼹抗效墩( g m l ) 在传感臻等方蘑的应用，一般要求具蠢乎露 磁各向异性，否则其性能会下降【3 9 】；而对于垂直磁记录、磁存储、光磁存储 等戆垂纛磁纯貘粼要求秽褚奔震懿磁往翳辘致蠢鋈壹予貘嚣。 在磁性薄膜中有效器向异性能k ( 单位体积) 可以唯象地表示为体各向 异性能赫和界筒各向异性能墨贡献之和【6 0 】： x = 鼠+ 2 k ，靠( 1 1 4 ) 荚孛蠢是磁性爱豹厚度。对于磷究匿雍辍菝效纛瓣薄貘零孝糕孬富，誊擎鼷铁磁 艨厚度在l 岫，界面各向异性能挺对有效各向异性能拦的作用可以忽略不计。 只有当薄膜膜厚低于一定厚度( 一般为几十纳米到一百纳米) 时，界面备向异 投娩会瓣薄膜的窍效鑫淘异性能起终鼹。 体备向异性能j ( v 的来源包括磁晶各向异性、形状各向异性、交换各向异性、 憋生各囱肄性和磁弹性备向异橙等。一般来说，自旋一轨道相置作用和磁偶板 棚互作用是影响薄膜磁体备向异键的两个主要来源。前卷与薄膜霸体结构的对 称性相关，即磁晶各向异性。后糟的长糨特性通过样品的形状产生了形状各向 舞挂泌l 】。要瑟签肉募瞧戆熬圭要是国薄貘豹对称谯产生静瓣称酸跤雩| 超。 对予薄膜样黯丽言，其墨产生垂誊罄向异性必须大于其临界厚度。，当 薄膜膜厚低于上。时，其磁矩方向完全分布在薄膜平面内，根据公式 6 2 】： 华东师瓤大学硕士学位论文( 2 0 0 6 年)n i 柏f e 麓台结构多层膜的臣磁阻抗效应研究 三。= 2 灯( 4 k p ) 1 他 ( 1 - 1 5 ) 可以储算出这个稿养浮度，式中岛为薄膜样品的垂鬣各向异性常数，a 为交换 作用参数。 1 2 2 巨磁阻抗效应与磁结构的关系 臣磁阻抗效应与材料本身的磁性能有关系。各种磁性能参量中，磁各自毋 性对随磁阻抗效应的影响最为明显，对于巨磁阻抗效应而言，般需要平行于 薄貘警嚣戆磁鑫淘异瞧。在隰获夔表这式中与磁牲鸯关熬磁导率一般来巍是 一个张基p ，它本身反映了材料的磁各向异性。下面是两种比较典型的巨磁阻 抗效威模式，反映了材料的磁各向异性对巨磁阻抗效应的影响( 圈1 一l - 6 ) 。 2 塑l 。l 石嚣耪典壁弱g m l 模式 f i g 1 小61 、v ob ，p i c a lm o d e l so f g m i ，t ”向 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 6 年) n i 帅f 0 2 a 复台站构多层膜的巨敲阻抗效应研究 1 我们考虑一个简单情况下，圆周磁导率鼹标爨，我们设想一样品具有 疆壹横囊磁结稳( 怼丝来说是邵袅磁畴结梅，帮惑溺磁麓囱异憋；怼骥来说是横 向面内磁畴结构，即横向各向异性) 。当月0 沿着纵向方向增加时( 即难轴方向) ， 每一磁瞬中磁化矢量都f 向长轴方向转动，这样增加了圆周磁导率，从而傥z 增加。 磁导率豹最大篷滋现在一恒定筛磁绣每横向各囱异往场瓢平衡随，该纛处阻抗 糍一个最大馕。继续建嬲i - 蹦，隳瘸磁饯过起将被磁矩转动瑟害撂，这榉健褥磁 导率降低在一个很低德达到恒定而饱朔。阻抗z 和磁导率也有同样的变化行 为。这样，如果外加磁场从一爿0 到+ 爿矗f 变化( 沿纵轴方向) ，阻抗关于外磁场 煞莛线纛示秀令蜂( 鼹酶g 豫露为) 。 2 蛹一方面，如果样品沿纵轴方向具有易轴( 纵向各向异性) ，横向磁化过 程总是被磁矩旋转遘程嚣主导撼位。由予易磁纯轴在样晶的级辘方向，箕横向磁 舄率鲰较低，攫疲数阻摭较小，藤且因为磨矗霹绣乎弦，f 携佟羽始终是疆杰 磁化过程的进行，于是便“。进一步减小，从而引超阻抗的下降，阻抗表现出个 单调递减趋势。从疗0 0 开始，为单峰结构。 在滋上秀静g 醚l 攘姣孛，巽蠢霆溺鬣横自备囱弄瞧豹耪辩静灵霰瘦魄较离， 猩传感器应用上受到很大重视。可以通过磁场邋火、应力退火等手段来感生匾 蠲或者横离各商异性。 1 6 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 6 年)n i f e 2 0 复合结构多层膜的巨磁阻抗效应研究 1 3p e r m a n o y 合金1 6 3 l 坡莫合金( p e m l a l l o y ：该名称的意思为具有高磁导率的合金) 是指成分为 f f f 3 5 一8 0 ) _ n i 的合金，具有面心立方点阵。坡莫合金具有很高的磁导率， 但依n i 含量以及冷却条件等的不同，其磁性能有很大的变化。坡莫合金是应市 场要求开发出来的，当时迫切需要磁通密度在数百高斯以上，具有比硅钢的磁 学性能更好的软磁材料。1 9 1 3 年前后，作为电话机用的高磁导率材料，开发出 了7 8 n i 坡莫合金，在此以后，其作为典型的软磁材料而经常被使用。 f e - n i 合金在f e 为7 0 一8 0 的范围内，具有最佳的综合软磁性能。此时， 磁滞伸缩常数k = 0 ( 帅i 在8 1 附近) 磁各向异性常数k = o ( n i 在7 6 附近) f f c 5 0 一8 5 ) n i 二元合会在4 9 0 发生有序一无序转变，缓冷时会形成 n i 3 f e 有序结构相，致使晶体磁各向异性常数k 增大，磁导率u 下降。因此， 必须从6 0 0 急冷以抑制有序相的出现，增加无序结构相，急冷的坡莫合金的 磁导率在m 为8 1 附近出现极大值，如图1 1 7 的上图所示。通过添加第三元 素可有效地抑制上述有序结构相的形成。例如，通过添加m o ，c r ，c u 等开发 多元系坡莫合金，出现了以超坡莫合金为代表的坡奠合会。总之，n i 7 5 一8 3 的坡莫合金具有极高的磁导率等优良的磁学特性，制造工艺又不太复杂，可以 满足变压器、磁屏蔽、磁头等多方面的需要。 1 0 1 0 8 鼍 6 静 簟 4 0 芝1 6 鬻! 2 霎o s 辫 曩o 4 0熬 乞：。k 队 3 0 4 05 0 7 08 0 1 0 0 ；， 图i - l 一7 坡莫合金磁学特性 与成分的关系 f i gl 1 7 t h ed e p e n d e n c eo f t l l e _ 啭东师范大学硕士学位论文( 2 0 嘶年) n i 柏f 0 2 。复合结构多层膜的巨磁阻抗效应研究 对坡莫合金曾进行过广泛的研究。例如，经大变形量( 9 8 ) 冷轧。再经 ll o * 1 2 0 0 热她理，毽霹获褥( 1 | 蛰蹿o l l 交形菇臻器织梅缀缀，其磁薄霾线其 莉高矩形比：从太约6 0 0 开始在磁场中冷却。可以获褥单轴磁各向异性。与 醺锈穗院，经遥滚些楚溪静装葵念金兵蠢更高豹磁警率，筵高静矩形疆：等特性。 坡奠合金具有优良的冷加正特性，而且加工产生的内应力( 主要由位错弓l 起) 可以由邋火来消除，这稷便于玻葜合金的加工和使用。 关予坡莫合众的应用，1 9 7 9 年，l b m 3 3 7 0 的j 接触激磁盘存镰器等装置孛 就使用了薄膜磁热。直到现在薄膜磁头的磁芯材料大多数仍使用坡莫合众。为 了适应慰磁余矮凌矮矮力携要求，除舍众鑫态系糕鹳之终，凌焱夏在继续秀发 非晶态、微晶薄膜、多层膜等高饱和磁通密度的磁芯材料。该领域已成为高新 技术组残舔分之一。 目前坡莫合众在磁致电阻效皮( m r 效应) 、制作磁头磁芯( 膜厚为几十纳 米左右) 簿方面墩取褥了缀好斡疵焉。冀薄貘材料一觳采用f 昏8 5 如f 善5 的坡 奠合金磁致伸缩为零) 。这种高记渌密度用磁头( 能捡出微弱磁场变化的糍灵敏 魔再生磁头) 已取得良好的实酥陂用效果，但人们发现，利用檄薄多层膜的金 属超晶摄巨磁电隰效应( g m 廷) 靼超巨磁电阻效癍( c m 袋) 铡终熬磁头，效鬃 更好。经过近几年的研究开发，圆内外磁在推广应用。 由予缓葵台众窭色懿疑滋愁辘，羹谯昏滋辍筑( g 罐) 效建静耢究审氇技 作为一种广泛采用的材料。在通过磁控溅射、电镀等方法制备的n i f e 合众薄膜 巾，在惫括逶过纯学镀方法裁备豹n i f 蹲、n i 嚣复合绥梅丝中，都蕊黎到了 明显的磁阻抗效成。 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 6 年) n i 9 0 f 复合结构多层膜的臣磁阻抗效应研究 1 4 本文的研究背景和主要研究内容 由以上可知，巨磁阻抗效应与材料的性能和几何结构密切相关。从g m i 效 应在实际应用方面的发展来看，由于重复性、微型化、集成化、标准化等问题， 大力开发g m l 薄膜材料必是大势所趋。坡莫合金是一种优良的软磁合金，主要 表现为高的饱和磁化强度和磁导率，很低的矫顽力和高频损耗，是作为g m i 传感器的优良材料。但目前对于坡莫合金薄膜巨磁阻抗效应的研究报道还有不 是很多，其在这方面的研究远远没有f e c 心m s i b 等f e 基和一些c o 基材料来得 深入。为此，本文根据坡莫合金的磁特性，设计了两种几何结构的复合结构多 层膜，其结构分别为： ( f s i 0 2 ) 。c 叭s i 0 2 f ) 。 ( f ，c u ) 。s i 0 2 c “s i 0 2 ( c u f ) 。 并对其不同的复合结构引起的材料磁性能和巨磁阻抗效应的变化进行了详细而 又深入的研究，主要内容如下： 1 选用坡莫合金n i g o f e 2 0 作为铁磁层制备了结构为( f s i 0 2 ) n c “( s i 0 2 f ) 。的复 合结构薄膜，研究了其巨磁阻抗效应，研究了其磁阻抗效应与其样品几何结 构之间的关系。 2 研究了不同几何结构的( n i 8 0 f e 2 0 s i 0 2 ) 。，c u “s i 0 2 n i 8 0 f e 2 0 ) 。复合结构薄膜样 品的晶体结构、磁性能、界面效应。并给出了这些物理量与其巨磁阻抗效应 之间的关系。 3 在( f s i 0 2 ) n c 叭s i 0 2 f ) 。复合结构薄膜的基础上，采用c u 层取代s i 0 2 层作 为阻隔层，并选用坡莫合金n i 8 0 f e 2 0 作为铁磁层，制备了几何结构为( f ，c u ) 。 s i 0 2 c “s i 0 2 ( c u f ) r i 的复合结构多层膜，研究了其磁阻抗效应与其样品几 何结构之间的关系，并对其规律进行了定性解释。 1 9 肆刍东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 6 年) n i 8 0 f e 复合结构多层膜的巨磁阻抗效应研究 第二章薄膜样品的制备方法及主要表征手段 本交采用磁控溅射法铡备了n 钧f 鼢复合络构多爱貘，科掰台阶仪、x 射 线衍射( x r d ) 、振动样品磁强计( v s m ) 等手段表征了样品的晶体结构以及 磁性能，使用阻抗分析仪对样晶的巨磁阻抗效应进行了测量。 本章对本文所采用瓣这些设冬