（光学专业论文）nifesimnmocunifesimnmo多层膜的非线性巨磁阻抗效应.pdf

首都师范大学硕士学位论文 摘要 近年来，巨磁阻抗效应的发现及其在磁传感器、磁记录头等方面可喜的应用 前景引起了科学家的广泛兴趣。到目前为止，研究主要集中在c o 基非晶和f e 基纳米晶材料，关于n i 基的坡膜合金有少量的报到。最近研究表明，由软磁合 金层包覆着高导电率金属层的多层膜在g m i 效应方面同单层膜相比具有频率 低、变化率大的优点，成为研究g m i 效应的一种新型结构。 我们研究了单层膜的磁特性，在基底的横向施加了4 0 0 0 0 的磁场，提高了膜 的各向异性。在真空条件下2 9 0 。c 加1 5 0 e 磁场退火4 小时后，样品软磁性能得 到较大改善。比较了退火前后的磁滞曲线和x 射线衍射，得出了退火后样品的磁 特性明显好于制备态的、矫顽力小、起始磁化率也好、饱和磁化强度高。 我们研究用蒸镀法制备n i f e s i m n m o c u n i f e s i m n m o 多层膜的巨磁阻抗效 应，在5 0 2 r i m 厚的s i 片上镀膜，经过2 9 0 0 c 退火4 小时后，得到g m i 效应优异 的多层膜。 研究了g m i 效应和频率的关系，频率分部从1 0 0 h z 到1 3 m h z ，g m i 比开始 随着频率的增加而增加，在非常低的频率3 i h z 达到最大1 4 9 9 6 。接着随着频率 的增加而减少。在横向和纵向分别研究了g m i 效应，纵向的g m i 比明显优于横 向的。 我们用简单的半桥式电路，研究了传感器的电压和外加磁场的变化关系。电 压比a v v 最大能达到4 3 5 。 采用蒸镀法在康宁玻璃基片上制备n i f e s i m n m o c u n i f e s i m n m o 多层膜，对 制备态样品的软磁性能和多层膜的非线性巨磁阻抗效应随磁性层厚度的变化关 系进行了实验与机理分析，结果表明，经过退火后得到性能优良的坡莫合金材料， 巨磁阻抗效应的最大值随磁性层n i f e s i m n m o 的厚度增加而增加。横向磁阻抗 灵敏度和纵向磁阻灵敏度抗分别达到最大值8 9 o e 。和3 9 o e 。 关键词： 巨磁阻抗：坡莫合金：多层膜 首都师范大学硕：卜学位论文 g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c ei nn i f e s i m n m o c u n i f e s i m n m o m u l t i l a y e r e df i l m s a b s t r a c t r e c e n t l y , t h em a g n e t oi m p e d a n c ee f f e c t ( g m i ) f o u n di na m o r p h o u sw i r e sw i t l l s o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e si sn o t i c e a b l ea san e wp r i n c i p l ef o rs e n s i n gm a g n e t i cf i l e d a c c o r d i n gt ot h i se f f e c t 、t h ei m p e d a n c eo ft h ew i r ei nt h er a n g eo fh i g hf r e q u e n c i e s o v e r1 0m h zc h a n g e sr e m a r k a b l yw i t ht h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d t h i se f f e c ti s e x p e c t e dt ob ep r o m i s i n gf o rm a g n e t i cf i e l ds e n s o rw i t hh i g hs e n s i t i v i t y t h e r e f o r e ， w eh a v ea t t e m p t e dt oi n t r o d u c et h i se r i e e ti n t oa m o r p h o u sm u l t i l a y e r e df i l m st o e x t e n da p p l i c a t i o nf i e l d s t h ef i l m sw e r ed e p o s i t e do n t os is u b s t r a t e sb yv a p o r i z i n g p l a t i n g ，a n dt h eg i a n tm a g n e t o i m p e d a n c ee f f e c th a sb e e ni n v e s t i g a t e di nm u l t i l a y e r e d f i l m sn i f e s i m n m o c u n i f e s i m n m oa n n e a l e da t2 9 0 0 cf o r4h t h ef r e q u e n c ya n d f i e l dd e p e n d e n c e so ft h eg m ih a v eb e e no b s e r v e di nm ef r e q u e n c yr a n g ef r o m5 0 k h zt ol3m h z t h eg m ir a t i oi n c r e a s e sa tf i r s tw i t hi n c r e a s i n gf r e q u e n c na n d r e a c h e si t sm a x i m u mv a l u eo f1 4 9 a tav e r yl o wc h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yo fa b o u t3 m h z a n dt h e nd e c r e a s e sw i t h6 l r t h e ri n c r e a s i n gf r e q u e n c y t h e s es u p e r i o rp r o p e r t i e s a r er e l a t e dt ot h es p e c i a ls t r u c t u r eo ft h em u l f i l a y e r e df i l m s t h em a x i m u mg i a n t m a g n e t o i m p e d a n c er a t i o sw e r ea l s os t u d i e di nt h el o n g i t u d i n a la n dt r a n s v e r s ef i e l d s r e s p e c t i v e l y t h e nan o v e lm u l t i l a y e r e df i l m ss e n s o rs e n s i t i v et os m a l lm a g n e t i cf i e l d b a s e do nt h em a g n e t oi m p e d a n c ee f f e c th a sb e e np r o p o s e d t h es e n s o rc o n s i s t so fh a l fb r i d g eo ft h ei n d i v i d u a ld e t e c t i n ge l e m e n tw i t h n i f e s i m n v l o c u 巾j i f e s i m n m om u l t i l a y e r e df i l m s ，w h i c he x h i b i t st h el a r g e i m p e d a n c ec h a n g er a t i om o r et h a n4 3 5 w h e na l le x t e r n a lm a g n e t i cf i e l di sa p p l i e d n oh y s t e r e s i s ，g o o dl i n e a r i t ya n dg o o ds t a b i l i t ya g a i n s tt e m p e r a t u r ev a r i a t i o na sw e l l a sh i g hs e n s i t i v i t yi nt h es e n s o rc h a r a c t e r i s t i e sh a v eb e e na c h i e v e d t h es o f tm a g n e t i c p r o p e r t i e sa n dn o n l i n e a rg i a n tm a g n e t o i m p e d a n c e ( g m i ) e f f e c tw e r ei n v e s t i g a t e di nm u l t i l a y e r e dn i f e s i m n m o c “n i f e s i m n m o 、i t l l d i 彘r e n tt h i c k n e s so fn i f e s i m n m of i l m s t h en i f e s i m n m o c “n i f e s i m n m o m u l t i l a y e rf i l m sp r e p a r e do nt h es u b s t r a t eo fc o m i n gg l a s sw i t haf u r t h e rt h e m l a l t r e a t m e n to ft h ef i n a lg m ie l e m e n t s t h el a r g eg m ir a t i oi sc o r r e l a t e dt ot h i c k n e s so f n i f e s i m n m of i l mi nt h em u l t i l a y e r e dn i f e s i m n m o c u n i f e s i m n m of i l m s t h e u s eo ft h i nf i l mt e c h n o l o g yf o rg m ii sp r e f e r a b l ei nm a n ya p p l i c a t i o n sb e c a u s eo fi t s e o m p a t i b i l i t yw i t hi n t e g r a t e d c i r c u i t t e c h n o l o g yw h i c he n a b l e sm i n i a t u r i z a t i o n a v o i d i n ga l i g n m e n ti s s h e s ，a n dw i r es o l d e r i n g m a x i m u mg m is e n s i t i v i t i e so f8 9 o e a n d 3 9 o e w e r ea c h i e v e di nl o n g i t u d i n a la n dt r a n s v e r s ef i e l d s r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c e ；p e r m a l l o y s ；m u l t i l a y e r e df i l m s 2 首都师范大学硕士学位论文 引言 g m i ( g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c ee f f e c t s ) 效应，一般的定义为：磁性材料的交 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。更具体 的是是指非晶丝或薄带、多层膜中通过交流电流时，频率从l k h z 到几兆赫兹范 围内，在一小的直流磁场作用下，材料的交流阻抗随外加磁场的改变而灵敏变化 的现象。1 9 9 2 年，m o h r i 等人( 日本) 首先在c o 基非晶丝中发现了g m i 效应。 随后，在以c o 基、f e 基为主的具有良好软磁性能的材料内，相继发现了g m i 效 应。这些材料按宏观结构不同主要分为：丝( w i r e ) 、带( r i b b o n ) 和膜( f i i m ) 三种。具有g m i 效应的材料在磁传感器( 磁记录头、传感器等) 具有巨大的应用 前景。相对于通常使用的霍尔元件、磁阻元件以及g m r 元件，g m i 磁传感器件优 势在于：( 1 ) 灵敏度提高1 2 数量级；( 2 ) 热稳定性好；( 3 ) 功耗小等三大优 点。 通常认为，g m i 效应是一种经典的电磁效应，源于磁导率随外加磁场的变 化。磁导率包括两部分，其一由于畴壁运动产生的壁移磁导率( 在频率较低时起 主要作用) ；其二由于磁矩随交流磁场的转动产生的畴转磁导率( 高频时起主要 作用) 。这主要是因为，磁矩转动的特征频率比畴壁运动的特征频率高。材料的 软磁性能决定了其响应的g m i 效应的大小。具体来说，g m i 效应与材料的磁各 向异性、电阻率、驱动电流、样品尺寸有着密切的关系。磁各向异性是关键因素， 而磁各向异性源于磁弹性作用。 巨磁阻抗薄膜因为具有稳定性好且与集成电路工艺相兼容的优点而获得了 比较广泛的研究，多层膜则可在很低的频率范围内获得很明显的g m i 因为其不需 要明显的趋肤效应的条件：此外，多层膜的g m i 效应可达到同类单层膜的几十倍。 g m i 效应还具有温度稳定性好，器件可小型化、低功耗、磁滞小等优点，从而 使在磁记录和微型高灵敏度磁传感器等领域具有极大的应用价值，其交流驱动的 特点也为实现调制、解调、滤波、震荡和共振等提供了方便。单轴各向异性是获 得大巨磁阻抗的必要条件之一，多层膜中的巨磁阻抗效应，其出现巨磁阻抗效应低 于2 0 m h z 萁铁磁层的厚度约为2 tm 小于趋肤深度。 实验表明，多层膜中的巨磁阻抗效应与多层膜的磁结构、薄膜的尺寸等有很 大的关系。我们在实验中要做的三明治薄膜与单层膜相比具有以下优点：其一多 层膜结构中的导体层成为电流的主要通路，减小了对交流电流的阻力；其二磁性 层形成闭合磁路，减小了杂散场和退磁场的影响，成为交流磁通的主要通路，这 种结构大大减少了损耗，从而提高了g m i 效应：其三根据已有实验结果显示， 铁磁层和非铁磁层的电阻率相差越大( 磁性层和导电层的电阻率比值一般为：7 0 ： 1 ) ，越有利于获得显著的g m i 效应。在实验上，g m i 效应随外加直流磁场的方 向不同，可以分为两种：其一磁场与样品长轴方向相同时，称为纵向巨磁阻抗 ( l m i ) 效应；其二磁场与样品长轴方向相垂直时( 带和膜的磁场在样品面内) ， 称为横向巨磁阻抗( t m i ) 效应；巨磁阻抗比( z z ) 的定义一般有两种：一 种是( az z ) 1 0 0 = z ( h 。) 一z ( h 。、= o ) z ( h 。、= o ) l o o ；另一种是( z z ) 1 0 0 = z ( h ) - - z ( h 。) 1 z ( h 。) l o o ；其中阻抗z = r + i x ( r 为电 阻，x 为电感) 。 首都师范大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1g m i 传感器 利用巨磁阻抗效应制成的传感器最近主要是丝的巨磁阻抗效应在高敏感快响 应小的功耗微磁传感器有了很大的发展。各种便携式的微型磁传感器有了长足的 发展，如手提地磁场传感器和利用零磁致伸缩材料f e c o s i b 丝和运用了c m o si c 电路的m i 芯片电子汽车罗盘传感器。各种在人体内的微小的振荡运动，如指失 血管跳动、大脑活动用m i 效应传感器能测其图像；当汽车通过路或桥时的振荡 用m i 效应传感器能够敏感的探测它的通过速度。m i 传感器主要用于薄膜微电子 交流传感器和传感技术中，可以方便的用于集成电路。表1 1 是各种微型磁传感 器的应用范围、大小、驱动频率和功率的比较，每种传感器都有其优点，而g m i 传感器功率、驱动频率和长度相比而言更小。 表1 - 1 各种微型磁传感器的大小应用范围驱动频率和功率的比较 t a b l e1 1s u m m a r i z e sb a s i cf e a t u r e so f v a r i o u sm a g n e t i cf i e l ds e n s o r s 传感器 长度应用范围 驱动频率功率 m r 传感器 g i v l r 传感器 f g 传感器 g m i 传感器 s i 传感器 1 - 1 0 0 m m0 1 0 e 1 - 1 0 0 m m0 0 l o e 2 0 - 3 0 m m1uo e ( a c ) ，1 0 0uo e ( d c ) l 2 m m l 2o e ( a c ) ，1 0 0 f lo e ( d c ) 1 - 5 m m1 m g r , 0 1g a l 1 0 m w 1 0 m w l w 1 0 m w 智能m i 传感器的应用结构虽然设计各不相同，但是一般的都要经过这么几 个步骤。如图1 1 所示为智能测量系统的流程图。首先是m i 元器件然后和c m o s i c 电路结合通过数字输出到微处理器然后通过智能测量和控制，得到完整的应 用系统。 图1 1m i 传感器的智能测量系统 f i g 1 1i n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m 制成m i 元件的材料，一般是铁磁性物质，材料的不同是影响g m i 效应大 小的关键因素，其次是m i 元件的结构，一股说来丝很难集成化，膜的结构容易 和集成电路相结合。表1 2 是各种材料制成的丝或膜的g m i 比和每m 的g m i 变化率和驱动频率的关系，第一列为g m i 所用的材料制成的丝或膜，第二列是 g m ie e 所能达到的最大值，第三列是磁场每现时g m i 比的变化，第四列所能 达到g m i 比的对应的驱动频率。 裟裂一 首都师范大学硕一卜学位论文 表i 2g m i 传感器所用材料制成的膜或丝与能达到的巨磁比和驱动频率 1 h b l e1 2m a t e r i a l sf o rg m is e n s o r s ：w i r e sa n df i l m s 材料 m a x ( r ( h d c ) ) 8m a x ( d r ( h d 。) d h d j ( o e l ) 频率( m h z ) 金属微丝：c 0 6 81 5 f e 43 5 s i l 2 5 8 1 5 5 6 f e c u n b b s i 丝1 2 5 金属丝：c 0 6 8 1 5 f e 43 5 s i l 25 8 1 5 2 2 0 在c u 丝上的c o p 多层结构 2 3 0 n i 7 7 f e s c u 2 c r l 6 条形 31 0 f e 3 s i 结构 3 6 0 金属带：c 0 6 82 5 f e 45 s i l zz s b l5 4 0 0 c u b e 丝上沉积n i s o f e 2 0 5 3 0 三明治c o s i b s i 0 2 c u s i 0 2 c o s i b 7 0 0 c u b e 上沉积f e c o n i8 0 0 t h eg m ir a t i oi sg i v e nl l qt h es e c o n dc o l u m nw h e r e a st h es e n s i t i v i t yw i t hr e s p e c tt ot h e m a g n e t i cf i e l di sg i v e nb yt h el a r g e s tv a l u eo f t h e d e r i v a t i v eo f t h er a t i o ( t h i r dc o l u m n ) 这里的r ( ) = 1 0 0 i z ( 也) 一z ( 比，) iz l z ( h , 。，) i g m i 效应的元件必须和电路结合才能更好的应用，图1 2 是g m i 元件的自振 电路，它的作用是放大g m i 效应的信号，为以后的应用做准备。它的构成很简 单，是典型的三极管放大电路，在电路中我们可以把g m i 元件和电阻类似，当 外磁场只，改变时引起g m i 阻抗的改变，经过三极管t r 放大然后输出。线性或 非对称的g m i 效应获得是用图1 _ 3 实现的，它是带有c m o s 转换器的放大器电 路，当一个脉冲通过电路时，通过控制转向器使正向的g m i 增加负向的g m i 减 小，这样就形成一个不对称的g m i 效应，然后从e 。输出。如果用一对g m i 元 件就可得到线性的g m i 效应。 0 l ，q 2 ：7 4 a c 0 4c m o si n v e r t e r f i g1 2i ne l e c t r o n i cc i r c u i to f t h ec o l p i t t so s c i l l a t o rf i gi 3e l e c t r o n i cc i r c u i to fc m o si n v e r t e r 图l2 g m i 传感器的自振放大电路 图1 ，3 c o m s 放人电路 4哪吣，；加 4 o 路 吣 弭m ， r 加 粥如 首都师范大学硕士学位论文 r 1 。r 2 2 5 1qr 3 2 1 0 0 qr 4 = r 5 3 l m qr 6 r 7r 8r 9 = 1 0 k q c 1 = c 2 = 6 6 9 t f d 】= d 口= m a 7 2j f i g ，1 4c o n s t i t u t i o no fal i n e a rf i e l ds e n s o ru s i n gap a i ro f n i f e s i m n m o c u n i f e s i m n m 0 m u l t i l a y e r e df i l m s 图1 4 线性g m i 的桥式放大电路 还有一种获得线性g m i 效应的电路，如图1 4 是线性g m i 的桥式放大电 路，它是在交流电流经过直流调制的驱动下，经过运算器输出为线性的g m i 效 应。 圈1 5 是用了对m i 丝的获得线性g m i 的电路，是由一个平衡探测器连 接与不同的放大器相连，和一个负反馈电路组成。 f l gi 5 l i n e a rf i e l ds e n s o rc i r c u i tu s i n ga n a l o gs w i t c h e s 图15 用逻辑转换器的线性传感器电路 g m 传感器的应用，图1 6 是三维巨磁阻抗效应传感器在人体血管领域探 测的示意图，一般来说人体的磁场可以被忽略，因为人体的磁导率和空气的磁导 率一样接近于1 ：在一定驱动频率下磁场对人体影响是安全的，g m i 微型传感器 相对来说又容易实现。它是由两个相互垂直的磁头产生垂直的磁场，第三个方向 的磁传感器头探测直流磁场的偏转，三维图像是由三个e u l e r s 角形成的，测量 地磁场的系统生成两个e u l e r s 角，移动的磁头用来生成第三个e u l e r ，s 角，经过 计算机模拟合成形成一个三维图像。 首都师范大学硕士学位论文 f i g 1 6s c h e m a t i co ft h r e e 。a x i s m a g n e t o 。i m p e d a n c e e f f e c ts e n s o rs y s t e mf o r d e t e c t i n gp o s i t i o n 图1 6 三维巨磁阻抗效应传感器系统的示意图 1 2 影响多层膜的g m i 效应的因素 1 2 1 磁性材料的影响 图l - 7 为不同的铁磁层对多层膜g m i 效应影响的关系曲线，在同样的测试条 件下，以c o s i g 非晶作铁磁层的多层膜的g m i 效应要好于以f e c o s i b 非晶作铁磁 层的多层膜。前者的最大g m i 效应比可达1 6 ( 7 9 6 a m ) ，而后者只有7 ( 7 9 6 a m ) 。产生这种现象的原因主要是f e c o s i b 中的感生各向异性要大于 c o s i b 中的感生各向异性的缘故。 f i g1 7e x p e r i m e n t a lp l o t so f t h ei m p e d a n c ez v s e x t e r n a lf i e l dh e xf o rc o f e s i b c u c o f e s i b f i l m s ，f - - 1 m h z ，d l = 1 5 , u m ，d 2 = 2 l m ，bo f m a g n e t i cf i l m si s2 r a m ，bo fc u - l a y e ri so 5 m m 图1 7 不同铁磁层的多层膜的g m i 效应 f i g1 8p l o t so ft h em ir a t i ov sf r e q u e n c yf o r d i f f e r e n ti n n e rc o n d u c t o r s ：c u ，a go rt i f o r c o m p a r i s o n ，t h ed a t af o rac o s i bs i n g l el a y e r a r eg i v e na sw e l l 图l8 不同导电材料制成的多层膜的阻抗变化 率与驱动电流频率的关系 1 2 2 导电层的影响 图1 8 为不同导电层利料的多层膜的阻抗变化率( 外加磁场7 2 0 所7 ) 与驱 动电流频率的关系曲线。从图中可以看出，由银作导电层的多层膜的g m i 效应最 明显( 可达4 9 ( 7 9 6 a m ) ) ，铜次之( 3 8 ( 7 9 6 a m ) ) ，而钛的效果最差( 约1 ( 7 9 6 彳删) ，这说明导电层的导电能力越好，多层膜的g m i 效果越明显。此 首都师范大学顶二b 学位论文 外图中还给出了单层c o s i b 薄膜的g m i 效应曲线。从图中可以看出，在i o m h z 左右的频率范围几乎观察不到单层膜的巨磁阻抗效应。而此时多层膜的g m i 效 应却已经非常明显。 1 2 3 铁磁层几何尺寸的影响 图1 9 为铁磁层的宽度对c o s i b c u c o s i b 三明治多层膜g m i 效应的影响的 试验结果。从图中可以看出( 图中样品尺寸比例不同) ，在导电层宽度保持2 m m 不变时，随着磁性层宽度从0 5 m m 、经过2 r a m 增加到5 m m ，多层膜的磁阻抗比a z 乙 从1 0 经过1 5 增加到2 2 峰的位置向较高的磁场方向移动，所以可以通过调 整铁磁层形状来改变巨磁阻抗峰值磁场的大小。随着铁磁层宽度的增加，多 层膜g m i 效应增强。 f i 9 1 9f i e l dd e p e n d e n c e 0 1 1 g m ir a t i ov sf i g1 1 0 t h e g m ir a t i oo f d i f f e r e n te l e c t r i c m a g n e t i cf i l mw i d t h l a y e r sw i d t h v s f r e q u e n c yf 图9c o s i b c u c o s i b 多层膜的磁性层尺寸对其图1 0 不同导电层宽度的多层膜的阻抗变化率 g m i 效应的影响 a z z o 与驱动电流频率f 的关系 1 2 4c u 层的宽度的变化的影响 f i g1 1 1t h ed l o t so f g m ir a t l 0v s c uf l i msw l d t h 幽1 1 1g m i 效应随c u 膜宽度的变化关系 如图1 1 l 随着导电层宽度的增加，多层薄膜g m i 效应出现峰值。c u 宽度 w c = o 4 m m 时，在驱动频率f = i 3 m h z 下，g m i 效应最强。 1 2 5 绝缘层隔离的改善 从图1 1 2 和1 1 3 中可以看出，导电层与铁磁层直接接触，这样会使导电层与 铁磁层形成磁通回路，增大涡流损耗，从而减弱g m i 效应。如果在导电层与铁 磁层之间增加绝缘层隔离，将交流电完全限制在导电层内，则会增加多层膜的 g m i 效应。如图所示加绝缘层g m i 比可达4 7 而不加绝缘层的三层膜g m i 比 i 3 2 l o 毒r z o 首都师范大学硕_ 上学位论文 只有3 2 h ( k a h n ) f i g 1 1 2f i e l dd e p e n d e n c eo f g m ir a t i o i na s d e p o s i t e di c 、l f pl a y e r e df i l m s a t13 m h zi n ( a ) l o n g i t u d i n a lc a s e 图1 1 2 纵向f ，c u f 三层膜的 巨磁阻抗比 1 2 6 工艺的影响 h ( k a m ) f i g1 1 3 f i e l dd e p e n d e n c eo f g m ir a t i o i na s - d e p o s i t e df s i c “s i 0 2 fl a y e r e d f i l m sa t1 3 m h zi nl o n g i t u d i n a lc a s e 图1 ，1 3 纵向加绝缘层f s i 0 2 c u s i 0 2 f 的 多层膜的巨磁阻抗比 摹 5 已 f i g1 1 4f i e l dd e p e n d e n c eg m ir a t i of i g1 1 5g m ir a t l ov s a n n e a l e d o ft h r e ed i f f e r e n tc o n d i t i o n t e m p e r a t u r e 图1 1 4 三种不同溅射条件下的巨磁阻抗效应图1 1 5 软磁台金薄带纵向及横向g m i ( z ) 最大值随退火处理温度的变化关系 在不同的溅射条件下制备了薄膜，溅射条件对薄膜应力及巨磁阻抗效应的影 响，随着溅射氩气压强的增加，薄膜的内应力从压应力变为张应力，从图1 1 4 可看出，当氩气压强比较低时，虽然有溅射磁场的存在，其巨磁阻抗效应相当小。 而在氪气压强增加到6 6 5 p a 、且无溅射磁场诱生磁各向异性的样品中，巨磁阻抗 效应并不显著，但在相同氩气压强。并有磁场感生磁各项异性的样品中，巨磁阻 抗效应达到4 3 ，这说明薄膜中的应力和磁场感生的磁各向异性对巨磁阻抗效 应影响很大，其中，压应力状态的薄膜内阻抗几乎不随外加磁场的增加而改变， 这可能与其局部压应力状态引起的磁畴结构有关。 图1 1 5 是在外加磁场为1 0 0 、交流电流为i o z m 、不同频率处g m i ( z ) 最 大值随热处理温度的变化关系曲线。纵向及横向g m i ( z ) 最大值的峰值出现在 3 8 0 并分别为1 3 3 和1 2 8 。3 8 0 。c 退火热处理由于形成纳米级。一f e 颗粒，降 低磁晶各向异性能并消除内应力，提高磁导率，导致在相同的外加磁场下磁导率 有很大的改变，因而提高了g m i 效应并使纵向及横向g m i 大致相等。退火的效果 可归为磁结构的改变，主要是畴壁的改变及其钉扎情况的变化。也随外加磁场及 交流驱动电流频率改变。软磁合金薄带在3 8 妒c 下，经6 0 分钟的退火处理后获 得了优良的巨磁阻抗效应，这是由于材料具有优良的软磁性能，外加磁场通过改 首都师范大学硕士学位论文 变材料的有效磁导率而改变交流的趋肤深度，由此产生了g m i 起作用的主要是 磁电感效应，在1 0 0 k h z 下，磁电感项的变化率高达7 6 9 ，在高频时，磁电阻项 对g m i 效应起着主要作用，在1 3 m h z 时，磁电阻项的变化率达到3 8 3 。退火样 品的软磁特性明显优于溅射样品，应力感生的各向异性被消除，矫顽力胞明显 减少。 如果高温热处理后，样品中就会生成纳米晶，由于晶粒和非晶之间的磁耦合 作用会使磁各向异性减少和最小磁致伸缩系数，纳米晶随温度的增加，铁磁合金 粉末，5 1 0 。c 退火粉末具有最佳软磁性能，薄带5 4 0 。c 退火软磁性最好。这样组 织晶化将导致材料软磁性能( 尤其是饱和磁化强度) 的减低和矫顽力的增大。 1 3 多层膜巨磁阻抗理论的计算 1 3 1 层状薄膜的基本理论 b 图1 1 6 多层膜结构侧视和俯视示意图 f i g 1 1 6 s c h e m a t i cd r a w i n go fam u l t i l a y e rm 1e l e m e n t ( a ) c r o s ss e c t i o n a lv i e w , ( b ) t o p v i e w 多层膜的g m i 效应的有利形状如图所示，包含简单的三明治结构，薄膜宽为 b ( y 轴) 和一个长( z 轴) 由内层m 厚为2 d 。和外层铁磁层厚为吐组成，一个a c 交 变电流，= i 。e x p ( 一j c o t ) 从长轴方向流进，主要沿着导体层因为内层的电导率比外 面的铁磁层大的多，磁性层f 假设有横向的磁晶各向异性，一个直流( d e ) 外加磁 场h e x 和电流平行的应用，h e x 比磁晶各向异性h ，小的多，如图1 1 6 ( b ) 存在着 横向的磁畴结构。 首先，我们认为膜的宽度b 足够大和边缘效应能够被忽略的事实，如果 b 2 2 ，卯= 4 吐“。u ，是横向磁导率，用这些近似所有的变化仅仅依赖于膜 的厚度，磁道率张量1 平均为准对角线的形式，通过电领域p = 和磁领域( 吃，。) 和磁感应强度b x = 0 和边界条件 。( d ) = 1 2 7 r i c b ( d = 吐+ d 2 ) 满足m a x w e l l 方 堕型竺! 竺查兰竺主兰竺堡塞 程，那么阻抗可以写成一般的形式 z = r f ( x l ，x 2 ) l + z 2 ) ( 1 1 ) f ( x i , x 2 ，= 等糕 x j 2 ( _ ，一1 ) d 1 1 2 d l ，x 2 = ( 一1 ) d 2 8 g e 2 = 。盯 l 坐：，万22 面c2 ，万；2 蕊c i 2 这里，r 是直流电阻，“= ( ，+ ，12 y x ) 。，c 是光的速率( 高斯单位制) ，在 低频情况( 如( ( 1 ) 和d l o - 。 吐盯：，( 1 1 ) 式可简化为阻抗 扣蹦卜2 以等地= 而1 ( 12 ) ，醉学眵近似t ，三明治磁性层阻抗的贡献描述为内层的外部的电感，因为 三明治的微小厚度，能够很合理的达到几g h z 。而单层膜g m i 大仅可能在箍的延 肤效应( 司) 下成立，这时 zo c 妾* 厍 s ， 另一方面，三明治膜的g m i 效应能够很大，甚至在相当低的频率下，这时趋 肤效应显的不重要而和磁导率卢成线性依赖关系。 当频率为1 0 n z ，取喝= 吐= 0 5 z m 和q = 2 x 1 0 8 s 一，( c u 的电导率) 参数 d 】占25 d 2 j l = 0 0 4 5 一个典型的低频下的磁导率，( h a v i n gar o t a t i o n a l m 。c h a n i s m ) 在应用于也= 壤= 1 0 仍从1 到1 03 的变化，根据( 1 2 ) 式，阻抗比的 分布达4 0 0 。 。g m i 。曼多怂妻堡i 1 1 ) 发现横向磁导率仅仅考虑磁畴的转动，假设畴壁已经 被强烈的阻碍，旋转磁道率张量从线性l a n d a u - - l i f s h i t z 方程蒋至i 茬辛聂摹 段( 国 * 2 y h r ，是旋磁常量) 磁导率h 在比z h 。频率下有个高的锐 利的峰。图1 1 7 显示在心a 峨的巨磁比率达到最大，定义为 z 7 2 2 l z ( 以) 一z ( o ) l l z ( o ) l ，在v = c o lc o j ( = c 2 2 r e d 2 盯2 比，风= 4 口m 。h 。) 频率下，如图1 1 7 ( a ) 各种结构的参数的值雹d 和图1 1 7 ( b ) 电导率仃，c r l 的变化情况：图1 1 7 ( a ) 是c o s i b c u c 。s i g 溅射膜( q 仃2 ：5 0 ) ，在典型的 首都师范大学硕士学位论文 磁性层( z = o ) ，一个大的g m i 在强的趋肤效应频率下v 兰1 ( 在d = 1 p m 大约 6 0 m h z ) ，在v = 2 7 时最大值为6 7 ，在同样总厚度2 d ，用c u 层提高了g m i 的表现能力：阻抗改变接近5 0 在频率( v = 0 1 ) ，最大阻抗增大几倍。在d d = 0 3 和v 2 0 2 8 ，阻抗比最大值4 7 0 ，图1 1 7 ( b ) 显示在瓯仅仅l p , e 2 几倍大的情况下 n ：k q l a z z 显著的增加，但是巨磁阻抗效应发生在低频v 1 0 。 r e d u c e df r e q u e n c ypr e d u c e df r e q u e n c yv f i g 1 1 7 p l o t so f t h em ir a t i ov s r e d u c e df r e q u e n c y 、2 | 5 f o rn u m b e ro fp a r a m e t e r s d l d i n ( a ) a n d 瓯0 2 ( b ) t y p i c a lp a r a m e t e r s u s e df o rc a l c u l a t i o n a r e ：4 z m ，= 6 0 0 0 g ，h k = 9 0 e ，盯2 = 4 5 1 0 1 6 s ，d = 1 p m i n ( a ) 盯1 o - 2 = 5 0 ，a n di n ( b ) d l = d 2 t oa v o i dt h ed i v e r g e n c eo f “a th e k = h k ，缈= 0 ，as m a l la n i s o t r o p yd e v i m i o ni n5 。f r o m y - a x i si si n t r o d u c e d ，t h es p i nr e l a x a t i o nc o n s t a n ti st a k e nt ob e0 2 ，t h e s em a g n e t i cp a r a m e t e r sa r e u s e df o ra l lt h ec a l c u l a t i o n s 图1 1 7g m i 比随着频率v = 珊变化( a ) 为d t d 为参数( b ) 仃i 0 - 2 为参数的计 算模拟曲线 如果薄膜厚更进一步减少( o 1u m ) ，g m i 比相当的降低到2 0 一1 5 ，即 使在三明治膜也转移到高频，在高频段旋转磁导率减小，图l ，1 8 展示了理论依 靠a z z 在o 1 i m 随着频率的减小，巨磁阻抗也随着变小。h e 。和h k 反映了横 向磁导率的行为，在频率v = o 1 6 ( 大约3 0 0 m h z ) 达到这种情况的最大g m i 比 达1 4 3 在h 。= 1 3 h k 时，这种阻抗行为很好的解释了g m i 多层膜的实验结果。 首都师范大学硕士学位论文 r e d u c e df i e l d 。h “h k f i g 1 1 8 t h em ir a t i oa saf u n c t i o no fh e 。f o rt w of r e q u e n c i e sv = o 0 4a n dv = 0 1 6 d = 0 1 “m c r 2 = 1 7 x 1 0 1 7 s 一，q g 2 = 1 2 ( r e l a t e d t o n i f e c u n i f e f i l m s ) 图1 1 8g m i 比在v = 0 0