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(凝聚态物理专业论文)软磁合金的巨磁阻抗效应研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
山东大学博士学位论文 软磁合金的巨磁阻抗效应研究 摘要 随着现代信息技术的迅速发展在电子领域越来越需要具有小尺寸、 高灵敏度和快速响应的磁传感器和存储器件。传统的半导体霍尔元件、磁 阻元件等已经难以满足要求。1 9 9 2 年,k m o h r i 等人在c o f e s i b 软磁非晶 丝中发现了巨磁阻抗( g i a n t m a g n e t o i m p e d a n c e 简称g m i ) 效应。当对软磁 非晶丝通以交变电流时,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,交流电压的变化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。最初对 这一现象研究较多的是具有零或负磁致伸缩系数的钴基软磁非晶丝,之后 研究范围很快扩大到薄带、薄膜以及铁基材料中,并在实际中得以应用。 与普通的传感器相比,利用巨磁阻抗效应制成的传感器响应速度要快的 多,同时巨磁阻抗效应传感器的灵敏度也很高,是一种能同时做成高灵敏、 微尺寸、快响应、无磁滞的传感器。因而,现在基于巨磁阻抗效应的传感 器研究十分活跃,成为现代磁电子学的研究热点。 虽然近年来有关g m i 效应的研究不少,但由于材料的不同制备工艺和复 杂的磁化机理,仍然存在许多问题有待解决。目前,人们普遍接受经典电 磁理论对g m i 效应的解释。其机理简单的说是因为样品的阻抗是磁导率和 趋肤深度的函数,这样。外场以及驱动电流通过对磁导率和趋肤深度的影 响来改变材料的阻抗,从而产生g m i 效应。因此阻抗与磁导率有着密切的 联系,而磁导率是非常敏感的参量,受具体材料、磁畴结构、各向异性、 趋肤深度、制备工艺等诸多因素的影响,因此g m i 效应也随着磁导率的改 变而改变,所以研究各种条件对g m i 效应的影响是非常必要的。目前,已 有一些针对铁基薄带的巨磁阻抗效应研究,但所研究的材料系列较窄,本 论文针对报道很少的f e z r b ,f e z r b a i 以及f e h f b 薄带,研究了影响g m i 效应的因素。另外,巨磁阻抗效应虽然可以用经典电磁理论来解释,但是 中文摘要 对其物理机制的研究仍然不够深入和系统,对影响其阻抗值的各种物理因 素研究的也不充分。由于本实验室之前已对薄带的巨磁阻抗效应进行了计 算模拟,并得到了比较符合的结果,因而本论文以非晶丝和复合丝为例对 g m i 效应的物理机理进行了分析。 铁基薄带通过快淬法制得,之后在真空中进行不同温度的退火。用h p 4 2 9 4 a 阻抗分析仪测量阻抗和有效磁导率。外加磁场由霍姆赫兹线圈提供, 可产生一个小于1 0 0 0 e 的直流磁场,使它产生的磁场与地磁场垂直,以减 小地磁场的影响。外加磁场的方向平行于样品的带轴方向,即测量电流方 向,交变电流幅度为2 0 m a 。样品阻抗随磁场的变化称为纵向磁阻抗效应。 有效磁导率通过电桥法在h p 4 2 9 4 a 阻抗分析仪上测量。样品的磁特性由振 动样品磁强计测量。由x 射线衍射以及透射电镜对样品进行结构分析。 本论文从实验上研究了类似组分的f e z r b 及f e h f b 软磁纳米晶薄带的 巨磁阻抗效应,得到了其巨磁阻抗效应随外场及频率的变化规律;同时对 非晶丝和复合丝进行了计算模拟,得出主要结果如下: ( 1 ) f e 3 9 z r 7 8 4 薄带在5 5 0 ( 2 7 2 0 的温度范围内进行退火处理。发现6 5 0 c 退 火的样品表现了最好的g m i 效应,表明合适的退火温度会增强材料的 g m i 效应。退火温度的进一步上升反而降低了g m i 效应。这可能是由 于更高退火温度下晶粒的大小超过了铁磁作用交换相关长度,降低了材 料的磁性能,从而降低了g m i 效应。g m i ( x ) 在低频下很大,发生了巨 磁电感效应而6 5 0 退火样品的g m i ( z ) 在h = 9 0 0 e ,产7 0 0 k h z 下存在 最大值4 6 。 ( 2 ) 对f e 8 9 z f 7 8 4 薄带进行不同含量的a l 掺杂,制各f e s 9 。z r v b 4 a i 。( x = l ,2 , 2 5 ,3 ) 薄带。从x 射线衍射图谱计算的晶粒大小表明a l 的掺杂细化了晶粒大 小,有若与c u 掺杂类似的效果。但不同含量a l 的掺杂对材料g m i 效 应的影响比较复杂,不同退火温度下表现了不同的改变。总的来说,可 以认为,与未掺杂前相比,经高温退火的高含a l 量样品的g m i 效应得 到了增强,说明在应用中应注意调整工艺,选择适当的条件以达到最大 的g m i 效应在所有样品中,7 2 0 ( 2 退火、a l 掺杂最多的f e s 6 z r t b 4 a 1 3 样品的g m i 效应最高在h = 9 0 0 e ,产i m h z 处达到- 5 l 。另外,掺a l i i 山东大学博士学位论文 软磁合金的巨磁阻抗效应研究 样品的g m i ( z ) 随外场的变化出现了峰值,表明材料中出现了横向各向 异性,各向异性场大小为2 6 0 e 左右。 ( 3 ) f e s 4 z r 2 0 v n b t9 2 c u i b h 薄带:磁导率与g m i ( z ) 随外场的变化是基本一致 的,表明磁导率是g m i ( z ) 值大小的决定性因素之一。而薄带的长度也 影响着g m i 效应,越长的薄带g m i ( z ) 的峰值越大,且峰值对应的频率 也向低频移动,这与样品的退磁效应有关。长度为6 c m 的样品在 间3 m h z 下达到最大的g m i ( z ) 值5 6 。 ( 4 ) 对f e s g h f t b 4 薄带进行不同温度的横向磁场退火,磁场大小为6 0 0 0 e ,沿 薄带的宽度方向。发现合适温度的磁场退火改善了材料的软磁性能,从 而能够使g m i 效应达到最大值。对研究的f e b 9 h f t b 4 薄带,在退火温度 为6 2 0 c ,h = 9 0 0 e ,厂= 9 0 0 k h z 左右。g m i ( z ) 达到最大值,为- 6 0 。另 外,g m i ( z ) 随外场的增加先上升至一正的峰值,而后下降为负值,g m i ( z ) 峰值的出现表明横向磁各向异性场的存在,大小约为6 8 0 e 。 ( 5 ) 根据自由能最小化方法和磁导率驰豫模型,解决了g o m e z p o l o 等人的 模型磁导率不随频率变化这一问题。以此对软磁非晶丝的巨磁阻抗效应 进行了数值分析。计算了非晶丝半径和电阻率对磁导率和g m i 效应的 影响,以及磁导率及g m i 效应随频率的变化曲线。发现在对模型进行 改进后,磁导率随频率的变化趋势基本与实验相符,实部单调下降,而 虚部出现峰值。计算了电阻值r 、电感值x 和阻抗值z 随外场的变化 曲线,基本符合实验事实。g m i 效应随非晶丝半径的增大或电阻率的 降低而增大,这与材料的趋肤深度有关,是通过改变材料的趋肤深度来 改变g m i 效应的。但g m i 效应随频率的变化在高频下仍存在不下降的 问题,这有可能是由于模型过于简单未考虑相关能量有关,需要进一 步完善。 f 6 ) 研究了外镀n i f e 层的a g 丝的巨磁阻抗效应,发现复合丝在较低频率 下就有较大的g m i 值,这与复合丝内部高电导率的a g 丝有关,a g 的 高电导率使得材料的有效电导率变大,从而降低了材料发生趋肤效应的 频率,使得g m i 峰值向低频移动同时推导了外场小于各向异性场时 阻抗的表达式,讨论了复合丝各结构参量对g m i 效应的影响a 发现材 中文摘要 料的g m i 效应强烈依赖于复合丝铁磁层的厚度,当导体层厚度一定时, g m i 随铁磁层厚度的增加出现峰值。表明铁磁层厚度并非越大越好, 而是存在一个最佳厚度,此时g m i 效应达到最大:而导体层和铁磁层 的电导率相差越多则材料的g m i 效应也越大,从理论上证实了实验中 采用高电导率a g 丝以达到高g m i 效应的正确性。理论和实验定性符 合,但在数值上仍相差较多,这可能是由于复合丝的复杂结构所导致的, 模型仍然比较简单,不足以包括所有影响g m i 效应的因素。 关键字:巨磁阻抗效应,纳米晶薄带,非晶丝,复合丝 山东大学博士学位论文 软磁合金的巨磁阻抗效应研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ,m a g n e t i cs e n s o r sa n d r e c o r d i n gi n s t r u m e n t sh a v i n gs m a l ls i z e ,h i g hs e n s i t i v i t ya n dq u i c kr e s p o n s ea r ei n g r e a td e m a n d i ne l e c t r o n i cf i e l d h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lh a l le l e m e n t s ,m re l e m e n t s d on o tm e e ta l ls u c hr e q u i r e m e n t s i n19 9 2 k m o h r ie ta lf i r s t l yr e p o r t e dt h eg i a n t m a g n e t o - i m p e d a n c e ( g m i ) e f f e c t i ns o f tm a g n e t i ca m o r p h o u sc o f e s i bw i r e s w h e n a na l t e m a t i v ec u r r e n t ( a c ) f l o w s t h r o u g haw i r e ,t h ea cv o l t a g eb e t w e e n t h et w oe n d s o f t h ew i r ew o u l d c h a n g es e n s i t i v e l yw i t h a n a p p l i e dm a g n e t i c f i e l da l o n gt h ew i r e a t l o wf r e q u e n c i e s ,w h e r et h es k i ne f f e c tc a r lb e n e g l e c t e d ,t h e f i e l di n f l u e n c eo n r e s i s t a n c ei s q u i t es m a l la n dt h ec h a n g eo f a cv o l t a g ei sm a i n l yd e t e r m i n e db yt h e i n d u c t a n c e t h i si sc a l l e dg i a n tm a g n e t o i n d u c t a n c e a th i g hf r e q u e n c i e s ,t h es k i n e f f e c tb e c o m e sv e r yi m p o r t a n lb o t ht h er e s i s t a n c ea n dr e a c t a n c eo ft h ei m p e d a n c e c h a n g el a r g e l y , a n dt h i se f f e c ti sc a l l e dg i a n tm a g n e t o i m p e d a n c e e f f e c t a tf i r s t ,m o s t r e p o t sw e r e c o n c e n t r a t e do nt h ec ob a s e ds o f tm a g n e t i ca m o r p h o u sw i r ew i t hn e a r l y v a n i s h i n go rn e g a t i v em a g n e t o s t r i c t i o n ,h o w e v e r , t h e r e s e a r c ho fg m is o o ne x t e n d e d t oc ob a s e da m o r p h o u sr i b b o n s f i l m sa n df eb a s e dn a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s ,a n dh a s b e e nu s e di nm a g n e t i cf i e l dd e t e c t o r sa n dm a g n e t i cr e c o r d i n gh e a d s c o m p a r e dw i t h o r d i n a r ys e n s o r s ,t h es e n s o r su s i n gg m i m a t e r i a l sh a v eq u i c k e rr e s p o n s ea n dh i g h e r s e n s i t i v i t y i ti s ak i n do fs e n s o r st h a th a v i n gh i g hs e n s i t i v i t y , q u i c kr e s p o n s ea n d n o n h y s t e r e s i s d u e t oi t sp o t e n t i a lu s ei ns e n s o ra p p l i c a t i o n ,g m ie f f e c ta t t r a c t sm u c h a t t e n t i o na n db e c o m e so n eo f t h em o s ta c t i v et o p i c si nm a g n e t i ce l e c t r o n i c s t h o u g ht h e r ea r em a n yr e p o t so ng m i e f f e c tu n t i ln o w , s o m ep r o b l e m ss t i l l e x i s t d u et ot h ed i f f e r e n t p r e p a r a t i o nt e c h n i q u e s a n d c o m p l e xm a g n e t i z a t i o n m e c h a n i s m s n o wi ti sw i d e l ya c c e p t e dt h a tt h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so fg m i e f f e c t c a nb eu n d e r s t o o di nt h ef r a m eo fc l a s s i c a le l e c t r o d y n a m i c s s i m p l ys p e a k i n g ,t h e i m p e d a n c ei s t h ef u n c t i o no fp e r m e a b i l i t ya n ds k i nd e p t h ,a n dt h e s et w of a c t o r s c h a n g ea st h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l da n dd r i v i n gc u r r e n tc h a n g e ,t h e n t h eg m ie f f e c t v 英文摘要 g e n e r a t e s t h a ti st os a y t h ep e r m e a b i l i t yh a si n t i m a t er e l a t i o n s h i pw i t ht h ei m p e d a n c e t h e p e r m e a b i l i t y i sav e r ys e n s i t i v ep a r a m e t e ra n dc a l lb ei n f l u e n c e db y m a n y f a c t o r s s u c ha sm a t e r i a l s ,d o m a i ns t r u c t u r e ,a n i s o t r o p y , s k i nd e p t ha n d p r e p a r a t i o nt e c h n i q u e t h e nt h eg m ie f f e c tw i l lc h a n g e 船t h e p e r m e a b i l i t yc h a n g e s oi ti si n d i s p e n s a b l et o i n v e s t i g a t e t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sc o n d i t i o n s n o ws o m er e p o r t sa r er e l a t e dt o f e b a s e dr i b b o n s ,b u tt h er a n g eo fs t u d i e dm a t e r i a li ss t i l l v e r yn a r r o w , s ot h eg m i e f f e c to fl e s s r e p o r t e df e z r b ,f e z r b a ia n df e h f br i b b o n sa r e s t u d i e d i n a d d i t i o n ,t h o u g h t h eg m ie f f e c tc a nb e e x p l a i n e db y t h ec l a s s i c a l e l e c t r o d y n a m i c s ,t h ed e e p e ra n dm o r es y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o ni ss t i l lr e q u i r e d t h e g m ie f f e c to fa m o r p h o u sw i r ea n d c o m p o s i t ew i r e w a s a n a l y z e db yt h e o r y s i m u l a t i o n t h ef eb a s e dr i b b o n sw e r eo b t a i n e db yr a p i dq u e n c h i n gt e c h n i q u e t h e nt h e r i b b o n sw e r ea n n e a l e di nv a c u u ma tv a r i o u st e m p e r a t u r e sw i t ho rw i t h o u tm a g n e t i c f i e l d t h eg m im e a s u r e m e n t sw e r ec a r r i e do u tu s i n ga nh p4 2 9 4 ai m p e d a n c e a n a l y z e ra tr o o mt e m p e r a t u r e t h es a m p l ew a sc o n n e c t e dt ot h ea n a l y z e rw i t hat e s t l e a dc o n t a i n i n gf o u rc a b l e s ,a n dp l a c e di nah e l m h o l t zc o i l ,w h i c hc a l lp r o d u c ed c f i e l d su pt o1 0 0o e t h ec o i l sa r es op l a c e dt h a tt h ea p p l i e df i e l di sp e r p e n d i c u l a rt o t h ee a r t h sm a g n e t i cf i e l d t h ea cc u r r e n t 州mac o n s t a n ta m p l i t u d eo f2 0 m af l o w s t h r o u g ht h er i b b o nl e n g t h ,i nt h ed i r e c t i o np a r a l l e lt o t h ed cm a g n e t i cf i e l d s t h e r e l a t i v e c h a n g e o fr e a l p e r m e a b i l i t y w a sm e a s u r e d u s i n g as m a l lc o i lw i t ht h e e q u i v a l e n ti m p e d a n c em e t h o db ya l lh p 4 2 9 4 ai m p e d a n c ea n a l y z e r t h em a g n e t i c p r o p e r t i e sw e r em e a s u r e do nv s m t h es t r u c t u r ea n a l y s i s w a sd o n eb yx r da n d t e m t h eg m ie f f e c to ff e z r ba n df e h f bs o f tm a g n e t i cn a n o e r y s t a l l i n er i b b o nw e r e i n v e s t i g a t e d a l s o t h en u m e r i c a la n a l y s i so fo m ie f f e c ti na m o r p h o u sw i r ea n d c o m p o s i t ew i r ew e r es t u d i e d f o l l o w i n g a r e $ u m n l a r i e so f o u rw o r k s : 1 t h es a m p l e so ff e s g z r 7 8 4n a n o c r y s t a l l i 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m u m v a l u eo f g m i ( z 1i s5 6 a t h = 9 0 0 e ,f - - - 0 3 m h zw i t hl e n g t ho f 6 c m v i i 英文摘要 4 - f o rt h ef e s g h f t b 4r i b b o n ,t h ep r o p e rf i e l da n n e a l i n gi m p r o v e st h es a m p l e ss o f t m a g n e t i cp r o p e r t i e sa n d t h e nt h eg m ie f f e c t t h em a x i m u m v a l u eo f g m i ( z ) i s 一6 0 a t a n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo f6 2 0 ( 2 ,h = 9 0 0 e ,f - - 9 0 0 k h z o t h e r w i s e w i t hi n c r e a s i n gt h ea p p l i e df i e l d s ,g m i ( z ) u n d e r g o e sap o s i t i v ep e a k ,a n dt h e n d r o pt oan e g a t i v ev a l u e 谢m f i l r t h e ri n c r e a s i n go ff i e l d s i ti n d i c a t e st h ee x i s t e n c e o ft r a n s v e r s ea n i s o t r o p y ,a n dt h ev a l u eo f a n i s o t r o p yf i e l di sa b o u t6 - 8 0 e 5 u s i n g t h em i n i m i z a t i o no ff r e ee n e r g ya n dt h er e l a x a t i o nm o d e lo f p e r m e a b i l i t y , t h ef r e q u e n c ya n df i e l 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