（凝聚态物理专业论文）软磁合金薄带中的巨磁阻抗效应分析.pdf

摘要 随着信息技术的发展，人们对磁传感器件和存储器件提出了越来越高的要 求。1 9 9 2 年，日本名古屋大学的k m o h r i 教授等人首先在c o f e s i b 非晶丝中发 现了巨磁阻抗效应( g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c e ) ，当材料通以交变电流，材料的交 流磁阻抗随着一个很小的外加直流磁场的变化而产生大而灵敏的变化，由于这种 变化响应快，灵敏度高，无磁滞，因而具有极大的应用前景，迅速得到了世界各 国学者的高度重视，成为现代磁电子学的研究热点之一。目前，随着对g m i 的 研究工作越来越深入，所研究的材料从细丝扩展到了薄带、薄膜、多层膜，从 c o 基非晶扩展到f e 基纳米晶，并已经制成了可以实用的传感元件。 分析臣磁阻抗效应的物理机制以及影响因素，对寻找和制备具有更好巨磁阻 抗效应的材料具用重大的指导意义。围绕这一目的，本论文分别从实验和理论两 方面对软磁合金薄带中的巨磁阻抗效应做了详细的研究： 一、非晶薄带与纳米晶薄带中的巨磁阻抗效应的实验研究： 用快淬甩带法制备t ( c o o8 5 f e o0 6 n b o0 2 n i o0 7 ) 7 5 s i l o b l5 非晶薄带，测量了其在 不同外加直流磁场、电流频率下的电阻、电抗和阻抗值，对数据进行分析得到了 ( c o os s f e o0 6 n b o0 2 n i o0 7 ) 7 5 8 i l o b l5 非晶薄带的阻抗频谱、磁阻抗效应频谱、阻抗随 外场的变化、巨磁阻抗效应随外场的变化规律。制各了f e s 4 z r 20 8 n b f9 2 c a i b 【f 薄 带，经5 7 0 7 5 0 真空退火，使材料发生晶化，析出a f e 纳米晶微粒，形成 f e 8 4 z r 2 。8 n b 】9 2 c u l b 纳米晶软磁薄带。测量了电阻、电抗与阻抗并分析了 f e 8 4 z r 2 , 0 8 n b i9 2 c u l b l 【纳米晶软磁薄带的巨磁阻抗效应与外场、电流频率以及退 火温度之间的关系。总结了软磁薄带中的巨磁阻抗效应规律。 我们实验发现软磁薄带低频下发生巨磁电感效应，高频下发生巨磁阻抗效 应。g m i ( z ) 在一定频率附近存在最大值，此频率可看作最佳工作频率。 g m i ( x ) 、g m i ( z ) 、g m i ( r ) 三者在某频率处相交，交点接近g m i ( z ) 的最大 值。巨磁阻抗效应随外场的变化会出现一个峰值，这是由于横向磁各向异性的缘 故。( c o o8 5 f e o0 6 n b o0 2 n 讯7 ) 7 5 s i i o b l 5 非晶薄带的最大巨磁阻抗效应值在外场等于 6 5 0 e 时可达到5 2 。f e 8 4 z r 2o s n b l9 2 c u l b l l 纳米晶薄带最佳退火温度在7 2 5 6 c ， 巨磁阻抗效应在外场为9 0 0 e 最大可达5 8 。 二、对软磁薄带中的臣磁阻抗效应的计算模拟： 运用磁导率与电流频率之间的弛豫理论对巨磁阻抗效应的频率依赖性做了 分析，并同实验结果进行了比较。讨论了材料的驰豫频率、磁导率、电阻率以及 薄带的厚度对巨磁阻抗效应的影响，对应用中可能的情况做了分析。考虑薄带的 磁畴结构与磁化过程，进一步讨论磁导率在巨磁阻抗效应中的作用，并研究薄带 巨磁阻抗效应的外场依赖性。 计算模拟表明：巨磁阻抗效应与材料磁导率随外场的变化密切相关。材料电 阻率的减小以及初始磁导率的增大可以使峰值向低频移动。改变材料的厚度可以 使g m i ( z ) 的峰值向低频移动且数值变大。当外场。等于各向异性场h 。时，材 料的磁化机制从磁畴壁移转到磁畴转动，磁导率随磁场的变化出现峰值。 关键词：非晶薄带纳米晶薄带巨磁阻抗效应计算模拟 h a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ed e m a n d s a r er e q u i r e dt ot h em a g n e t i cs e n s o r sa n dm a g n e t i cr e c o r d i n gi n s t r u m e n t s i n 1 9 9 2 ， p r o f e s s o rm o h r ie lf i r s t l yf o u n dg i a n tm a g n e t o i m p e d e n c ee f f e c ti nc o - b a s e ds o f t m a g n e t i cc o f e s i bw i r e s w h e na cc u r r e n tf l o w si nt h em a t e r i a l ，t h ea cv o l t a g e b e t w e e nt h et w oe n d so ft h ew i r ec h a n g e sg r e a t l ya n ds e n s i t i v e l yw i t has m a l ld c m a g n e t i cf i e l da l o n gt h el e n g t ho ft h ew i r e ，b e c a u s eo ft h er a p i dr e s p o n s e ，h i 曲 s e n s i t i v i t y a n dn o n e h y s t e r e s i sl a g ，t h i s e f f e c th a s g r e a ta p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d ， a t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o no ft h er e s e a r c h e r sa l lt h ew o r l d ，a n db e c a m eo n eo ft h em o s t a c t i v e h o t s p o ti nm a g n e t i ce l e c t r o n i c s a tt h ep r e s e n tt i m e ，p e o p l eh a v ea c h i e v e d m a n yp r o g r e s s e si nt h er e s e a r c hw o r k a b o u tt h eg m ie f f e c t t h em a t e r i a l ss t u d i e dh a s b e e ng r e a t l ye x p a n d e d ，f r o mt h eo r i g i n a lw i r e st ot h et h i nr i b b o n s ，t h i nf i l m s ，a n d m n l t i p l a y e rf i l m s f r o mt h ec o - b a s e da m o r p h o u sa l l o yt ot h ef e - b a s e dn a n o - c r y s t a l a l l o y i ti sr e p o r t e dt h a ts o m ea p p l i c a b l ed e v i c e sh a v eb e e nm a n u f a c t u r e d a n a l y z i n g t h em e c h a n i c so fg m ie f f e c ta n dt h ed e p e n d e n c eo f p h y s i c a lf a c t o rt o i ta r ev e r yi m p o r t a n ta n ds i g n i f i c a n tt og u i d et h ep r e p a r a t i o no ft h eg m im a t e r i a l s f o rt h i sp u r p o s e ，w ed os o m es y s t e m a t i cs t u d ya b o u tt h eg m ie f f e c to fs o f tm a g n e t i c r i b b o n sb o t hi ne x p e r i m e n ta n dt h e o r y , 1 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f t h eg m ie f f e c ti n ( c o o s s f e o0 6 n b 0 0 2 n i o0 7 ) 7 5 s i l o b i 5 a m o r p h o u s t h i nr i b b o n sa n df e z r n b c u bn a n o c r y s t a lt h i nr i b b o n s w e p r e p a r e dt h e ( c o os s f e oo s n b o0 2 n i o0 7 ) 7 5 s i l 0 b i 5a m o r p h o u st h i nr i b b o n sb ya r a p i dq u e n c h i n gp r o g r e s s ，m e a s u r e dt h er e s i s t a n c e ，i n d u c t a n c e a n di m p e d a n c ei n d i f f e r e n to u t e rm a g n e t i cf i e l da n dc u r r e n t f r e q u e n c y ，a c h i e v e d t h e s p e c t r u m o f i m p e d a n c e ，t h es p e c t r u m o fm ia n dt h ed e p e n d e n c eo fg m iv i ao u t e rm a g n e t i cf i e l d w ep r e p a r e dt h ef e s 4 z r 2o s n b i9 2 c u l b t lt h i n r i b b o n s ，a n n e a l e d i t v a c u u m l y i n 5 7 0 7 5 0 a n dm a d ei tn a n o c r y s t a lr i b b o n s w em e a s u r e dt h er e s i s t a n c ei n d u c t a n c e a n d i m p e d a n c e ，a n a l y z e d t h e r e l a t i o n s h i p o fg m ie f f e c ta n d f r e q u e n c y ，o u t e r m a g n e t i cf i e l da n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r e w es u m m e du pt h er u l eo fg m ie f f e c ti n i i i s o f tm a g n e t i cr i b b o n s w ef o u n dt h a tt h eg i a n t i n d u c t a n c ee f f e c to c c u r r e di nl o wf r e q u e n c ya n dt h e g i a n t - i m p e n d e n c e e f f e c to c c u r r e di n h i g hf r e q u e n c y - g m i ( z ) h a sm a x i m u mi n c e r t a i nf r e q u e n c yw h i c hc a db ec o n s i d e r e d a st h em o s te f f e c t i v ef r e q u e n c y g m i ( z ) ， o m i ( r ) ，g m i ( x ) i n t e r s e c ta t c e r t a i nf r e q u e n c yw h i c hi sn e a rt h ef r e q u e n c yo ft h e m a x i m u m t h ec u r v eo f g m i ( z ) a n do u t e rm a g n e t i cf i e l dh a sa l la p e xw h i c hi s c a u s e db yt h et r a n s v e r s a la n i s o t r o p y c h a r a c t e r t h em a t e r i a l sh a v ea no p t i m a l a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e a tw h i c h w i l lc a u s e d g r e a t e s t g m ie f f e c t i n f e s 4 z r 20 8 n b i9 2 c u 【b iin a n o c r y s t a l t h i nr i b b o n si ti s7 2 5 - e t h em a x i m u mi n ( c o o8 5 f e 00 6 n b 00 2 n i 00 7 ) 7 5 s i l 0 b t 5 a m o r p h o u s r i b b o n s i s 5 2 ( h 2 6 5 0 e ) ，a n d f e b 4 z r z o a n b i9 2 c u t b un a n o c r y s t a lt h i nr i b b o n si s5 8 ( h 5 9 0 0 e ) 。 2 t h en u m e r i c a la n a l y s i so fg m ie f f e c ti ns o f tm a g n e t i cr i b b o n s w eu s e dt b , er e l a x a t i o nm o d e lo fp e r m e a b i l i t yt oa n a l y z et h ed e p e n d e n c eo ft h e g m ie f f e c ta n d 矗e q u e n c y ，c o m p a r e dt h et h e o r e t i c a lr e s u l tw i t ht h ee x p e r i m e n t ，a n d d i s c u s s e dt h ei n f l u e n c e so fr e l a x a t i o n f r e q u e n c y ，p e r m e a b i l i t y ，r e s i s t i v i t y a n d t h i c k n e s so fr i b b o n s ，c o n s i d e r e dt h em a g n e t i cd o m a i na n dt h em a g n e t i z a t i o np r o g r e s s w ed i s c u s s e dt h ef u r t h e rr o l eo ft h ep e r m e a b i l i t ya n ds t u d i e dt h ed e p e n d e n c eo fg m i e f f e c ta n do u t e r m a g n e t i c f i e l d t h er e s u l t so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s e si n d i c a t e ：t h eo r i g i no fg m ie f f e c ti st h e r e s p o n s eo fp e r m e a b i l i t yt ot h eo u t e rm a g n e t i cf i e l d t h ed e c r e a s eo fr e s i s t i v i t y ，t h e i n c r e a s eo fs t a t i cp e r m e a b i l i t ya n de n l a r g et h et h i c k n e s sc a r lc a u s et h es h i f tt ol o w f r e q u e n c yo f t h ea p e x t h ea p e x i nt h ec u r v eo fg m ie f f e c ta n do u t e rm a g n e t i cf i e l di s r e l a t i o nt ot h es t r u c t u r eo ft h em a g n e t i cd o m a i n w h e nt h eo u t e rm a g n e t i cf i e l d 疗。e q u nt ot h ea n i s o t r o p yf i e l dh ，t h ec u r v eo fp e r m e a b i l i t ya n do u t e rm a g n e t i c f i e l dh a sa l la p e x k e yw o r d s ：a m o r p h o u s t h i nr i b b o n s n a n o c r y s t a lt h i nr i b b o n s g i a n t m a g n e t o i m p e d e n c e e f f e c tn u m e r i c a l a n a i y s i s 原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：! ! ，竺坚 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：坦导师签名：邋日期： 山东大学研究生毕业论文 1 1 引言 第一章综述 随着信息技术的发展，人们对传感器件和存储器件提出了越来越高的要求， 一般的霍尔元件和磁阻元件己难以满足需求。1 9 8 8 年，b a i l i c h 首先在f e l c r 超 晶格中发现样品的电阻率随磁场增加而下降的现象，这一负磁电阻效应被称为 巨磁电阻效应( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 。由于可以利用样品的巨磁电阻 效应来制备信号读出磁头、磁存储器和磁传感器，因此巨磁电阻效应的研究近年 发展十分迅速，目前g m r 效应的研究主要集中在金属多层膜和颗粒膜材料上 2 - 5 1 。已发现的具有较强g m r 效应的f e c r 多层膜系统，它在4 k 温度下的磁电 阻比a r o = ( g o r h ) r o = 1 5 0 ，其中r 0 表示零磁场下的样品电阻值，r h 为磁场 下的样品电阻值，室温下c o c u 多层膜系统彳r r o = 6 5 ，他们的饱和磁场分别 是2 1 0 4 0 e 和1 0 4 0 e ，磁电阻随磁场变化的灵敏度不超过2 o e 4 1 。并且g m r 效应主要在低温下明显，这使得在应用上有较大的局限性，但是目前人们还是在 g m r 效应研究上取得了很大的进展。应用g m r 效应的自旋阀已经接近实用。 最近在钙钛矿型氧化物中发现了在金属绝缘体相变温度呈现大磁电阻效应 f c o l i s s a lm a g n e t o r e s i s t a n c e ，c m r ) ，也成为较活跃的研究领域之一，发现材料 的电阻的变化可以达到1 0 8 数量级但是c m r 效应也有一个共同的缺点，就 是其饱和场较高。 1 9 9 2 年，日本名古屋大学的k m o h r i 教授等人在c o f e s i b 非晶丝中发现材料 的交流磁阻抗随外场变化而产生大而灵敏的变化的现象【7 j ，称之为巨磁阻抗效应 r g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c e ) 。最初对这一现象的研究最多的是具有零或负磁致伸 缩系数的c o 基软磁合金非晶丝【7 - 1 0 l 。当细丝通以交变电流时，细丝两端感生的 交变电压随着丝长方向所加的一很小的外磁场的变化而灵敏变化，在趋肤效应可 以忽略的低频情况下，阻抗中的电阻分量受外磁场影响很小，交流电压的磁场关 系主要来自细丝的电感分量，因而这时称巨磁电感效应。高频下，趋肤效应发生 作用，这时阻抗中的电阻分量和电感分量同时受外磁场影响，而成为巨磁阻抗效 应，接近零的磁致伸缩系数的非晶丝在室温下电压变化可达3 6 0 】，灵敏度达 山东大学研究生毕业论义 1 2 1 2 0 o e ，经适当退火，最高可达1 7 0 0 o e f 他i ，而它们的饱和磁场只有几十 o e 。虽然g m i 和g m r 效应的实际应用的结果很类似，但两者的物理起源却是 完全是不同的。与普通的传感器相比，利用g m i 效应制成的传感器响应要快的 多。比如通量门传感头具有较高的灵敏度，响应频率有几于赫兹，而g m i 效应 元件的响应频率耍比它高几个数量级。并且除了它的高灵敏度、低饱和场、响应 快趵特点，还具有无磁滞、稳定性好的优势。利用g m i 效应制作的传感头可_ 以 具有磁阻磁头的所有优点，即它探测的是磁通量而不是磁通量的变化，同时它与 被测面间可以是非接触的，比磁阻磁头有更大的空隙，这对实际应用是很有益的， 总之，利用g m i 效应制作的传感头有高灵敏度、低饱和场、响应快、无磁滞、 稳定性好的优点，所以极具广阔的应用前景，目前国内外该领域的研究十分活跃， 成为现代磁电子学的研究热点【7 越】。 1 。2 巨磁阻抗效应的研究进展情况 目前，对g m i 的研究工作越来越深入，材料从细丝扩展到了薄带 1 6 q8 l 、薄 膜、9 2 ”、多层膜2 2 。“，从c o 非晶扩展到f e 基纳米晶2 j 一：7 1 。并已经制成了可 以实用的传感元件。 1 2 1 软磁非晶丝 人们首先研究的就是c o f e s i b 非晶丝 7 1 。它可以作为研究巨磁阻抗效应的最 典型的材料，因为它在适当的组分下具有非常好的软磁特性，磁致伸缩系数接近 于零t 约等于1 0 1 ) 。l v p a n i n a 等人发现在低频( 1 1 0 k h z ) 时丝两端电压下降 了5 0 ，灵敏度是2 5 0 e ，这反映了圆周磁导率随外场灵敏变化。在较高一些 的频率( o 1 1 0 m h z ) ，此时趋肤效应显著，当外加3 1 0 0 e 的场时，丝的总电 压降大约是4 0 6 0 ，灵敏度约1 0 o e 。图1 ，l 是两种退火得到的非晶丝的 两端交流电压与外场h e x 的关系曲线”1 。这些效应随外磁场变化不出现磁滞现 象，并且能在1 m m 长和几个微米直径的非晶丝得到，这对制作探测数量级为 1 0 5 0 e 的弱磁场的高灵敏度微传感器非常重要。 山东夫学研究生毕业论文 场与各向异性场相等的附近，这一事实可以用作估计非晶材料的磁致伸缩系数。 他们还研究了f e 7 35 s 沁5 8 9 c u l n b 3 丝的g m i 效应 2 6 。研究中发现其g m i 效 应与材料的纳米结构有关，具有小的电阻率的性能良好的这种纳米材料对g m i 效应来说是非常诱人的。通过适当的退火处理，可以改变这种纳米材料的结构， 使其获得圆周磁导率u 和电阻率p 有一个良好的组合，以期获得大的g m i 效应。 1 2 2 软磁非晶薄带和薄膜中的g m i 效应 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，下 图是g v k u r l y a n d s k a y a 等研究f e 3 c 0 6 7 c r 3 s i 】5 8 1 2 非晶薄带在3 5 0 。c ，1 3 2 0 m p a 条件 下i 小时后在不同外场下的磁畴结构2 9 1 ，可以看到当外场为零时薄带有着条形或 v 形的磁畴结构，随着外场的变化，磁畴结构将发生变化，当外场为1 2 2 5 a m 时，磁畴结构变成了斑片( p a t c h ) 状。并且随着这种磁畴结构的不规则性的增 强，他们发现g m i 效应也随之增强。 f f = 3 2 0 u 图1 3f e 3 c 0 6 7 c r 3 s i l 5 b 】2 非晶薄带在不同外场下的磁畴结构2 9 ( 3 5 0 ，1 3 2 0 m p a ，1 h ) 山东大学研究生毕业论文 图1 4 给出了l b r u n e t t i ；f f l e t i b e r t o 等人得到的c 0 62 5 f e 45 s i l 2 2 5 8 15 薄带的巨磁阻 抗效应在不同电流退火条件下随外场的变化曲线p ，可以看到当电流密度i _ 9 1 0 6 a m 2 的时候，材料的巨磁阻抗效应最大，降低或升商都将使巨磁阻抗效应变 弱。 - 7 5 0 0 5 0 0 0 2 5 0 002 5 0 0 5 0 0 0 7 5 0 0 h ( a m ) 圈14c 0 6 二5 f e 4 ；s i i , 2 5 8 15 薄带的巨磁阻抗效应在不同退火条件下 随外场的变化曲线【3 0 】 在非晶薄带中出现g m i 效应的最佳条件是：软磁性能好( s = o ) ，并进行适 当的热处理以感生横向各向异性口”。另外，样品的长度对g m i 效应也有很大的 影响 3 2 , 3 3 。 r l s o m m e r 和c l c h i e n 3 4 】研究了薄膜中的g m i 效应，薄膜的组分是 f e 7 35 s i l 35 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( 当外加场平行与电流方向即材料的长度方向为纵向，垂直为横向) ， 而且还发现其有横向g m i 效应。 通过在制备过程中或随后的热处理过程中采用一些工艺手段，可以在薄膜中 获得较强的感生各向异性”5 1 。g a r c i a 等人 3 6 1 在研究钴基非晶薄膜的感生各向异 性对g m i 效应的影响时采用两种不同的方法获得感生各向异性。一种方法是在 溅射制膜时将基片弯曲，这样当薄膜制备完成后，其内部存在有压应力，压应力 与c o f e b 非晶膜负的磁致伸缩效应相耦合便会产生横向各向异性：第二种方法 加 。 伸 器n ，z 叼 山东大学研究生毕业论文 是将薄膜在横向直流或交流磁场下退火。图1 5 为不同处理状态下的薄膜样品的 磁畴结构。从图1 5 中可以清楚地看到制备态的样品具有纵向各向异性；交流磁 场下退火的样品具有螺旋状的各向异性；而应力处理的样品和直流磁场下退火的 样品则具有横向各向异性。相比较而言，直流磁场下退火的样品的横向各向异性 更加明显。图1 6 为与图1 5 中样品相对应的g m i 效应曲线。从图1 6 可以看出， 交流磁场退火的样品具有最强的g m i 效应，应力处理后的f e 7 3s s i ”5 8 9 c u t n b 3 薄膜也可以产生较强巨磁阻抗效应，而经直流磁场下退火的样品的巨磁阻抗效应 较小。该研究者认为这可能是畴结构稳定化造成的。 图1 5 不同状态下薄膜的磁畴结构图 ( a 自然：b 压缩：c 3 0 0 。c 交流退火： d ，3 0 0 直流退火炉q 兽 i 、 摹 莳 、 谐 掌 百 嗒 | ( a ) 受瓣圈i 晌。霉舻 一挚鼍o ( b 稽涨i a 吲n 秽 ( c - _ “f 叠一m m “c “m 删一 0- 5 051 0 a pp i i e df i e l d h 【k a m 】 幽1 6不同状态下的薄膜的g m i 效应f “1 ( a 3 0 0 c 交流退火：b 压缩； c 3 0 04 c 直流退火) f 3 5 l t u c h i y a m a 等研究了射频溅射的零磁致伸缩撇( c o f e ) a o b 2 0 薄膜中的 g m i 效应 ”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 e x 的增加而单调减少。 盯拈们啦瞄们叮咐”姐 山东大学研究生毕业论文 由于样品中存在横向各向异性，在h e x & 。所以在低频下，当o j 缈。， 2 山东大学研究生毕业论文 磁导率随频率的下降主要是与涡流产生的畴壁位移阻尼有关。 对低频情况：a 占。，0 3 ，则有效圆周磁导率为： 日= ；+ 4 耐z 知出咖( 1 9 ) 其中彬为静态圆周磁导率，z _ 为静态畴壁磁化率。 这时的阻抗近似为： z 吨”( 秘0 1 4 + 丢( 爷) 】_ 争 ( 1 l 。) 占 = 1 = 三焉= = = ( 1 1 1 ) 2 石2 0 2 0 幽 自感系数l ，= ：，。2 在低频情况下，趋肤效应的影响很小，外磁场产生的影响较小，阻抗随直流磁 场的变化主要来自电感部分，外加壹流磁场通过影响材料的圆周磁导率：来改变材 料的阻抗，因为电感部分随圆周磁导率线性变化，因此低频下产生巨磁电感效应。 在高频下，磁导率随频率的下降主要是畴转机制阻尼有关。阻抗的严格计算要 按( 8 ) 式进行，阻抗的绝对值为： | z | = ( 鑫) 2 + ( 警门而 ( 1 t z ) 这时，阻抗的电感和电抗分量都与磁导率有关，都受外磁场影响。高频下，外 磁场可以通过改变磁导率而改变阻抗值，同时也通过改变趋肤深度而间接改变阻抗 值。因而可使阻抗产生很大的磁场响应，也就产生了g m i 效应。l v p a n i n a 等人对 c o f e s i b 非晶丝巨磁阻抗效应的实验结果和理论结果如图11 4 ( 2 ) ，给出了阻抗随外 加磁场的变化。可以看出，上面的理论与实验结果相符合。图1 1 4 ( 1 ) ( a 抽) 为电流、 电压在不同磁场和不同频率下的波形。可见零磁场下的电压波形明显显示出非线性 行为表明在高频下磁化过程如畴壁移动影响了丝的电压输出。但是波形并没有太 多的偏离正弦波形，且频率越高越不明显，说明畴壁移动被涡流阻尼。外加纵向磁 场使电压降低表明非晶丝的阻抗有相应的变化。 山东大学研究生毕业论文 图11 4 ( 1 ) 电流、电压在不同磁场和不同频率下的波形”6 1 ，。 4 勃2kgmm蕙 o 。= 2 z l = 5 咖! 一 i _ = 5 a j ? ： 。j 专 彩 图1 1 4 ( 2 )c o f e s i b 非品丝在交流频率为1 m h z ，3 m h z ，l o m h z 电压随磁场变化的实验结果与理论结果 1 6 j 1 4g m i 效应的特点 1 4 1g m i 效应和磁各向异性的关系 对非晶丝c o f e s i b 进行应力退火或电流退火，则产生沿丝的圆周方向的磁 各向异性，获得各向异性场h k 。当沿丝的轴向加上一外加磁场h 。后，圆周方向 的磁导率将发生变化f 1 6 1 。一般来讲，当h 。 h k 时，磁导率的实部芦：，将升高，特 别是高频时这种升高更加明显。当h 。、接近h k 时，磁导率的实部卢：，开始下降： 对磁导率的虚部：，来讲，不论h c x 是大于h k 还是小于h k ，它都随h 。的增大而 山东大学研究生毕业论文 单调下降。二，和如随外场h 。和驱动电流频率厂的变化趋势如图1 1 5 t 16 1 。 瞢 静 棚 蠼 雄 羔 厂 3 b 1 1 1 7 到 入 ，。 * 以，风 鲁q ， 誓氇2 鞋 章n i 图1 。1 5 j 和西随外场l - i e x 和驱动电流频率厂的变化趋势图】 图中：指的是相对于驱动电流为横向的起始磁导率。对这种变化趋势解释 如下：对磁导率有贡献的主要有两项，一是畴壁运动，二是磁矩随交流场的转动。 磁矩转动的特征频率比畴壁运动的特征频率要高，所以低频下畴壁移动起主导作 用，高频下磁矩转动起主导作用。畴壁运动贡献的磁导率可表示为： = 1 + z 量( i + l e o o ) 。)( 1 1 3 ) z ：为畴壁运动引起的起始磁导率，甜。为畴壁运动的迟豫团频率。 。随h 。的增加单调下降，但随着驱动电流频率的升高，磁矩转动的贡献 变得重要起来，在h 。沿轴向的情况下，当h 。x h k 时，磁矩转动贡献的磁导率 随h e x 的增大而增大，在h 。接近h k 时达到最大值，然后下降。由于在h c 。 h k ，磁导率又随 k 的增加而下降。 上面介绍的是样品经过适当的热处理获得圆周各向异性的情况，若样品不经 过处理，可以认为h k 为零，那么：，将随h 。的增加而单调下降，此时的g m i 效应和h k 不为零的情况不同。h k 为零和不为零的两种情况下的g m i 效应曲线 如图【1 6 所示 4 4 1 ： 山东大学研究生毕业论文 图1 】6 巩。为零和不为零的两种情况下的g m i 效应曲线圈f 4 4 图中a z z = ( z h e x - z o ) z 。1 0 0 ，可以看出g m i 效应最高的是a b 段，仔细 处理样品可得到很好的圆周各向异性，在一定频率下便可以得到此段的g m i 效 应。此段的g m i 效应不但灵敏度高，而且所需的外场也只有几百个a m l ，有很 大的实用价值。k v r a o 的实验( 4 4 j 还表明驱动电流i 不能太大，过大时样品的g m i 效应将表现出a c 段的特征，此时就相当于无圆周各向异性的情形。驱动电流的 大小由圆周各向异性、外场h e x 和驱动电流产生的交变场共同决定。可以说和 外场h 。垂直的圆周各向异性是产生显著g m i 效应的必要条件。 1 4 2 退火对g m i 效应的影响 由前面的分析我们知道圆周各向异性是g m i 效应产生的主要原因，而材料 的圆周各向异性决定于材料的退火处理，张力退火影响巨磁阻抗效应的原因在于 这种材料的磁致伸缩系数小于零，所以在轴向张力作用下，为降低磁弹性能，在 竹节状磁畴结构中，易磁化方向沿圆周方向的磁畴体积分数得到增加，圆周向各 向异性得到增强u 6 i 。磁畴结构的改变以及圆周向各向异性的增强使轴向磁化行为 发生改变。 1 4 3 g m i 效应和驱动电流频率的关系 驱动电流频率对薄膜的g m i 效应会产生强烈的影响。选择合适的频率会获 得非常显著的g m i 效应。般而言，非晶丝和非晶带在频率为1 m h z 左右的交 山东大学研究生毕业论文 变电流驱动下就可获得非常明显的g m i 效应。而非晶薄膜要想获得最大的g m i 效应，其驱动电流的频率须在1 0 0 m h z 左右。 总起来讲，已开展的工作为研究具有不同组分、不同形状的磁性材料的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、影响因素。并 且已经取得了较大的进展。 1 5 巨磁阻抗效应的应用 1 5 1 非晶丝磁阻抗元 g m i 效应能在几微米到1 m m 长度的非晶丝( 带) 中具有较大的灵敏度，可制 成微米尺寸的高灵敏度磁头和传感器，用于高密度信息存储和磁场检测等领域。 k m o h r i 等将一根折叠的c o f e s i b 非晶丝制成一种新型的器件，称为磁阻抗元 ( m i e l e m e n t ) ”1 ，并将其应用到非接触型旋转编码器中，如图1 1 7 ( a b ) 所示。该编 码器由8 个m i 元星形的沿环形面对磁极分布串联在一起。它有如下优点：( 1 ) 消除了环形磁体的每个磁极磁场的不规则分布：( 2 ) 消除了外加杂散磁场的影响； ( 3 ) 消除了环形磁体转动轴的偏心运动；( 4 ) m i 元的磁性质能互补，提高了编码的 准确性。另外，由于m i 元与磁体表面的间矩较大( 远大于用m r 元做成的编码器) ， 解决了由于小间矩带来的碰撞问题，因而提高了控制精度。 山东大学研究生毕业论文 k - - - - 一 图1 1 7 磁阻抗元形状和由其制作的非接触式精确旋转缟码器t 7 】 ( a )磁阻抗元形状( b ) 非接触式旋转编码器 1 5 2 多层膜传感器 由于软磁薄膜的高频磁阻抗变化产生的输出电压变化达7 0 以上，比普通各 向异性磁阻效应大几十倍，而且所需磁场只几o e ，且没有磁阻效应中的巴克豪 森嗓声，在常温下工作具有非常高的灵敏度，在高密度磁记录技术和高灵敏度磁 传感技术中有广泛应用。一个高频磁阻抗效应传感器的例子【45 j 见图1 8 。它由具 有两个电流电极( i l ，1 2 ) 和两个电压电极( v l ，v 2 ) 的铜导带和二面包夹铜导带的 磁性薄膜组成，形成夹层结构。易磁化轴在栅格条薄膜的宽度方向，而被检测外 场h e x t 沿长度方向。当高频励磁电流加在1 1 、1 2 端时，由铜导带产生的高频磁 场被磁膜吸收或反射。由外磁场的变化产生的阻抗变化转换成电压v l 到v 2 的 变化，外磁场信号相当于高频电压的调制信号。通过检波器便可测出外磁场信号 大小。由夹层结构组成的闭合磁路使高频电流产生的磁通不至于外泄，提高了输 出变化灵敏度。 山东大学研究生毕业论文 t # 毒 1 6 本论文的工作 图1 18 传感器示意图m h 蝴 7 胁斗 虽然目前巨磁阻抗效应已经成为国内外学者的研究热点，但是目前对其物理 机制的研究还不够深入和系统，对影响巨磁阻抗值的各种物理因素研究的也不充 分，因此本论文在g m i 效应的物理机制和影响因素做了较详细的研究工作。 本论文通过实验结果和理论分析相结合的方法研究了非晶薄带和纳米晶薄 带的巨磁阻抗效应，对磁性薄带的巨磁阻抗效应的特点做了总结，通过计算模拟， 分析了影响因素，并与实验结果对照。 1 制备( c o o8 5 f e o0 6 n b o0 2 n i o0 7 ) 7 5 s i i o b l5 非晶薄带，测量其g m i 效应与电流 频率和外场强度之间的关系。 2 制备f e 8 4 z r 20 8 n b l9 2 c u 】b l l 纳米晶薄带，研究了它们的巨磁阻抗效应与退 火温度、电流频率和外场强度之间的关系，与非晶薄带进行了对照。 3 通过磁导率的弛豫模型对材料的巨磁阻抗效应的频率依赖性进行了模拟， 得到的图象与实验基本符合：分析了材料的各种参数对巨磁阻抗效应的影响；分 析了薄带的磁畴结构及磁化过程，对巨磁阻抗效应的外场依赖性进行了数值模 拟，并给出理论解释。 山东大学研究生毕业论文 参考文献 1 m n b a i b i c h ，jm b r o t o ，a f e r t 、f n g u y e n ，v a n d a n f p e t r o f f , d e t i e n c e ， g c r e z e t ，a f r i e d e r i c t t 6 1 ( 1 9 8 8 ) 2 4 7 4 【2 s srp a r k i n ，a p p l p h y s l e t t 6 0 ( 1 9 9 2 ) 5 1 2 3 ae b e r k o w i t z ，jr m i t c h e l l ，m j c a r e y , a ry o u n g ，s z h a n g ，fe s p a d a , ft p a r k e a h b t t e n ，a n dg t o m a s p h y s r e v l e t t 6 8r 1 9 9 2 ) 3 7 4 5 4 】x i a o jq ，j i a n gjs ，c h e r tc l ，p h y s r e v l e t t ，6 8 ( 1 9 9 2 ) ，3 7 4 9 【5 】b d i e n y ，j m a g n m a g n m a t e r , 1 3