（光学专业论文）nifesimomn合金膜巨磁阻抗效应的研究.pdf

摘要 用直流磁控溅射法制备了超坡莫合金n i f e s i m o m n ( 2 0 n m 一3 0 0 0 n m ) 单层膜、 n i f e s i m o m n ( 2 0 n m 2 0 0 n t 0 1 c u ( 5 0 n m ) 双层膜和n i f e s i m o m r g c u n i f e s i m o m n 三 明治膜通过降低溅射速率和在基底上沉积3 0 n m 的t a b u f f e r ( 缓冲层) ，解决了 难以溅射生长厚膜的问题，成功制备了厚度3 m 的单层膜和每层厚度2 , 6um 的 三明治膜 单层膜随着厚度的增加呈现非晶态，1 0 0 0 n m 以上为完全非晶态。膜的软磁性 能随厚度的增加迅速变差，认为是热应力太大造成的。在基底的横向施加了8 0 0 0 e 的溅射磁场，提高了膜的各向异性。在真空条件下4 0 0 0 c 加1 5 0 e 磁场退火1 小时 后，样品软磁性能得到较大改善 制备态样品c u 的扩散深度为4 6 n m ，4 0 0o c 退火态样品c u 的扩散深度超过 2 0 n m c u 的扩散深度呈现随退火温度的升高迅速增加的趋势。制备态双层膜比同 厚度的单层膜的软磁性能要好，认为c u 充当b u f f e r 层有利于n i f e s i m o m n 膜的 成膜质量退火后c u 的扩散对n i f e s i m o m n 的磁性造成了消极的影响，但是影响 不是非常明显 用掩膜法制备了每层厚度为2 un l 和2 6 “i n 的三明治膜，将研究退火前后样 品的g m i 效应，包括随磁场、驱动频率、交流幅值的变化。 ， 关键词：巨磁阻抗效应，坡莫謇釜，单层醺，双层旗，三明治膜，软磁性能 a b s t r a c t i n t h i st h e s i s ，t h r e es e t so fp e r m a l l o yf i l m sh a v eb e e np r e p a r e db yd cm a g n e t r o n s p u t t e r i n gd e p o s i t i o n ，w h i c hi n c l u d en i f e s i m o m ns i n g l ef i l m s ，n i f e s i m o m n c u b i l a y e rf i l m sa n dn i f e s i m o m n c u n i f e s i m o m n s a n d w i c h e df i l m s i no r d e rt o i n c r e a s et h et h i c k n e s sa n di m p r o v et h eq u a l i t yo fs p u t t e r e df i l m s ，l o wd e p o s i t i o nr a t e a n d3 0 n mt ab u f f e rl a y e ro ns u b s t r a t eh a v eb e e na d o p t e d a sar e s u l t ，3ums i n g l ef i l m s a n d2 6u1 1 1 2 6ur n 2 6ums a n d w i c h e df i l m sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yp r e p a r e d w i t ht h ei n c r e a s eo fi t st h i c k n e s s ，t h es i n g l ef i l mt r a n s f o r m sc r y s t a lp h a s ei m o a m o r p h o u sp h a s e t h es a m p l ei sa m o r p h o u sp h a s ea tt h et h i c k n e s s1 0 0 0n r n ，h o w e v e r ， i t ss o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e sg r a d u a l l yb e c o m ew o r s e t h ep h e n o m e n o no r i g i n a t e s m o s t l yf r o mt h et h e r m a ls t r e s s t h er e s u l t sa l s o s h o wt h eg r e a ti m p r o v e m e n ti n a n i s o t r o p yw i t ht h et r a n s v e r s ea p p l i e df i e l d8 0 0 0 e t h es o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e sh a v e b e c o m eb e a e ri ns a m p l e sa n n e a l e da t4 0 0 cf o r1h o u ri nat r a n s v e r s em a g n e t i cf i e l do f 15 0 ea tv a c u u ma t m o s p h e r e t h ed i f f u s ed e p t h so fc o p p e ri nt h es a m p l ed e p o s i t e da n dt h es a m p l ea n n e a l e da t 4 0 0 ca r e4 6 r i ma n do v e r2 0 n mr e s p e c t i v e l y w ec a nc o n c l u d et h a tt h ed i f f u s ed e p t h w i l lb ei n c r e a s e dg r e a t l yw i t ha n n e a l i n gt e m p e r a t u r e t h ed e p o s i t e db i l a y e rf i l m s p r e s e n tb e t t e rs o rm a g n e t i cp r o p e r t i e st h a nt h es i n g l el a y e rf i l m sw i t ht h es a l t l e t h i c k n e s s c o p p e r 船ab u f f e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h ef i l mq u a l i t y a t t h es a n l et i m e ，t h ed i f f u s i o no fc o p p e ri ns a m p l e sa n n e a l e da t4 0 0 cf o r1h o u rg i v e s n e g a t i v ee f f e c to nt h em a g n e t i cp r o p e r t i e s ，h o w e v e r , t h ee f f e c ti sn o tv e r ye v i d e n t t h es a n d w i c h e d f i l m s w i t h t h es t r u c t u r e o f 2 5 u n “2 u m 2 ur f la n d 2 u m 2 u m 2u m h a v eb e e np r e p a r e db yc o v e r e d m o d u l em e t h o d g m ie f f e c tw i l lb es t u d i e di nd e p o s i t e d a n da n n e a l e ds a m p l e sw i t hv a r i a t i o no f m a g n e t i cf i e l d ，d r i v i n gf r e q u e n c ya n dc u r r e n t k e yw o r d s ：g i a n tm a g n e t o l m p e d a n c e ( g m l ) e f f e c t ，p e r m a l l o y ，s i n g l ef i l m ， b i l a y e rf i l m ，s a n d w i c h e df i l m ，s o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e s u n i f e s i m o m n 合金膜巨磁阻抗效应的研究 第一章引苦 第一章引言 各种信息设备，如机电设备、电力电子设备医疗电子设备和工业测试设备 的发展以及电子计算机应用的日益普及，都需要新型高性能微型磁传感器采检测 高密度记录硬磁盘、软磁盘存储器及驱动器系统中的旋转编码器。一般来说，这 类传感器必须达到以下几个要求【l 】= ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 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，检测头长度应当小于l m m 。 为了能够精确地非接触感应传输被测信号，磁通检测的灵敏度( 或 分辨率) 应达到1 1 0 一l 1 0 o e 检测高密度记录硬磁盘存储器表面磁通的变化，需要信号频率为 0 i o m h z 的响应速度 作为汽车和电动机用的微型磁传感器，在一5 0 c 一+ 1 8 0 c 温度范围 应当有不稳定度小于0 0 1 f s 。的温度稳定性和最高工作温度； 功耗要低于1 0 r o w ，使这种便携式微型传感器能够使用钮扣电池工 作。 通常使用的磁通传感器和磁通检测元件，如磁通门传感器、霍尔元件和磁敏 电阻( m r ) 元件，已经不能满足这些要求。一台使用长度大于2 8 m m 高性能细磁 芯( 避免退磁场) 的磁通门磁强计，灵敏度可达1 x1 0 “o e 但由于杂散电容，磁 芯绕组会使传感器的响应频率低于几k h z 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 0 d o e ，霍尔元件的最高工作温度也只有7 0 c 。 目前正在开发的巨磁电阻( g m r ) 元件，其灵敏度比m r 元件提高1 个量级，迭 1 o e 。此外，g m r 元件存在磁滞、温度不稳定性等问题，使用目前研制的o m r 材料，须在较高的磁场e e 才能观察到g m r 效应，在实际应用上有一定困难。 1 9 9 2 年日本名古屋大学m o h r ig - z , t 2 1 最早报导他们采用几n l m 长的c o 基非 晶丝，经过处理后，在几o e 磁场下观察到其阻抗变化率( a z z ) 高达5 0 以上， 比金属多层膜f e c r 或c o a g 所观察到的g m r 效应高1 个数量级。这种磁性材料 第1 页 n i f e s i m o m n 合金膜巨磁阻抗效应的研究 第一覃0 i占 的交流阻抗在外加直流磁场的作用下，呈现快速响应、高灵敏度变化的现象被称 作为巨磁阻抗效应( g i a n tm a g n e t oi m p e d a n c ee f f e c t ，g m ie f f e c t ) 由于具有这种 效应的材料具有灵敏度高、体积小、响应快等优点，在高灵敏磁传感器和磁记录 技术等方面有十分诱人的应用前景，引起了各国科学家的广泛兴趣。研究表明1 2 1 ， 利用一根富钴非晶短丝( 约l m m 长) 的g m i 效应，可以同时满足微型磁传感器 必备的上述5 个条件。这为研制高灵敏度的磁传感器和记录磁头开辟了新途径。 最初，对于g m i 效应研究地最多的是具有零或负磁致伸缩系数的c o 基非晶 态软磁合金细丝接着，扩大到非晶软磁合金薄带1 3 1 以及薄膜【4 1 中，并进而扩展到 f e 基纳米晶软磁合金薄带中【5 1 。在寻找新的g m i 材料的过程中，追求软磁性能是 一个基本而又重要的原则【6 】根据这个原则和文献报道【7 】 我们注意到软磁性能板 佳的坡莫合金材料。另外，虽然许多需要集成的微型器件都需要薄膜材料，但是 目前对于薄膜材料的巨磁阻抗研究还不多。 本文正是基于这些原因开始了超坡莫合金n i f e s i m o m n 膜巨磁阻抗效应的研 究5 - 作根据文献报道【4 】，单层膜的驱动频率一般在1 0 0 m h z 以上，这对于g m i 的应用是很不利。最新的研究表明【g i ，两个软磁层中间夹一高导电金属层的三明治 ( s a i l d 谢c h e d ) 结构的膜，在较低频率下就能获得很大的g m i 效应。我们计划研 究n i f e s i m o m n 合金薄膜的制备工艺，单层膜优良软磁性能的获得，c u 层的扩散 对于n i f e s i m o m n 薄膜的软磁性能的影响以及n i f e s i m o m n c “n i f e s i m o m n 三明 治膜的g m i 的特性由于坡莫合金材料制备工艺已经比较成熟，而且成本低廉， 预计研究成果将有较广阔的应用前景。 第2 页 型堡! 墅坚! 竺! 鱼全堕皇壁坚蔓整生竺竺塑苎二里i 芝 参考文献 【1l 1 2 1 【3 】 【4 】 【5 i 【6 l 【7 】 【8 】 k m o r h r ie ta 1 ，i e e et r a n s m a g n ，3 1 ( 1 9 9 5 ) 1 2 6 6 ； k m o r h r ie la 1 ，i e e et r a n s m a g n ，2 8 ( 1 9 9 2 ) 3 1 5 0 ； p a n i n a l v ，m o h r i k ，u c h i y a m a t e la l ，i e e e t r a n s m a g n ，3 1 ( 1 9 9 5 ) 1 2 4 9 ； s o m m e rrl ，c h i e ncl ，a p p l p l a y s l e t t ，6 7 ( 1 9 9 5 ) 3 3 4 6 ； c h e nce la 1 ，a h y sr e vb ，5 4 ( 1 9 9 6 ) 6 0 9 2 ； k m o h r i ，k k a w a s h i m a ，y y o s h i d a a n dl v p a n i n a ，i e e et r a n s m a g n ， 2 8 ( 1 9 9 2 ) 3 1 5 0 ； k h i k a ，l v p a n i n ae la l ，i e e et r a n s m a g n ，3 2 ( 1 9 9 6 ) 4 5 9 4 ； t a k e s h im o r i k a w a ，v u j in i s h i b e ，h i d e y ay a m a d e m ，y u t a k an o n o m u r a ， m a s a h a r u t a c k e u e h i ，y a s u n o r i t a g a , i e e e t r a m m a g n ，3 3 ( 1 9 9 7 ) 4 3 6 7 ； 第3 页 n i f c s i m o m n 合金膜巨磁阻抗效应的研究 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1g m i 效应的理论研究 g m i 效应是逐渐被认识的。一些研究者首先注意到材料的电阻r 随外加磁场 h c 。和驱动电流频率厂的变化，也许是受到巨磁电阻g m r 效应的影响，他们称之 为交流巨磁电阻效应( a c g m r ) 。而另外一些研究者发现材料的电感随外加磁 场发生显著变化，他们称之为磁感应效应( m a g n e t o i n d u c t i v e ，m i ) 。不过很快人 们就认识到二者可以统一到样品的阻抗随外场变化上来，即g m i 效应。g m i 效应 巨大的应用前景，吸引了很多科学工作者的注意，在实验和理论上都做了很多3 - 作。 g m i 的理论分析对更好的理解现有实验结果以及指导研究具有g m i 效应的新 材料有着重要的意义。下面，简单介绍一下表述g m i 效应的一些基本理论和关于 g m i 起源的讨论 2 1 1 趋肤效应法【1 】 目前，较为广泛接受的观点认为g m i 效应的出现是由于在足够高的频率下趋 肤效应的结果软磁导体的g m i 效应与其在外磁场作用下的交流( a c ) 阻抗的变化 密切相关，这可以在经典电动力学的理论框架内予以解释。众所周知，当射频电 流流过导体时，在导体的横截面上其电流分布并不均匀，由于趋肤效应，电流主 要集中在导体表面。电流的趋肤深度6 表示 d = n 2 p c o t( 2 1 1 ) 式中，( 0 是射频电流角频率，p 是导体的电阻率，“是材料的磁导率。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0 0 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。 我们以激励电流方向( 轴向或纵向) 为基准，对于丝，与激励电流垂直的方 向称圆周方向；对于薄带，在带面内与激励电流垂直的方向称切向。由于电流流 过导体时能产生圆周方向或切向的磁场，具有大的圆周磁导率的材料在实际应用 中最能引起兴趣。非晶或纳米晶合金软磁材料的磁导率可以由感生各向异性和一 定的磁畴结构得到有效的控制。 第4 页 型生! 墅坚! 竺! 垒垒堕皇堡些垫整生塑堕窒墨三里墨坚堡堡 实际的铁磁材料的趋肤效应比非铁磁材料的趋肤效应更复杂，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 l 效应的 理沦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位移和磁畴转动均对磁导率有贡献，a t k i n s o n 和 s q u i r e 2 以及m a c h a d o 和r e z e n d e r 3 硬出的准静态模型就考虑了畴壁位移和磁畴转 动。由于这些模型没有考虑与磁化强度快速运动的动态效应，所以只有在低频情 况下使用p a l l i a 和m o h r i l 4 1 以及c h e n 等5 1 从理论上考虑受涡流阻尼的畴壁运动对 g m i 的影响，发现随激励频率的增加，涡流对畴壁运动的阻尼增加，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。 在高频时更完善的理论模型是要考虑动态效应的，即要建立在m a x w e l l 方程 和l a n d a u l i f s h i t z 动力学方程同时求解的基础上实际上要精确求解这两个方程 是不可能的，但是将l a n d a u l i f s h i t z 方程线性化，并忽略交换作用，与交流磁化 有关的磁导率张量就可以用铁磁共振理论的标准过程求得，这样m a x w e l l 方程就 可以利用磁导率张量在合适的坐标系统下求解。u s o v 等6 1 通过同时求解m a x w e l l 方程和线性l a n d a u l i f s h i t z 方程研究了具有轴向并口圆周方向的磁各向异性的非晶 丝的g m i 效应。对于具有圆周方向的磁各向异性，当外加直流场小于各向异性场 时，磁化强度的方向不平行于外加直流场的方向，m a x w e l l 方程的解就不能用单一 的电磁波传播模式和标量阻抗z 表示，必须引入具有纵向z 。和切向z + ：的阻抗张 量。 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) 1 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，能增强电磁辐射的 穿入深度。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。 y e l o n 等7 】 日出4 0 年前提出的理论方法可以用于g m i 效应的研究。m e n a r d 等8 1 在柱状磁性导体的g m i 效应研究中最先引入交换耦合作用，但是他们忽略了磁各 向异 生。研究表明在微波频段，g m l 峰等于普通铁磁共振峰，交换耦合作用项仅 稍微改变了g m i 曲线的高度和形状 2 1 2 等效电路法 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 第5 页 型堡! ! ! 竺! 坚! 鱼垒堕垦壁里苎塾生竺婴塑 苎二兰苎堕堡苎 响与很多因素有关，如微观磁畴结构、动力学，所以要精确解析g m i 效应是很困 难的。最近，表征材料的频率特性的等效电路法，被移用于巨磁阻抗效应的研究。 该方法又称阻抗谱法，最早用来研究介电材料的电学性质，主要步骤可归纳为： ( 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 + j l ”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： 。= r ，叫z ( 2 1 2 ) 上式中，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r s l s 串联电路分支与r p l p 并联电路分支的串 联采很好地近似表示( 如图2 1 1 所示) 。 图2 1 1g m l 等效电路图 图中各电路组元的物理含义如下：r s 表示丝的电阻，l s 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，r p 与畴壁的粘滞阻尼系数的倒数有关。电路方程 为： z ，= r s + r e 耳缈2 ( r ；+ t 0 2 4 )( 2 1 3 ) z ，= s + r ；l p ( r ；+ 2 辟)( 2 1 4 ) 这里，z r 和z f 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 s 和l p 的阻抗l s 和l o l p 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 s 和l e 引起的阻抗也随之增加，对串联分支，这会导致阻抗虚部l s 的线性 增加，但是在并联分支，却由于t , o l p 增大到能与r p 相比拟，而得到一个临界条件， 第6 丽 型堡! ! ! 坚! 竺! 全垒堕呈壁堕垫垫皇塑塑壅蔓= 兰三坚鳖堡 当l p = r p 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l 2 ，而与损耗有关的虚部则出现最大值。这种行为己在非晶薄带中用畴壁弛 豫予以证实在非晶丝中，这种色散过程要复杂得多，因为它不仅与宏观的趋肤 深度有关，而且与由畴壁位移产生的微观涡流有关。 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已报导的大 量的实验结果表明，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 转动机理，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 到饱和，此时磁化过程全部为磁化转动。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，并联臂消失，非晶丝仅等效为串联电路，此 时阻抗的实部分量是电阻r s ，虚部分量是l s ( 畴转磁导率) 从以上分析知道，尽管用等效电路法研究铁磁材料中的g m i 效应还需进一步 的改进，但是它是理解g m i 效应这种现象下的基本磁化机理的重要工具。 2 1 3 g m i 的来源 g m i 和g m r 相比，从实用的角度二者相似，然而它们的来源却不相同g m r 来源于导电电子的自旋相关散射；g m i 则是一种经典电磁效应，它来源于材料磁 导率随外加磁场的变化根据经典电动力学可推得【n j ，当一较小的交变驱动电流 l = l o e x p ( - i d 流过一个半径为a 的磁性导电丝时，导电丝的交流阻抗z = r + i x 为： z 2 i k ( k a ) j o ( k a ) 2 j i ( k a ) ( 2 1 5 ) 式中，r 为复数阻抗z 的实部即电阻分量，x 为z 的虚部即电感分量，c 0 为交变 驱动电流的圆频率，i 2 一1 ，k 2 ( 1 + i ) 6 。，8 m = 止汲面而为趋肤深度，j o ( k a ) 和j l ( k a ) 分别为零阶和一阶贝塞尔函数，r d 。为导电丝的直流电阻，r a 。( k a ) 表示。是k a 的函数当交变驱动电流流过厚度为2 d 的磁性导电薄带时，其交流 阻抗为 z 爿b 。( i k d ) c o t h ( i k d )( 2 1 6 ) 上式中，k 的定义和( 2 1 5 ) 式相同。丝和薄带的g m i 效应来源是一样的，这里 以薄带为例讨论把k 的表达式代入( 2 1 6 ) 式可得： z p q o t d , n f # o - ( 一l + i ) 】c o t h d 4 ；, t - f , t 孑( 一l + i ) 】 ( 2 1 7 ) 此处，产2 丌c 0 为交流驱动电流的频率，o 为薄带的电导率，“为薄带相对于驱动 第7 页 n i f c s i m o m n 合金膜巨碰阻抗效应的研究 第二苹文献综述 电流方向的横向磁导率。如果沿驱动电流方向( 纵向) 加一外磁场h 。，此纵向外 磁场使得横向磁导率“减小，从而导致阻抗z 的实部r 和虚部x 发生变化若材 料是非常好的软磁材料并且导电性能也较好，即电导率。较大，那么一很小的外 加磁场就能导致阻抗发生较大的变化，这就是巨磁阻抗效应。从g m i 效应的来源 看，它对材料本身没有特别的限制，只要是非常好的软磁材料就行，这就使人想 到非晶和超微晶材料。实际上，在非晶材料如c o f e s i b l 垃，”1 和超微晶材料如 f e c u n b s i b t l4 1 、f e c u m o s i b 1 5 1 中都发现了很大的g m i 效应。同样，在n i f e 坡莫 合金丝【1 6 】及溅射膜中也发现了g m i 效应。 2 2g m i 效应的实验研究 2 2 1g m i 效应和磁各向异性的关系 最早发现g m i 效应的日本名古屋大学的m o h r i 等人【1 2 1 和瑞典皇家工学院的 k v r a o 等人分别对非晶丝c o f e s i b 进行了应力退火或电流退火，产生沿丝的 圆周方向( 相当于薄带的横向) 的磁各向异性，获得各向异性场h k 当沿丝的轴 向( 相当于薄带、薄膜的纵向) 施加一外磁场h e 、后，圆周方向的磁导率将发生变 化。一般来讲，当如 h k 时，磁导率的实部p ：，将 升高，特别是高频时这种升高更加明显。当h e 。接 近h k 时，磁导率的实部开始下降；对磁导率的虚 部二来讲，不论是大于凰还是小于凤，它都 随魄的增大而单调下降疋和二随外场趣。和 驱动电流频率，变化趋势见图( 2 2 1 ) ，图中：指 的是相对于驱动电流为横向的起始磁导率。对这种 变化趋势的解释如下：图2 2 1 有效磁导率随外加场的变化1 ( a ) 有效磁导率实部( b ) 有效磁导率虚部 对磁导率有贡献的主要有两项，一是畴壁运动，二是磁畴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，所以低频下畴壁运动起主导作 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u d 。= 1 + z 量 第8 页 n i f c s i m o m n 台金膜巨磁阻抗效应的研究 第二章文献综述 ( 1 + i ( i ) d w ) ，z 二为畴壁运动引起的起始磁化率，( i ) d w 为畴壁运动的驰豫圆频 率u d w 随也。的增加单调下降。但随着驱动电流频率的升高，磁畴磁矩转动的贡 献变得重要起来，在思。沿轴向的情况下，当, 。 h k 时，磁畴磁矩转动贡献的磁 导率随也。的增大而增大，在风。接近凤时达到最大值，然后下降。由于在敞。 凤时，畴壁运动项随皿。的增加而下降，相反磁畴磁矩转动随见。的增加而升高， 所以磁导率总的表现是二者平衡的结果。低频下畴壁运动起主要作用，磁导率随 版、的增加而下降，高频下磁畴磁矩转动起主导作用，磁导率就表现出随风。的增 加而升高的趋势，而且频率越高，磁畴磁矩转动起的作用越明显，那么磁导率随 见。的增加而升高的趋势也就越明显。 上面介绍说明，样品经过适当的热处理后会获得圆形畴从而得到圆周各向异 性( c i r c u m f e r e n t i a l a n i s o t r o p y ) 若样品不经过处理，可以认为h k 为零，那么以r 将 随乜。的增加单调下降，此时的g m i 效应和风不为零的情况不同a z z = l i z ( h ) l i z 0 a - - - 0 ) l 线如图( 2 2 2 ) 所示，图中以圆点表 示的是凰不为零的情形，以圆圈表示的是风为零 的情形。可以看出，g m i 效应灵敏度最高的是a b 段。仔细处理样品得到很好的圆周各向异性，在一 定的频率下便可得到此段的g m i 效应此段g m i 效应不但灵敏度高，而且所需的外场也只有十几个 0 e ，具有很大的实用价值k v r a o 的实验【1 3 1 还 表明驱动电流_ - l o e x p ( 一f 埘幻不能太大，否则，样 品的g m i 效应将不出现a b 段而是表现出图2 2 2g m i 效应的典型特征1 1 1 1 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、外场皿。和驱动电流产生的交变场共同决定。 美国约翰霍普金斯大学r l s o m r n e r 等人 1 4 1 对磁控溅射制备的 f e 7 75 c u t n b 3 s i b5 8 9 非晶膜进行了研究。膜的厚度为1 3 1 m a ，大小为1 0 m m l m m ， 驱动电流为2 0 m a 频率为1 0 0 m h z 他们研究了膜的制备态( 记为a d ) 、零场退火 态( 记为z f a ) 、和横磁退火态o 己为f a ) 的横向( d 和纵向( l ) g m i 效应，得到图( 2 2 3 ) 所示的结果。从图中可以看出，制备态没有g m i 效应，零场退火态和横磁退火态 第9 页 对舟噶 n i f e s i m o m n 合金膜巨礁阻抗效应的研咒第二覃文献综述 都有g m i 效应，纵向( 鼠。和电流方向平行，有f a l 和zf _ a l ) 和横向( 亿。和电 流方向垂直，f a t ) g m i 效应有不同的特征，f a l 和z f a l 有相当于图( 2 2 3 1 中a b 段的特征，而f a t 没有。他们认为，制备态没有g m i 效应是因为其软磁 性能太差，退火处理提高了样品的软磁性能，因而产生了g m i 效应。磁场退火态 的g m i 效应大于零场退火态的g m i 效应。f a l 和z f a l 表现出与f a t 不 同的特征是由磁各向异性造成的：当磁各向异性场饥和外场垂直时( f a l 的情形) 有a b 段特征，当外场与讯平行时( f a t 的情形) 没有a b 段特征。当 f k 无序分 布时( z f a l 的情形) 也有a b 段特征，但没有f a l 显著从上面的论述可以看 到，磁各向异性对g m i 效应的作用可以说和外场风。垂直的各向异性场凤是产 生显著的a b 段特- 征( g m i 效应的灵敏度最高) 的妊要条件。 总的来说，具有良好的软磁性能和各向异性是样品具有g m i 效应的重要原因。 一一、勋 h , - o e 图2 2 3 不同热处理的f e 7 75 c u l n b 3 s i i35 8 9 非晶膜的g m i 效应特征【1 4 i f a ：磁场退火；z f a ：零场退火；a d ：制备态；l ：纵向；t ：横向 2 2 2g m i 效应和驱动电流频率的关系 g m i 效应和驱动电流i = 南e x p ( 一泐t ) 的频率有密切的关系，在低频和高频段有 不同的特点低频时，由于材料的厚度远小于此时的趋肤深度，由外场h e x 引起 的磁导率的变化不能有效地改变样品阻抗z 的幅值，也不能有效地改变z 的实部 r 的值，但此时z 的虚部电感量x 却有较大的变化。实际上低频下电感x 正比于 样品的自感系数l i ，而自感系数l = ，2 正比于起始磁导率( f 为样品长度1 外场 趣x 的作用引起了起始磁导率的降低，使得x 发生了较大的变化，人们把低频下这 第1 0 页 ，i蔷鐾目k强 型堡! ! ! 坚! 坐鱼垒堕呈壁里垫塾窒塑里壅 兰三至苎坚箜堕 种电感的显著变化称为磁感应效应此时样品两端的电压v = r i + v l ，v l 为电感电 压，在低频恒电流的条件下测量电感电压阶v l 。m o h r i 等0 2 1 发现对c o 基非晶丝在 驱动频率l k 1 0 k h z 下，v l 可有1 到7 的变化，并对外场皿。很敏感。 当频率进一步升高时，会发生明显的趋肤效应，此时外场风。引起的磁导率的 减小显著地增大了趋肤深度，使得阻抗z = r + i x 的实部r 和虚部x 都发生改变， 成为名副其实的巨磁阻抗效应。反映g m i 效应有三个方面，即z 的变化a z z ，r 的变化a r r 和x 的变化a x x 。此时若在恒电流的条件下测量样品两端的电压幅 值y = z 1 ，就会发现它随也。变化。 当频率再进一步升高时，电阻r 项变得很大，而电感x 项趋于零，所以整个 样品相当于纯电阻此时外场风。不再能够影响磁导率的大小，所以g m i 效应也 就越来越小了总的来说，存在一个最佳频率，在此频率下g m i 效应有极大值。 库万军等研究了纳米晶f e c u n i s i b 的g m i 效应，在外场h e x = 1 1 0 0 e 作用下 得到z = r + 随频率的变化趋势如图( 2 2 4 ) 所示，可看出此结果较好地反映了 g m i 效应和驱动电流频率的关系。他们还发现，当r 和x 的变化大约相等时阻抗 z 的变化量最大 不同频段下磁导率的产生机制不同。在低频 下对磁导率有贡献的主要是畴壁移动，高频时畴 壁移动受到限制，磁畴磁矩的转动起着决定作用， 这样就使得低频下观察不到图( 2 2 2 ) 中灵敏度最 高的a b 段，这是低频和高频g m i 效应的重要区 别之一总的说来，要得到大且灵敏度高的a b 段的g m i 效应，除了很好的软磁性能、一定的磁 各向异性，适当的驱动电流频率也是很重要的 图2 2 4 纳米晶f e 7 75 c u l n b 3 s i ”5 8 9 薄带 g m i 效应和驱动电流频率的关系 1 5 l 2 2 3g m i 效应和样品的电导率及厚度的关系 g m i 效应不但和样品的磁各向异性及驱动电流频率有密切的关系，也和样品 的电导率及厚度( 或丝的半径) 有关。一般情况下，电导率越大即样品的导电性 能越好，样品表现出来的g m i 效应越显著，并向低频端移动。m k n o b e l 等研 究了经过不同温度退火的f e 7 35 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 丝的g m i 效应，发现表现出最大的 第1 1 页 ! 坚! ! ! 竺! 坚! 盒鱼堕巨堡堕垫塾生箜里塑 蔓兰兰塞坚堡堕 g m i 效应的是经6 0 0 ( 2 退火的样品而不是软磁性能最好的5 5 0 退火样品；其原因 是前者的电阻率比后者低得多。不过再提高退火温度，样品的软磁性能急剧变坏 而使g m i 效应变小。 同样，提高样品的厚度也能提高样品的g m i 性能这很好理解：从( 2 1 7 ) 式可 看出增大样品的厚度d 和提高样品的电导率的作用是一样的计算表明1 1 7 对 f e 7 35 c u l n b 3 s i l 3 s b 9 纳米晶薄带，把厚度从2 0 1 t m 增大到1 0 0 0 m 都能提高其g m i 效应，再增大厚度作用就不大了。 2 2 4 单层膜的g m i 效应研究 从材料的形态上区分，具有巨磁阻抗效应的材料可分为丝状、带状和薄膜状 三种，后者又可分为单层膜和多层膜两种。目前，对于单层膜的实验研究较少， 这可能是因为薄膜样品不易制备，且测试条件要求较高的缘故 从前面的介绍可以知道，影响材料g m i 效应的主要因素是感生各向异性、驱 动电流频率及外加磁场方向等目前，具有巨磁阻抗效应的薄膜大多是非晶态， 所以其本身不具有磁晶各向异性但是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，- 1 - 以在薄膜中获得较强的感生各向异性f 2 5 】在巨磁阻抗效应 的实验和测试中，交变电流和外加磁场通常都沿着薄膜样品的长度( 即纵向，而 与此垂直的样品宽度方向则称为“横向”) u c h i y a m a 等& 1 8 1 在( c o f e ) 8 0 8 2 0 非晶薄膜中采 用以下三种热处理工艺以获得了不同的各向异 性： ( 1 ) 在2 0 0o e ，1 0 h z 的旋转磁场下退火1 h ，退火 温度为2 5 0 ( 2 ) 在( 1 ) 的基础在7 00 e 的横向磁场下退火。 ( 3 ) 在( 1 ) 的基础上在电流强度为5 0 m a 的图2 2 5 退火后( c o f e ) 8 0 8 2 0 薄膜 直流下退火。的g m l 效应1 分析认为，经过工艺( 1 ) 的热处理后，薄膜在制备过程中获得的不确定的磁各 向异性可完全被消除；经过工艺( 2 ) 、( 3 ) 的热处理后，在薄膜中则可以形成横向磁 各向异性。图( 2 2 5 ) 为这三种热处理条件下非晶薄膜的巨磁阻抗效应曲线。其中， 驱动电流的幅值为1 5 m a ，频率为8 0 m h z ，而纵坐标e f 为样品两端的电压值。 第1 2 页 盟i ! ! ! ! 些翌! 鱼垒堕垦燮里垫墼瘗堕堕壅笙三塞苎坚堡堕 从图( 2 2 5 ) 可以看出，采用后两种热处理制度的非晶薄膜的g m i 效应远远大 于第一种热处理制度，最大的阻抗比8 o e 这充分说明薄膜中的横向感生各向 异性有利于获得显著的g m i 效应 g a r c i a 等人1 1 卅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；第二种方法是将薄膜在横向直流或交流磁场下 退火 图2 2 6 不同薄膜样品的磁畴结构 图2 2 7 与( 2 2 6 ) 对应的样品g m i 曲线【1 9 】 ( i ) 制备态；( 2 ) 应力处理后； ( 2 ) 3 0 0 * ( 2 交流磁场退火后； ( 3 ) 3 0 0 。1 2 直流磁场退火后 图( 2 2 6 ) 为不同处理状态下的薄膜样品的磁畴结构从图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 f 退- a 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( 2 2 7 ) 为与图( 2 2 6 ) q 样品相对应的g m i 效应曲线从图中可以看出，交流 磁场退火的样品具有最强的g m i 效应( 2 2 7 ( 3 ) ) ，而具有最强的横向各向异性的 样品则几乎观察不到g m i 效应( 2 2 7 ( 4 ) ) 分析认为，具有最强的各向异性样品则 几乎观察不到g m i 效应，这可能是由于畴结构稳定化造成的，因为稳定的磁畴会 导致磁化困难，即降低薄膜的横向有效磁导率，从而弱化其巨磁阻抗效应。 s o m m e r 等人0 4 1 及y uj i n q i a n g 等人研究了铁基非晶薄膜的横向各向异性对 第1 3 页 翌! ! ：! ! ! 坚! 坚! 宣垒堕星壁望垫整堕竺堕壅苎三兰兰鳖堡笙 g m i 效应的影响，提出了与钴基非晶薄膜类似的结论 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 j 常显著的g m i 效应一般而言，非晶丝和非晶带【2 2 1 在频率为1 m h z 左右的 交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g m i 效应，其驱动电流的频率须在1 0 0 m h z 左右【1 8 】。 图( 2 2 8 ) 为厚度为4 “m 左右的钴基非晶膜的驱动电流频率对g m i 效应的影 响，图( 2 2 8 a ) 为图( 2 2 5 b ) 的低频段部分放大图，图中 肛。= l k a m ( 1 2 5