（凝聚态物理专业论文）非晶、纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究.pdf

华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)非晶、纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究 摘要 最近，对于软磁材料的研究热点已经集中在材料的巨磁阻抗效应及其应用 上，其在磁记录、磁敏传感器等方面有着巨大的应用潜力。本文回顾和总结了巨 磁阻抗效应的发展历史和研究现状，采用高频感应加热熔融快淬法制备出铁基、 铁钴基、钴基非晶玻璃包裹丝，研究了退火条件、几何尺寸等因素对材料软磁性 能及巨磁阻抗效应的影响。论文的主要内容包括： 1 制备和研究了铁基玻璃包裹丝。制备了不同几何尺寸的 f e 7 35 c u l n b 3 s h 5 8 9 铁基玻璃包裹合金非晶丝，经5 7 0 退火处理得到玻璃包裹 纳米晶丝，采用四点法研究了其巨磁阻抗效应。结果表明，样品在金属芯直径为 3 0 岫左右时具有最佳软磁性能，最大磁阻抗变化为2 5 1 ，并对实验结果给出 了合理解释。 2 制备和研究了铁钴基玻璃包裹丝。通过x 射线衍射、穆斯堡尔谱和动态 磁滞回线等方法研究了铁钴基材料f e 4 6 c 0 1 9 s 如b 1 5 n i l l5 玻璃包裹丝经不同温度 退火后的结构、成分以及软磁性能。结果显示通过结构驰豫和晶化过程减小了磁 无序，超顺磁场的改变说明有非稳态相c 【一f e c o 出现，5 2 0 0 c 退火样品表现出最 佳的软磁性能和巨磁阻抗效应。 3 制备和研究了钴基玻璃包裹丝。对钴基c 0 6 9 2 0 f e 4 1 6 s 垃3 5 8 1 07 7 c r 34 2 m o o l 玻璃包裹合金非晶丝分别进行了常规火炉和电流应力退火，发现 ( 1 ) 非晶丝经常规火炉退火处理后巨磁阻抗效应反而下降了； ( 2 ) 电流退火存在最佳电流密度约为3 0a m m 2 ； ( 3 ) 电流应力退火时，在相同电流作用下，应力越大越容易产生感生各向异 性，可提高软磁性能，但当应力过大则会破坏原有磁结构，使软磁性能下降。钴 基玻璃包裹丝电流应力退火处理的最佳条件是电流密度为3 0 2 ，应力为 8 0 m p a ，退火时间为3 m i i l ，巨磁阻抗比可达到1 4 5 2 ，灵敏度高达1 4 7 9 o e 。 4 铁基、铁钴基、钴基非晶玻璃包裹细丝，当金属芯直径和总直径比一定 而金属芯直径不同：铁基、钴基晶玻璃包裹丝的最大阻抗比随着金属芯直径的增 大先增加，后减小；而铁钴基玻璃包裹丝的金属芯直径对铁钴基玻璃包裹丝的 a 垤i 效应无影响。 关键词：非晶，纳米晶，玻璃包裹丝，软磁性能，巨磁阻抗( g m l l 效应 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)非晶、纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究 a b s t r a c t r e c e 州y ， a l a r g e m c r e a s eo fi n t e r e s th a sb e e nc o n c e n t r a t e do n g i a n t m a 弘e t o - i m p e d a l l c ea 1 1 d “s 印p l i c a t i o n s ，f o ri t sp m m i s i n gt e c h l l o l o g i c a la p p l i c a t i o n s s u c ha sm a g n e t i cr e c o r da 1 1 dm a g n e d cs e n s o r s as a r yo fr e s e a r c ho ng m ie 氏c t i sp r e s e m e di nm i sm e s i s a m o r p h o u sf e b a s e d ，f “c o b a s e d ，c o _ b a s e dm i c r o w i r e s a r ep r e p a r e db y 廿1 et a y l o 卜u l i t o v s k ym e m o d d i 腑r e m 蛐e a l i n gm e m o d sa r el l s e d t 0i m p r o v e 也e i rm a g n e t i cp r 叩e n i e s w b 咖d i e dt h es o f cm a 印e t i cp r o p e m e sa n d g m ie 毹c to na 1 1 n e a l i n gc o n d i t i o 璐a 1 1 dg c o m e 扛yd i m e n s i o n t h em a 血r e s u l t sa r el i s t e da sb e l o w ： 1 p r e p a r a t i o n a n dn s e a n ho ff e _ b a s e d g l a s s - c o v e r e d m i c r o w i r e s n a l l o c r y s t a l l i n ef e 7 35 c u l n b 3 s i l 35 8 9s a n l p l e s 谢t 1 1d i 髓r e md i 锄e t e r sa r e o b t a i n e db y 锄e a l i n gt h e 锄o r p h o u s 、v i r e sa t5 7 0 t h er e l a t i o n s h i pb e t 、v e c n g m ie 舵c ta n dm em e t a l l i cc o r ed i 锄e t e rh a sb e e ni n v e s t i g a t e d b yf o u r _ p o i n t s m e t l l o d t h er e s u l t ss h o wm a t 也eg m ir a t i o sf i r s ti 黼a s et h c nd e c r e a s e 谢m 血e i n c r e a s eo f m e t a l l i cc o r ed i 锄e t e lt h el l i 曲e s tm ir a t i oo f 2 5 l i so b t a i n e di nt l l e n a n o c r y s t a l l i n em i c r o w i r e sw i t h3 0 mi nd i a m e t c r 2 p 忡p a 憎t i o na n d舶s e a m h o ff e c o _ b a s e dg l a s s c o v e r e dm i c r o w i r e s t h e c h a i l g e s i nt h c 咖咖ea 1 1 d m g n e t i cp r o p e n i e so ff e 4 6 c o l 9 s 垴b 1 5 n h 5 9 1 a s s - c o v e r e dm i c r o w i r e s h a v eb e e ni 1 1 v e s t i g a t e db ym e a n so fd i f 话r e n t i a l s c 锄l i n gc a l o r i m e 姆s c ) ，x r a yd i 贽a c t i o n( 己d ) ， ”c om 6 s s b a u e r s p e c t r d s c o p y ( m s ) a n dm a g n e t i z a t i o nm e a s u r e m e n t s r e s u l t ss h o wt h a t 廿l e 肌a 1 t r e a t m e n tw 订lr e d u c ed i s o r d e rr a n g ei nt l l es p e c i m e 璐v i as t m c t u r a lr e l a x a t i o na 1 1 d c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s t h em e t a s t a b l ep h a s e sa f e c ow i l la p p e a ra f t e r 黝e a l i n g ， t h em i c r o 谢r e sa i l i l e a l e da t5 2 0 。ce x h i b i tt 1 1 eb e s ts o f cm a 印e t i cp r o p e n i e s 趾d g m ie f f b c t s 3 p r e p a r a t i o n a n d阳s e a r c ho fc o b a s e dm i c r o w i r e s i s o t l l e h n a la n dd c j o l l l e - h e a t i n g 丽t hs t r e s s a r ep e r f o 珊e do nc 0 6 92 0 f e 41 6 s i l 23 5 8 1 07 7 c r 34 2 m o o l g l a s s c o v e r e dm i c m w i r e s r e s l l l t ss h o wt h a t ( 1 ) f u m a c et h e m a la n n e a l i n gw i l ld e t e r i o r a t et h em a g n e t i cp r o p e n i e s ( 2 ) t h eo p t i m a ld e n s i t yc u r r e n to f j o u l ea n n e a l i n gi sj = 3 0a ，m m 2 ( 3 ) m i c r o r i r e s 眦锄e a l e dl l n d e rt e n s i l es t r e s s e sa ts 锄ej o u l ec u 玎e md e n s i t y 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)非晶、纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究 s t r e s sc a ni n d u c es u i t a b l em a 弘e t i ca n i s o 仃o p y ，t h e ni l n p r o v et h em a 印e t i c p r o p e r t i e s h o w e v e r ，v e r yl a r g es 打e s s e s 、i l l d e t e r i o r a t et h em a g n e t i c p r o p e n i e s t h el l i g h e s tm i r a t i oo f1 4 5 2 a n ds e n s i t i v 时o f1 4 7 9 a r e o b t a i n e da to p t i m la i l n e a l i l l gc o n d m o n ：j _ 3 0a m m 2 ，g = 8 0 m p a ，t _ 3 m 血 4 k e e pt h er a t i oo fm e t a l l i cc o r ed i 锄e t e rt ot l l em i c r o 、v i r e sd i a m e t e i 。u n c l l a n g e d ， c o r ed i 锄e t e rd e p e n d e n c eo f m a g n c t i cp r o p e n i e so f 血r e ek i i l d so f m i c r o 、 r i r e s1 1 a s b e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg m ir a t i o sf i r s ti n c r e a s et h e n ( i e c r e a s ew i t ht 1 1 ei n c r e a s eo fm e t a 】i cc o r ed i a m e t e ri nf e b a s e da n dc o b a s e d m i c r o 、i r e s ， b u tc o r ed i 锄e t e rh a sn om u c hi n n u c n c eo ng m ir a t i o s i n f e c o - b a s e dm i c r o w i r e s k e y w o r d s ：a m o r p h o u s ，n a n o c r y s t a l l i n c ，9 1 a s s c o v e r e dm i c r o 谢r e s ，s o f c m a 朗e t i cp m p e r t i e s ，g i a n tm a 驴e t o i m p e d a i l c e ( g m i ) e c 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： ；益至童 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：；长等寺导师签名：辔私生 日期：垒! 1 6 ：；o 日期： 2 1 兰：兰： 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)非晶、纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究 第一章绪论 1 1 前言 巨磁阻抗( g i a n tm a 趴e t o i m p e d a n c e ，简称g m i ) 效应是指材料的交流阻抗 在外磁场的作用下发生显著变化的现象。由日本名古屋大学m 0 1 l r i 等人首先在 c o 基( f e o0 6 c o o9 4 ) 7 25 s h 5 8 1 5o 非晶丝中发现f l 】口由于g m i 效应具有灵敏度高、 响应快、无磁滞等特点，在磁记录和传感器方面有着广泛的应用前景，成为近年 来科学家研究的热点。人们不仅在多种磁各向异性常数k 小、磁致伸缩系数如 小的丝、带、膜中发现了g m i 效应 2 】，而且发现其机理涉及到磁电感效应、趋 肤效应和铁磁共振效应等1 3 j 。 g m i 效应与多种因素有关，其大小与驱动电流及材料本身的磁特性、结构 及尺寸有关【4 j 。近年来，人们对非晶、纳米晶玻璃包裹丝的g m i 效应进行了大 量基础和应用方面的研究，主要集中在材料的组分、磁结构、所受应力或扭矩、 热处理、以及不同温度、驱动电流的频率、大小和方向对材料的磁阻抗的影响 【5 。1 们。 对这一效应研究最初较多的是具有零或负磁致伸缩系数的c o 基非晶软磁合 金细丝，而后c o 基非晶软磁条带。然后又扩展到了f e 基纳米晶丝、条带【1 2 】和 薄膜【1 3 j 的g m i 效应。 尽管早在1 9 2 4 年t a y l o r 就已经可以制各玻璃包裹丝i l “，但由于丝的直径非常 小，相对于传统冷拉丝法制备的非晶金属丝直径小了近一个数量级，在当时操作 起来很困难。而如今由于科技的发展，人们已能够对微丝进行操作，更由于器件 小型化的需要，并且玻璃包裹钴基或铁基非晶丝同样具有优异的软磁性能和巨磁 阻抗效应以及结构的高度对称性，直径非常小，它可用于制作真正的微传感器【l 5 如各种g m i 传感器【l6 1 。同时由于外面包裹了一层绝缘玻璃，使得它们还具有防电 和防腐蚀等保护作用。另外，通过玻璃层的去留可以对合金丝内部磁结构施加影 响进而改善材料的软磁性能来满足各种研究和生产的需要等等。因此，近年来， 用t a y l o r 方法制备的非晶合金玻璃包裹丝开始引起广大科研工作者的关注。 目前，f e 7 35 c u l 0 n b 3o s m 5 8 9 合金是大家所熟悉的具有优异软磁性能的非晶 或纳米晶材料，通过对f e c u n b s i b 合金添加( c r 、m o 、v 等) 成分、删减某些成 分或改变组分含量、通过改变材料的磁致伸缩系数来改善软磁性能等方面的研究 也有了相当的报道，都不同程度地表现出了的优异软磁性能和良好的巨磁阻抗效 应【1 7 】。 由于非晶合金或纳米晶材料具有优异的软磁性能和巨磁阻抗效应，因此有着 广阔的应用前景。利用巨磁阻抗效应可制备具有灵敏度高、可靠性强和工作温度 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)非晶、纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究 范围宽等特点的各种磁、位置、压力、温度等传感器。例如用纳米磁传感器可直 接测量地球的磁场强度、磁偏角和磁倾角等，g m i 传感器可用于卫星定位系统， 可以制成全电子罗盘等。 1 2 非晶态合金和纳米晶合金 1 2 1 非晶态合金 非晶态合金是由熔融的液态金属经快速冷却而形成，晶态台金是由熔融的液 态金属以较慢的速度冷却，形成核并长大而得到。因此，非晶态材料与晶态材料 相比有两个最基本的特点，即原子排列不具有周期性和宏观上处于非热平衡的亚 稳态。非晶态固体表示不具有晶态结构的固体，即构成非晶态固体的原子或原子 团，没有任何的长程序，只在几个原子间距的区间内具有短程序。原子在三维空 间呈无序排列。无序并不是单纯的混乱，而是残缺不全的秩序。非晶态合金在宏 观上处于非热平衡的亚稳态。亚稳是指在同样外界条件下，非晶态合金比相应晶 态的能量高。温度高于或等于熔点的液态金属，其内部处于平衡态。从自由 能观点来看，当温度低于霸时，在没有结晶的情况下过冷，此时体系的自由能 将高于相应的晶态金属，故呈亚稳态。 处于非热平衡状态的物质是以某种亚稳态存在的。从原子排列的局部来看， 原子总是占据能量极小的稳定位置；而从整体来看，物质的结构并不一定满足能 量最小。每当温度升高或从外界获得能量时，原子的状态将从一个亚稳态跃迁到 另一个亚稳态，而且在此过程中，原子要占据那个亚稳态不仅与外界条件有关， 还与原子的固有性质有关。这时原子的状态只是暂时状态，而不是原子本来所应 有的状态，因为原子的状态总可以变为能量最低的热平衡状态。像这样处于非热 平衡亚稳状态的物质就称为非晶态固体。 非晶态合金的形成既与合金成分有关，也与凝固过程的冷却速率有关。非晶 态形成的过程就是避免晶相形成的过程，即避免原子重排的过程【1 9 1 。形成非晶 态合金的过程是：过热液态金属一过冷液态金属一非晶态合金，如图1 1 所示， 咒为转化温度。 2 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)非晶、纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究 t m 图l 一1形成非晶态台金的过程 f 培l - ln ep r o c e s so f f b 丌n i ga 】o r p h o u sa l l o y s 对特定成分的合金而言，只要冷却速度足够快，凝固过程中来不及结晶，就 会形成非晶态。严格说，冷却速度应大于某一个临界速度尼，使得冷凝下来的固 体中的结晶体积分数别、于1 0 一。对于不同材料，r 。是不同的。r 。越小的物质，形 成非晶态越容易。 非晶态固体的物理性质同晶体有很大差别，这同它们的原子结构、电子态以 及各种微观过程有密切联系。从结构上来分，非晶态固体有两类：一类是成分无 序，在具有周期性的点阵位置上随机分布着不同的原子或者不同的磁矩；另一类 是结构无序，长程序的周期性完全被破坏。但近邻原子有一定的配位关系，类似 于晶体的情形，因而仍然有确定的短程序。例如，金属玻璃是无规密积结构，而 非晶硅是四面体键组成的无规网络结构。 非晶合金由于其独特的无序结构，并兼有一般金属和玻璃的特性，使得它在 物理、化学及机械性能上表现出一系列优异的特性很高的耐腐蚀性、抗磨性、 较好的强度和韧性、理想的磁学性能，如f e 基非晶合金是非晶软磁合金中饱和磁 感最最高的；c o 基非晶合金的饱和磁致伸缩系数接近于o ，因而具有极高的初始 磁导率和最大磁导率，很低的矫顽力和高频损耗。 非晶软磁合金不但具有优异的综合软磁性能，还表现出一些特殊的物理效应： 大巴克豪森效应，马特西效应、巨磁阻抗效应、超声延迟效应、因瓦效应、艾林 瓦效应和超导电性等。所以，非晶态合金具有多方面用途 2 0 。 3 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)非晶、纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究 1 2 2 纳米晶合金 纳米科学技术是2 0 世纪8 0 年代中后期逐渐发展起来的，融介观体系物理、 量子力学等现代科学为一体并与超微细加工、计算机、扫描隧道显微镜等先进工 程技术相结合的多方位、多学科的新科技。它是在1 1 0 0 n m 尺度上研究原子、 分子的行为与规律。 纳米晶软磁合金是2 0 世纪8 0 年代末在非晶合金基础上发展起来的高技术新 材料。 非晶态是一种亚稳态，在一定条件下会发生晶化，而转变为稳定的晶态。非 晶合金的晶化包括两个方面：一是在制备中( 快速凝固) 可能发生的结晶过程， 二是在随后的热处理中的晶化过程。二者都受成核与晶体生长两个阶段的控制， 都是相变过程。不同点在于：前者是在乓的整个冷却过程当中进行的，扩 散速度随温度下降而急剧下降，过冷度由0 变为疋，相变驱动力随温度下 降而加大，其结果与非晶形成能力密切相关；后者是在足以下温度进行的，属 于固相内的扩散，过冷度很大，因此相变驱动力很大。纳米晶材料的几种常用制 备方法： 1 非晶晶化法 这是目前较为常用的方法，非晶材料，经过适当热处理，如采用高温退火、 直流退火、脉冲电流等退火处理，晶化成具有约1 0 m 晶粒尺寸的纳米晶材料。 这种方法为直接生产大块纳米晶合金提供了新途径。近年来f e s i b 体系的磁性 材料多由非晶晶化法制备。 制备铁基纳米晶合金f e 7 3 5 c u l 0 n b 3o s i l 35 8 9o 合金经不同温度退火后的x 射 线衍射谱【2 l l 表明，在制备态时样品谱线为展宽的非晶谱，在退火温度为4 8 0 时 开始出现a f e ( s i ) 纳米晶粒，利用谢乐公式估计晶粒尺寸在1 0 1 5 n m 。随着退火 温度升高，纳米晶粒所占的体积分数逐渐增加，继续升高退火温度到6 2 0 左右， 可以比较明显地看到合金内已析出f e b 硬磁相，晶粒度大于5 0 n m 。 对非晶合金( 非晶条带) 常采用高密度脉冲电流处理使之晶化。与其它晶化 法相比，这一技术通过调整脉冲电流参数来控制晶体的成核和长大，以形成纳米 晶，而且由脉冲电流所产生的试样温升远低于非晶合金的晶化温度。 不过，此法制备的纳米晶与用其它方法制备的纳米晶相比，界面组元有所不 同：存在一定数量的亚晶界，晶粒内部也存在较多的位错。 2 压力合成法制各纳米晶体 ( 1 ) 深度范性形变法 4 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)非晶、纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究 这是由i s l 锄g a l i e v 等人于1 9 9 4 年初发展起来的独特的纳米材料制各工艺， 材料在准静态压力的作用下发生严重范性形变，从而将材料的晶粒细化到亚微米 或纳米量级j 。 ( 2 ) 压淬法制各纳米晶体 利用在结晶过程中由压力控制晶体的成核速率、抑制晶体生长过程，通过对 熔融合金保压急冷( 压淬) 来直接制备块状纳米晶体，并通过调整压力来控制晶 粒的尺度，如块状p d s i c u 和c u t i 等纳米晶合金。 与其他纳米晶制备方法相比，它有以下优点：直接制得纳米晶，不需要先形 成非晶或纳米晶粒；能制得大块致密的纳米晶；界面清洁且结合好；晶粒度分布 较均匀。 3 沉积方法制备纳米薄膜 此法作为一种常规的薄膜制备手段被广泛应用于纳米薄膜的制各与研究，包 括蒸镀、电子束蒸镀、溅射等。这一方法主要通过两种途径获得纳米薄膜： ( 1 ) 在非晶薄膜晶化的过程中控制纳米结构的形成； ( 2 ) 在薄膜的成核生长过程中控制纳米结构的形成，其中薄膜沉积条件的 控制和在溅射过程中，采用高溅射气压、低溅射功率显得特别重要，这样易于得 到纳米结构的薄膜。 纳米晶材料的主要检测手段有：x 射线衍射( m ) 、电子显微镜、扫描隧 道显微镜( s 1 m ) 、原子力显微镜( a f m ) 、磁力显微镜( m f m ) 等等。 纳米晶材料的特性：纳米晶材料由于晶粒极微小，晶界所占的比例就相应的 增大。纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。纳米晶材 料因其超细的晶体尺寸( 与电子波长、平均自由程等为同一数量级) 和高体积分 数的晶界( 高密度缺陷) 而呈现特殊的性能，例如其力学性能远高于其通常多晶 状态。 纳米晶微粒之间能产生量子输运的隧道效应、电荷转移和界面原子耦合等作 用，故材料的物理性能异常于通常材料。纳米晶导电金属的电阻高于多晶材料， 因为晶界对电子有散射作用，当晶粒尺寸小于电子平均自由程时，晶界散射作用 加强，电阻及电阻温度系数增加。纳米晶材料的磁性也不同于通常多晶材料，纳 米铁磁材料具有低的饱和磁化强度、高的磁化率和低的矫顽力。其他性能，如超 导临界温度和临界电流的提高、特殊的光学性质等也是引人注目的。 1 3 巨磁阻抗效应 巨磁阻抗效应反映的是材料的弱场交流磁化随外加磁场的变化，它是一种与 外磁场相关性很强的交流电子传输现象。它主要取决于外加电流( 驱动场) 的影 5 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年) 非晶、纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究 响和材料本身的磁性能，施加外磁场会引起材料的有效磁导率发生很大变化，而 磁导率的变化会引起材料阻抗发生变化。 1 3 1 巨磁阻抗效应的基本理论 1 3 1 1 趋肤效应的观点 认为g m i 效应的出现是由于高频率下趋肤效应的结果。当射频电流( a c ) 流过导体时，由于趋肤效应，电流主要集中在导体表面，电流的趋肤深度 其中为电流角频率，为丝的环向磁导率，d 为电导率。在非铁磁材料中， “与频率和外加直流场无关，而铁磁材料的磁导率不但与射频电流角频率和a c 磁场幅度有关，而且还与其它参数有关，如外加直流场的大小与方向、机械应变、 温度等。软磁材料的g m i 效应与其磁导率和外加直流场密切相关。实际上基于 趋肤效应的理论模型要描述g m i 效应的各种现象是困难的。 目前，提出的几种g m i 效应的理论的主要任务都是寻找有效切向磁导率的近 似公式，以描述在轴向a c 电流的激励下特定磁畴结构的响应。畴壁移动和磁畴 转动均对磁导率有贡献，由于这些模型没有考虑与磁化运动的动态效应，所以只 有在低频情况下使用。随激励频率的升高，涡流对畴壁移动的阻尼增加，对磁导 率的贡献就主要以磁畴转动为主。磁畴结构的观察表明在高于1 m h z 时畴壁几乎 是静止不动的。因此，高频情况下，只考虑磁畴转动的理论是合理而方便的。 在上面提到的g m i 理论模型中，交换作用都被忽略了。由于交换耦合作用迫 使近邻电子的自旋方向平行排列，这对趋肤效应具有反作用。铁磁材料中交换耦 合作用对趋肤效应的影响己用铁磁共振理论研究。 等效电路方法可以用来对 讧i 效应进行解释。 从前面的介绍知道，在高频时，由于显著的趋肤效应，涡流对磁性导体的影 响与很多因素有关，如微观磁畴结构、动力学等，所以要精确解析g m i 效应很困 难。近来，表征材料的频率特性的等效电路法，被移用于g m i 效应的研究，主要 步骤： 1 ) 在激励场整个频段内测量材料的频率响应； 2 ) 用等效电路模拟材料的效应； 3 ) 将等效电路元件与材料的物理参量联系起来，作出合理解释。 对于处理磁性系统更有用的方式是用参数电感l = l f + 叫来研究磁特 性，复数电感可以直接由复数阻抗求得它们之间的转换关系是 6 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年) 非晶、纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究 + = 伽j z + ( 1 2 ) 其中是角频率，是复数虚部符号，该转换关系导致电感的实部对应阻抗 的虚部，电感的虚部对应阻抗的实部。故与磁化磁导率有关的现象与l | 有关， 而与损耗有关的效应则与有关，这样首先在整个频段内测试阻抗的实部与虚 部，然后就可以用能表示材料特性的相关等效电路来分析巨磁阻抗效应。对于小 的负磁致伸缩系数的非晶丝，可以用凡l 。串联电路分支与r p l p 并联电路分支的 串联来很好地近似表示如图卜2 所示。 图卜2g m i 等效电路圈 f 培1 2 e q u i v a l e n tc i r c u nd i a 掣唧o fg m i 图中，r s 表示丝的电阻，l 。与磁导率的畴转分量有关，l p 代表磁导率的畴壁 位移分量，与畴壁的粘滞阻尼系数的倒数有关。电路方程为： z ，= r 。+ r ，工。，。俾，+ 。三。，)( 1 3 ) z 。= o 三。+ 胄2 ，三，( r 乙+ 三0( 1 4 ) 其中z ，和乃分别是阻抗的实部和虚部。 通过等效电路，非晶丝阻抗的频率特性可以理解为：在低频时两个电感项 l 。和l p 的阻抗l 。和b 可以忽略，电路中的电流只受电阻项的影响，非晶丝阻 抗几乎与非磁性单元一样；随着频率的增加l 。和l p 引起的阻抗也随之增加，对 串联分支，这会导致阻抗虚部l 。的线性增加，但是在并联分支，却由于l p 增 大到能与r p 相比拟，而得到一个临界条件，当l ，& 时电路呈现色散特征。如 果用复数磁导率表示的话，实部减小到低频时的1 2 ， 而与损耗有关的虚部则出 现最大值。 g m i 效应的一个重要特点就是阻抗随外加磁场的增加急剧减小，外加磁场强 烈地阻碍圆周畴壁位移，起主要作用的还是磁化转动机制，它使圆周磁导率减小， 从而出现阻抗效应。在高磁场下非晶丝磁化达到饱和，此时磁化过程全部为磁矩 转动。根据等效电路模型，外磁场的作用可以理解为使l p 的值减小。对高场情形 非晶丝仅等效为串联电路，此时阻抗的实部分量是电阻风，虚部分量是l s ( 畴 转磁导率) 。 对于电性能均匀的材料( 丝、条带、薄膜等) 和电性能不均匀的多层复合结 构材料，巨磁阻抗效应的机理有所不同。 7 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年) 非晶、纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究 1 3 1 2 均匀磁化和非均匀磁化 芟梳阻抗z 的韧理机制采源于经典电动力学， z = r ( 国，( 卯，日呵) ) + 。( ，( ，圾) )( 1 5 ) 实部反映损耗部分，而其虚部则反映导体电感部分。磁性导体的磁阻抗可通 过m a x w e l l 方程和l a u d a u l i f s h i t z 运动方程得到。 1 均匀磁化 对于丝、带、薄膜等电性能均匀的材料，针对其交流磁化过程，m o l l r i 等人 考虑趋肤效应后，对其巨磁阻抗效应做出解释口3 1 。 以形状简单的丝材为例，设一长为，半径为目的丝状样品，当通有圆频率 为国的交变电流，= 厶e x p ( 一- ，f ) 时，考虑均匀磁化，其阻抗表达式为 z = 矗+ 弘2 如，等1 鲁器 s ， 其中七2 警，民2 面为趋肤深度，= 五为直流电阻，山和以分别 为零阶和一阶占p 船8 ，函数。 在低频情况下，将上述阻抗表达式进行级数展开，得到： 肌也l1 + 击如2 加2 ( 1 ，) 鼽屹l 一；叩i ( 1 s ) 在高频情况下，则有： 肌鼽如。詈j 半 ( 1 9 ) 对于薄带或薄膜，设长度为，厚度为口，宽度为6 ，阻抗表达式为 z = 屹伽c o 也( 廊) ( 1 1 0 ) 低频时： r “如 + 嘉如2 咖2 肌如i 一；矿叩a ( 1 - z ) 8 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)非晶、纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究 高频时： 呱d 浮 ( 1 ，1 3 ) 由以上的均匀磁化，可以推广到由于存在磁畴结构而引起的非均匀磁化情 况。畴壁移动引起的微观涡流导致以中出现和频率有关的复数磁导率。复数磁 导率描述了涡流对畴壁移动的抑制，而这种抑制通过弛豫频率国。表征。如果磁 化过程既有畴壁移动也有磁矩旋转，和磁矩旋转的有关的涡流损失也会出现，它 通过另一个驰豫参量。，描述。一般来说，磁矩旋转的驰豫过程进行得比较快， 国。 垃7 d w 。在相对较低的频率下，国 n k ，磁导率随着频率增大而下降，主要 是和畴壁移动的涡流损失有关。 2 丝在非均匀磁化情况下： ( 1 ) 低频情况( 口“瓯，国 国d w ) ： 有效圆周磁导率以频率的一阶展开给出 心= 以+ 4 ，r ，z 量国“ ( 1 1 4 ) 其中层是静态圆周磁导率，阻抗和频率的关系通过用静态磁化率拣表征的畴壁 磁化来控制。阻抗z 和频率有关的项保留到国2 项，式( 1 7 ) 变为 z = 屹m 小卅2 忙厶， 2 司云 ( 1 1 5 厶= 成，2 从式( 1 1 1 ) 中可以看到，低频下z 和也的关系和丝的内部自感厶有关，自 感和静态圆周磁导率越成比例。 ( 2 ) 高频情况( 4 ，氏) ： 式( 1 6 ) 的高频展开以及复磁导率心可以写成以下形式 z = 足( d 2 艿) ( 佤一j 瓦1 ， 如= l 心j + 群，( 1 1 6 ) 盹= l 心卜_ 彬 其中艿= c ( 2 万俐r 是非磁性介质的趋肤深度，c 为光速。从式( 1 1 6 ) 可以看 出高频下z 的电阻项和电感项都和磁导率有关并且都对z 但j 有贡献。 1 3 1 3 低频和高频下的巨磁阻抗效应 9 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)非晶、纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究 当交变电流，= l e x p ( 一，国f ) 流过磁性导体时，会产生一个横向磁场，并且引 起相应的交流磁化过程。旋加外磁场必然影响此交流磁化过程，引起材料的阻抗 变化。这是磁阻抗效应的物理基础。 在低频下，趋肤效应比较弱，横向磁化的变化会在导体两端产生一个附加的 感生电压k ：y = 脚+ 砟( r 为直流电阻) 。对于丝状样品，由于频率较低，式 ( 1 7 ) 中和磁导率有关的部分志甜4 2 2 盯2 0 ，经适退火处理后，得到纳米晶。在退 火温度为4 8 0 时开始出现d f e ( s i ) 纳米晶粒( 九s d ( l “为交换相关长度，d 为晶粒大 小) ，平均磁晶各向异性大大减小，另外a f e ( s i ) 纳米晶相的磁致伸缩系数n 0 ( 扎 - 5 1 0 6 ) ，而非晶相的磁致伸缩系数沁= 2 0 1 0 一，根据扣c 【九1 + ( 1 一a ) 沁， 式中c 【为晶粒体积分数比，于是旺一f e ( s i l 的增加使得原来磁致伸缩系数为正的 f e 7 35 c u l n b 3 s i l 35 8 9 玻璃包裹丝的总磁致伸缩系数变小。退火温度处于5 7 0 时， 晶粒与剩余非晶相之间达到最佳的体积分数比，这时的软磁性能达到最佳。 3 2 铁基纳米晶玻璃包裹丝的g m i 效应 图3 2 是金属芯直径为3 8 岫的纳米晶丝在不同频率下的磁阻抗随外场的变 化曲线。从图中可以看出，驱动电流频率较低时，磁阻抗比随外磁场增加单调下 降，曲线表现为单峰，当频率较高( 高于5 ) 时，磁阻抗变化曲线出现双峰。 s 刘 h ( o e ) 图3 - 2 金属芯直径为3 8 m 的f e 7 35 c “l n b 3 s i l 3 5 8 9 纳米晶玻璃包裹丝的磁阻抗比随外磁场的变 化曲线 f i g ，3 - 2 f i e l dd 印e n d e c eo f z ，z v a l u e so f f 0 7 35 c ”l n b 3 s i l 35 8 9m i c r o w i r ew 【hm e t a l l i cc o r e 3 8 p mi nd i 跚e t e rt e 咖d a td i f r e r e n t