（凝聚态物理专业论文）磁控溅射工艺对复合结构丝微结构和巨磁阻抗效应的影响.pdf

摘要 摘要 巨磁阻抗( g m r ) 效应是指铁磁材料的交流阻抗在外加直流磁场的作用下发 生显著变化的现象。这种效应具有灵敏度高、响应快等优点，在磁传感器和磁记 录中有着潜在的应用价值。近年来，复合结构材料成为g m i 材料研究中的热点。 相比于匀质材料，复会结构材料的巨磁阻抗效应显著增强，且在较低的频率下就 可以观察到明显的g m i 效应。 本文利用磁控溅射的方法制备复合结构丝，从对复合结构丝镀层结构的设计 入手，在制备过程中，通过改变磁控溅射的制备工艺，获得不同微结构和磁性能 的复合结构丝。文章分尉研究了旋转交替、间歇溅射和双磁性层等铡备工艺对复 合结构丝的磁性能和g m i 效应的影响。研究内容和结果如下： 1 采用自行设计的旋转换向真空镀膜装置，通过改变丝的旋转方向和交替 次数，制备了一系歹| l 总厚度糖同、层数不同斡n i s e 2 d c u 复合结构丝样品，并 测量了它们的g m i 效应。研究发现： ( 董) 交替换惫溅射的样晶存在层闻磁化竞争，宏观磁化是各层之闻磁化竞争 的结果。在层数为1 “层的n i 8 0 f e 2 d c u 复合结构丝中，具有奇数层数的样品在 磁化时拥有优势取向，堡随着层数增多、单层厚度减小，这种优势取向减弱。焉 对于具有偶数层数的样品，最初，随着交替次数增多，其g m i 效应有所上升。 国复合结构丝的g m i 效应与样品的旋转交替次数和单层厚度有关。存在 一个临界单层厚度，在达到临界值时，g m i 效应可以有较大的提高，且观察到 最大阻抗交化的特蔹频率大为减小。交替溅射的n i s o f e 2 d c u 复合结构丝在层数 为2 4 层，单层厚度为1 5 0n m 时，最大阻抗变化可达2 4 0 。达到临界厚度后， 再增加交替次数，将使镀层中的秀面增多，此时界面效应增强，磁阻抗效应显示 出减小的趋势。 2 采用两种溅射工艺( 连续溅射和间歇溅射) 制备了n i s o f e 2 d c u 复合结构 丝，并通过扫描电镜、x 射线衍射手段研究了样品的微结构。测量了样晶的阻抗 谱，并将g m i 效应作为研究材料磁性能手段，分析了不同溅射工艺制备对复合 攘要 结构丝软磁镀层的磁性能的影响。研究表稿： 当采用闻歇溅射工艺时，复合结构丝的镀层中出现明显界面。镀层的结晶度 增加，晶粒有所长大。溅射过程存在闻歇，会导致镀层内部结构差异，磁层内部 存在多个各向异性场分布，各层的磁化行为不同，磁导率下降，随外场变化的阻 抗谱不荐是一条光滑的单峰曲线。随着间歇次数的增多，阻抗效应有所减小。对 间歇溅射复合结构丝样品退火后，释放了一部分内应力，阻抗效应增强，且内、 外磁层磁性能趋于一致。 3 。利用磁控溅射方法钊各了含n i s 毋e 2 0 和f e 箨。5 c u l i b 3 s i l 3 。5 8 9 两种磁性材料 的复合结构丝。对其g m i 效应的研究表盟： ( 1 ) 在原来的n i s o f e 2 0 层上溅射f e 7 3 5 c u l n b 3 8 i 1 3 5 8 9 附加层后，可能改变材料 内部的应力分布。f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 层的厚度对复合结构丝g m i 效应的影响显 著，在一定厚度范围内，随着f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 附加层厚度的增加，材料内部 应力逐渐增大，这时，磁应力各向异性对有效磁各向异性的贡献增大，因此，复 合结构丝的等效各向异性场有骥显增大。 g n i s o f e 2 0 和f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 。5 8 9 层的相对位置也会对复合结构丝的磁化行 为产生影响，从而改变材料的g m i 效应。内层为n is j o f e 抛的复合结构丝显示出 芷的阻抗效应，内层为f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 。5 8 9 的复合结构丝表现为负的阻抗效应。 关键词：g m i 效应，复合结构丝，各向异性，磁化竞争，界面效应，应力作用 n a b s 期受a c t a b s t r a c t t h eg i a n tm a g n e t o - i m p e d a n c e ( g m r ) e f f e c tc o n s i s t so fs i g n i f i c a n tc h a n g e so f t h ec o m p l e xi m p e d a n c ev a l u eo fs o rm a g n e t i cm a t e r i a l su p o nt h ea p p l i c a t i o no fa n e 蛾嬲戚m a g n e t i cf i e l d t h ep h e n o m e n o nh a sa t t r a c t e dm u c ha r e n t i o no v e rt h ep a s t y e a r sb e c a u s eo fi t sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nm a g n e t i cr e c o r d i n gh e a d sa n ds e n s i t i v e 辩n s o r s ，w h i c ha r ec h a r a c t e r i z e db yh i 醢s e n s i t i v i t ya n dq u i c kr e s p o n s e i nr e c e n t y e a r s ，t h er e s e a r c ho ng m ie f f e c th a se x t e n d e dt oc o m p o s i t e ss t r u c t u r em a t e r i a l s ， w h i c hh a v es h o w ne n h a n c e m e n to fg m ie f f e c t c o m p a r e dw i t hh o m o g e n e o u s m a t e r i a l s 。 i nt h i sp a p e r , t h em a g n c t r o ns p u t t e r i n gm e t h o di su s e dt op r e p a r ec o m p o s i t e w i r e s b yv a r y i n gt h ep r e p a r a t i o nt e c h n i q u e s ，t h em a g n e t i cs t r u c t u r eo ft h ed e p o s i t e d l a y e r sc 雒b ec o n t r o h e dd u r i n gd e p o s i t i o n t h i st h e s i si n c l u d e ss t u d i e so nt h e s t r u c t u r ea n dg m ie f f e c to fc o m p o s i t ew i r e sp r e p a r e db yt h ef o l l o w i n gm e t h o d s ： 1 n i s o f c 凌o c uc o m p o s i t ew i r e sw e r ep r e p a r e db ya l t e r n a t i n gt h er o t a t i n g d i r e c t i o no ft h ew i r ed u r i n gr fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g i no r d e rt ok e e pt h eo v e r a l l c o a t i n gt h i c k n e s so fa l lt h es a m p l e sc o n s t a n t , t h ea l t e r n a t i n gi n t e r v a la n dt h er o t a t i n g p e r i o do fe a c hs a m p l ed u r i n gs p u ：t t e r i n gw e r ev a r i e d a st h er o t a t i n gp e r i o di n c r e a s e d ， t h ed e p o s i t e dm a g n e t i cl a y e r si n c r e a s e da n dt h es i n g l el a y e rt h i c k n e s sd e c r e a s e d 。t h e r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a t ： ( 1 ) t h ec o m p o s i t ew i r e sp r e p a r e db yt h ea l t e r n a t er o t a t i n gm e t h o ds h o w m a g n e t i cc o m p e t i n ga m o n gl a y e r s t h em a g n e t i cb e h a v i o ri st h er e s u l to ft h eo v e r a l l m a g n e t i cc o m p e t i t i o n 。f o rs a m p l e sw i t ho d dm a g n e t i cl a y e r s ，t h e r ei sap r e f e r e n t i a l o r i e n t a t i o nw h e nb e i n gm a g n e t i z e d t h ep r e f e r e n t i a lo r i e n t a t i o nb e c o m e sw e a k 嬲t h e l a y e r si n c r e a s e 。f o rs a m p l e sw i t he v e nm a g n e t i cl a y e r s ，鑫st h ea l t e r n a t i n gi n t e r v a l c h a n g e s ，t h e i rm a g n e t i c s t r u c t u r ev a r i e sa n dt h e s a m p l e s s h o wd i f f e r e n t m a g n e t o i m p e d a n c ep r o f i l e s 。 ( 2 ) t h e r ei sac r i t i c a lt h i c k n e s sf o rs i n g l es p u t t e r e dl a y e ra tw h i c ht h em ie f f e c t o ft h ec o m p o s i t ew i r ei ss i g n i f i c a n t l ye n h a n c e da n dc o u l db eo b s e r v e da ta r e l a t i v e l y l o wd r i v e nc u r r e n tf r e q u e n c y f o ra l la l t e r n a t e r o t a t i o n a l p r e p a r e dn i s 0 f e 2 0 c u c o m p o s i t ew i r ew i t h2 4m a g n e t i cl a y e r sa n dw i t has i n g l el a y e rt h i c k n e s so f15 0r m a , 瑚 。 t h em a x i l n u l l lg m ir a t i oo f2 4 0 h a sb e e na c h i e v e d b e l o wt h ec r i t i c a lt h i c k n e s s ，a s t h ea l t e r n a t er o t a t i n gp e r i o di n c r e a s e s ，i n t e r f a c ee f f e c tb e c o m e si m p o r t a n ta n di t sg m i e f f e c td e c r e a s e s + 2 。m a g n e t r o ns p u t t e r i n gi nt h ef o r mo fc o n t i n u o u sd e p o s i t i o na n di n t e r m i t t e n t d e p o s i t i o nm o d e sw e r eu s e dt oo b t a i nn i s 0 f e 2 0 c uc o m p o s i t ew i r e s t h er e s u l t ss h o w t h a ti n t e r m i t t e n td e p o s i t i o nm o d el e dt ot h ef o r m a t i o no fa ni n t e r f a c eb e t w e e n d e p o s i t e dl a y e r s ab e t t e rc r y s t a l l i t ea n dal i t t l e 咖g r o w t hw e r ef o u n df o rt h e i n t e r m i t t e n t l yd e p o s i t e dw i r e s 。t h eg m ip r o f i l ef o rt h ei n t e r m i t t e n t l yd e p o s i t e d c o m p o s i t ew i r ew a s c h a r a c t e r i z e db yt w op e a k s 。t h i sp h e n o m e n o nc o u l db ea t t r i b u t e d t ot h ep r e s e n c eo fa l li n t e r f a c eb e t w e e nt h ed e p o s i t e dm a g n e t i cl a y e r sa n dt h e d i f f e r e n c ei n t h em a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h ei n n e ra n dt h eo u t e rm a g n e t i cl a y e r s a st h e i n t e r m i t t e n tt i m e si n c r e a s e s ，t h eg m ie f f e c to ft h ec o m p o s i t ew i r ed e c r e a s e s a n n e a l i n gw a si n t r o d u c e dt ot h ei n t e r m i t t e n t l yd e p o s i t e dw i r es ot h a tt h e 洫e r e n t s t r e s s e sw e r ep a r t i a l l yr e l a x e d a sar e s u l t , i t sg m ie f f e c tw a se n h a n c e da n dt h e m a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h et w om a g n e t i cl a y e r sb e c a m es i m i l a r 3 t h eg m ie f f e c to ft h eb i l a y e rc o m p o s i t ew i r e sc o n t a i n i n gn i s o f e 2 0a n d f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9m a g n e t i cm a t e r i a l sh a sb e e ns t u d i e d ： ( 1 ) t h ef e 7 3 5 c u l n b 3 s i b 5 8 9a d d i t i o n a ll a y e rc o u l dc h a n g et h es t r e s sd i s t r i b u t i o n i nc o m p o s i t ew i r e s a st h et h i c k n e s so ff e t s 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9l a y e ri n c r e a s e d , 也e i n t e r n a ls t r e s si n c r e a s e di nt h ef e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 舀n i s o f e 2 d c uc o m p o s i t ew i r ea n d t h ec o n t r i b u t i o no fm a g n e t o e l a s t i ca n i s o t r o p yt ot h e o v e r a l lm a g n e t i ca n i s o t r o p y i n c r e a s e d t h u s ，t h ev a l u eo fa n i s o t r o p yf i e l do ft h ec o m p o s i t ew i r ei n c r e a s e d ( 2 ) t h ep o s i t i o no fn i s o f e 2 0a n df e 7 3 5 c u i n b 3 s i l 3 5 8 9c a n i n f l u e n c et h em a g n e t i c b e h a v i o r so ft h ec o m p o s i t ew i r e s ，a n dh e n c ea f f e c ti t sg m ie f f e c t t h ec o m p o s i t e w i r ew i t hn i s o f e 2 0a st h ei n n e rl a y e rs h o w sp o s i t i v el v l ie f f e c t , w h i l et h eo n ew i t h f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9a st h ei n n e rl a y e rs h o w sm i n u sm ie f f e c t 。 k e yw o r d s ：g m ie f f e c t , c o m p o s i t ew i r e ，a n i s o t r o p y , m a g n e t i cc o m p e t i t i o n , i n t e r f a c e e f f e c t ，s t r e s s 。 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 要贾献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：蠡趁日期：迦墨茎： 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霹进 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： 墨期： 酋蝰 诫毛。 撇名：名十耋 第一章绪论 第一章绪论 本章首先对几种主要的磁电效应及其应用做一简要介绍，然后回顾巨磁阻抗 效应的起源、发展和应用，总结复合结构材料巨磁阻抗效应的理论研究现状和实 验进展，并提出本文的实验设计思想和实验内容。 1 1 磁电效应及其应用 在磁场的作用下，磁性物质的磁状态发生改变，这种变化通常与材料的电、 光、热、力等物理性质之间存在一定的联系，导致相应磁效应的出现( 如磁电、 磁光、磁热效应等) 【1 1 。其中，磁电效应在现代科学技术的发展中尤为重要，利 用磁电效应制成的磁电子器件已步入人们的日常生活中，它的发展将进一步改变 人们的工作和生活，具有巨大的社会和商业价值。 固体电子学理论告诉我们，电子既是电荷的负载体，也是自旋的负载体。因 此，一方面，人们可以通过操纵电荷( 多数载流子和少数载流子) 来调制其导电 行为这便是人们颇为熟悉的半导体电子学，它在上世纪已得到快速发展；另 一方面，通过磁场操纵自旋的相对取向，并利用电子输运特性与磁有序之间的关 联来调制其传导行为的新兴学科磁电子学，在磁记录、磁传感器、自旋晶体 管等方面具有广泛的应用前景 2 ，3 】。磁电子学研究的是在介观尺度上通过磁场调 制自旋态，并利用电子传导与磁性之间的关联效应来调制电子的输运特性。 本节分两大类介绍几种具有代表性的磁电效应的物理原理及其主要应用：一 类是由磁场对传导电子直接作用引起的霍尔效应和磁阻效应；另一类是由自旋输 运引起的磁电效应，如巨磁电阻效应、隧道巨磁电阻效应等。 1 1 1 磁场对载流子的作用 第一类磁电效应的研究由来已久。早在1 8 7 9 年，德国物理学家霍尔( h a l l ) 在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现，当导体置于与电流方向垂直的磁场 中，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现横向电势差。这便是 霍尔效应饵a j le f f e c t ) 4 1 。霍尔效应可以从运动电荷受到的洛伦兹力得到解释：因 第一章绪论 为磁场使导体内的载流子发生偏转，在导体两侧集聚正、负电荷，形成电位差。 但经典理论给出的霍尔系数与实验有一定的偏差，这是因为没有考虑到量子效应 的影响。霍尔效应的完整解释需要使用量子理论。祠焉霍尔效应制成的霍尔元件 结构简单、体积小，且可以与半导体器件集成，慝前已在测量、电子技术、自动 化等工业领域得到广泛应用。但它的热稳定性差，灵敏度不高，一般适合在较大 的磁场下使用【5 1 。 对于通常的金属，外加磁场会引起材料的电阻率变化，这就是所谓的磁电阻 效应( m a g n e t o r e s i s t a n e ee f f e c t ，简称m r ) 。它的机理是运动电子在磁场中受洛伦 兹力的作用发生偏转或作回旋运动，使电子散射概率增加，从而使电阻增大。几 乎所有金属和半导体都存在磁电阻效应，也称为正常磁电n ( o m r ) 。通常c u , a g ， a 麓等菲磁性金属的磁电阻都很小( 1 0 0 ( 多层膜) 。7 ， 膜) 7 3 6 0 ， 7 l l 一 2 0 ( 室温颗粒膜)8 ( 颗粒膜) 7 ， 。j 。 o 0 1 一 一 灵敏度( o e ) ，1 2 ( 三层膜，中等场强) 7 一，1 5 ( 低场) f s = ( a z z ) a n 【s = ( r r ) a s ( 低场下)3 ( 多层膜，低场)1 0 - 0 3 0 ( 中低场) ，j ， 0 0 1 ( 颗粒膜，高场) ， j ，：i 7 ， ，? ? 【c o ，f e c r , c 啦羽 f e a 1 2 0 j f e 】 c o 基非晶， 典型材料坡莫合金f e 基纳米晶 ( 多层膜，颗粒膜) ( 丝，膜，条带) 1 2 巨磁阻抗效应的基本原理及其与磁各向异性的关系 1 2 1 巨磁阻抗效应的基本原理 自发现g m i 效应以来，研究人员一直尝试从理论上对其进行解释【3 0 3 5 1 。由 于g m i 效应的材料尺寸大都不在介观( 纳米) 尺度，所以对g m i 效应的微观机 制的研究还比较缺乏。 对于匀质铁磁丝、带和单层膜的g m i 效应，理论研究比较成熟，可以用经 典的电动力学来解释。 第一章绪论 以匀质丝为例，设一长为z 、半径为口的细丝0 d ，当透有频率为的交 变电流歹= 厶露一螂时，考虑均匀磁化，其阻抗表达式为【3 0 】： + 嚣喜啪榴 ， 其中，七一半，瓯二嘉为趋肤深度，式斑= 荔是直流电函， 和以分别为零阶和一阶贝塞尔躏数。仃和分别是材料的电导率和环向磁导率。 样品的阻抗通过趋肤深度氏与磁导率相联系。如图1 - 3 所示，如果外加直 流磁场曩r 斑发生变化，必然会影响软磁材料的磁化行为，改变材料的磁导率，使 趋肤深度氏改变，从而使材料的交流阻抗发生变化。磁导率的增加将导致趋肤 深度减小。嚣此，在匀质材料中趋肤效应是弓| 起q 湿效应的主要原因。为了获 得大的饼效应，通常选择大、氏小的材料。 亘目 魄= o i - i t 0 圈1 - 3 由上至下依次为：趋肤深度( & ) 、胃逆磁蛩率( 薜) 与钋热直流磁场( 玩) 的关系； 丝状样品氏与玩的关系；薄膜样鼯屯与巩的关系 交交驱动电流的频率和g m i 效应的关系密切葡复杂；低频时( 凡k h z 以内) ， 趋肤效应很弱，阻抗变化主要来源于电感l 的贡献【1 3 】；在中频范围内( 1 0 0 k h z 第一章绪论 1 0m h z ) ，在外磁场的作用下，材料内部发生畴壁移动和磁矩转动，改变了有 效磁导率，进而改变趋肤深度，使g m i 曲线达到峰值，若频率再升高，涡流增 大使得畴壁移动受到阻尼，此时只有磁矩转动，g m i 效应减小；在更高的频率 下( 1 0m h z ) ，样品已经磁化饱和，阻抗谱峰值对应的外磁场向高场方向移动。 由于交流阻抗的变化涉及到材料本身的磁性参数，利用g m i 效应可以得到 材料的磁各向异性场、磁致伸缩、材料磁化过程等表征磁性能的信息。因此，研 究g m i 效应，就可以研究这些磁性参数对外磁场的依赖关系及频率特性。g m i 可以作为一种新型、简单、非破坏性的磁性能测量手段【翊。例如对于具有横向 磁结构的样品，g m i 曲线峰位所对应的磁场接近于材料中各向异性场h k 的大小。 对样品施加应力退火时，不仅改变其饱和磁致伸缩系数厶，也可以改变h k ，分 别满足： f 以= 以( o ) 一舸 1h=+ (l2)k a o 2bha o b o - ci = + + 、7 式中，k 、a 、b ，c 是常数。兄和风之间的关系为： 2 一风md h x ( 1 3 ) 一 3d o 通过测量g m i 效应，得到上和应力。的关系，拟合得到常数a 、b 、c ，则 可以求出饱和磁致伸缩常数兄以及系数k 。利用这种方法得到的结果与小角磁 化转动法的结果接近。 1 2 2 巨磁阻抗效应与磁各向异性的关系 巨磁阻抗效应反映了磁性材料的交流阻抗随外磁场的变化，实际上是外加直 流磁场、交变磁化驱动场和材料内部的磁结构三者共同作用的结果。因此，改善 材料的磁结构是提高材料g m i 效应的关键。 以丝状样品为例，图1 _ 4 显示了两种不同磁结构的细丝及其阻抗谱。其中， 交变驱动场h 在丝的圆周方向，直流外加磁场玩平行于细丝的长轴方向。 第一章绪论 h e x 2 h o x 图l _ 4 不简磁结构的样品及其g m i 曲线( 外磁场沿轴向) 如图l 左半图所示，若易磁化方向沿着细丝的环向：当魄一0 时，在h 作 用下磁化过程以畴壁移动为主；增加玩不超过细丝的环向等效各向异性场题 时，材料还伴随着磁矩的转动，此时磁矩转动和畴壁移动都会对磁化有贡献；当 z = h k 时，转动磁导率达到最大，相应达到最大阻抗变化；当鼠譬超过矾时， 样品内磁矩的磁化方向逐渐处于难磁化方向，磁导率减小导致阻抗值减小，阻抗 变化减小，并最终达到饱和。在这种情况下，外加磁场从坍玉到州变化时，材 料的阻抗变化显示两个峰，阻抗曲线峰值处对应的外磁场近似等予材料内部等效 各向昴性场的大小。 若细丝具有纵向磁结构，即细丝的易磁化方向沿长轴方向，如图l _ 4 右半图 新示。对予此情形，h 作用下的磁化戬磁矩转动为主，僵由于易磁能方囊在纵向， 其环向磁导率删氐，相应的阻抗值较小；且由于玩和风平行，玩的作用始终 是阻止磁化过程的进行，使得鳓进一步减小，从惹爱起隰抗的下降。当慰舅增大 到一定程度，磁化过程将难以继续，磁阻抗曲线也达到饱和。此种情形难以获得 较大的g m i 效应。 由上述分析可知，巨磁阻抗效应和材料的磁各向异性之间存在密切联系。因 此，可以通过控制材料的磁结构来实现所需要的磁阻抗响应。为了获得较大的 g m i 效应，对于环向或横向驱动方式，通常要求材料具有环向( 丝) 或者横向 ( 薄带、薄膜) 的各向异性。在以往的研究中，通常采用后期热处理使材料感生 各向异性。如在居里点以下，通过施加磁场1 3 5 】或一定应力【3 刀，能够在磁场或应 第一章绪论 力方向上改善材料的磁矩取向。值得说明的是，由于实际制备中很难得到单一磁 结构的材料，样品的磁结构更为复杂，因此测得的阻抗曲线往往表现为上述模式 的混合。从上述分析可以看出，磁阻抗曲线能够反映材料磁结构方面的信息，因 此，g m i 效应可以作为测量材料磁性能的一种手段。 对于磁性材料而言，磁各向异性是支配材料磁化难易程度，决定材料磁学特 性的重要因素之一。在不同的应用场合，对磁性材料的各向异性大小和分布有不 同的要求。非晶态材料短程有序、长程无序，磁各向异性能很低。而对于晶态薄 膜，由于材料内部晶轴方向不同，会产生磁晶各向异性。 在磁性薄膜中，单位体积的有效各向异性能k 可以唯象地表示为体各向异 性能墨与界面各向异性能墨的贡献之和 3 8 1 ： k = 墨+ 2 k , d ( 1 4 ) 其中d 是磁性层的厚度。体各向异性能凰的来源包括磁晶各向异性、形状 各向异性、交换各向异性、感生各向异性和磁弹性各向异性等。一般来说，自旋 一轨道相互作用和磁偶极相互作用是影响薄膜的体各向异性的两个主要来源。前 者与薄膜晶体结构的对称性相关，即磁晶各向异性。后者的长程特性表现为不同 形状样品的形状各向异性【3 9 】。 对于薄膜样品而言，当薄膜膜厚小于临界厚度三嚣时，其磁矩方向完全分布 在薄膜平面内，根据公式： l 织= 2 x ( a k p ) 1 他 ( 1 5 ) 可以估算出这个临界厚度，式中妫为薄膜样品的垂直各向异性常数，么为 交换作用参数。对于g m i 薄膜材料而言，当单层铁磁层厚度在微米尺度上，界 面各向异性能墨对有效各向异性能k 的作用可以忽略不计；而当薄膜小于一定 厚度( 一般为几十纳米到一百纳米) 时，界面各向异性能墨会对薄膜的有效各 向异性能起很大作用。界面各向异性能主要由薄膜的对称性破缺引起。 1 3 复合结构材料g m i 效应的研究现状 材料的结构对g m i 效应的影响显著。近年来，人们在由中间为一高电导率 第一章绪论 的非铁磁性层、两边为铁磁层组成的三骧治薄膜和由高电导率的非铁磁性细丝外 包裹层铁磁材料组成的复合结构丝中观察到明显的g m i 效应。与由同样铁磁 材料组成的单层膜和匀质丝相比，三骥治薄膜和复合结构丝昀g m i 效应表现出 两个明显的特点【4 1 】：一是g m i 效应显著增强；二是在较低的频率下就可以观察 到明显的阻抗变化。复合结构材料的g m i 效应更有利于实现器件的微型化，同 时可在更宽的频率范围内应用，已引起各国学者的广泛关注。 1 3 1 复合结构丝g m i 效应的实验进展 目前的研究中，多层膜主要是由磁控溅射方法制备，即在高电导率的非铁磁 性薄膜两侧沉积铁磁层【4 2 】，复合结构丝主要是通过电镀或化学镀 4 3 , 4 4 1 在非铁磁性 金属丝外沉积一层铁磁薄膜来制备。本节就几类具有代表性的复合结构丝的g m i 效应做一介绍。 ( 1 ) f 导电层铁磁层】形式的复合结构丝 【导电层献磁层】形式的复合结构丝是目前复合结构丝中研究较多的一类。它 的结构是中间为高电导率的非金属内芯( c uc u b e ，a g 等) ，外镀磁性层( n i f e ， n i f e m o ，c o p , c o n i f e 等) 。各国学者对此展开了一系列研究，如铡备工艺、铁磁 层成份、磁性层厚度、内芯层电导率等参数对复合结构丝g m i 效应的影响【4 1 , 4 3 1 。 s i n n e c k e r 等人f 4 5 】研究了电镀c o p c u 的复合结构丝，研究表明该复合结构丝 具有径向磁各向异性( 径向磁畴结构) ，且封闭磁畴的大小随磁层厚度增加而增 大：当镀层厚度小于0 4t x m 时，样品表现出平面各向异性；当厚度达到几个阻 时，各向异性主要垂直于表面分布。嗽于c u 丝的几何结构为柱状，因此其垂直 各向异性实际是沿着丝的半径方向。过去通常认为径向磁各向界性不利于 沮 效应，但c o p c u 复合结构丝的阻抗变化却可达到3 5 0 。 最近，p h a n 等人悯在对电镀c o p c u 复合结构丝的研究中发现，电镀沉积时 闻和电解质的电流密度会改变镀层的磁畴结构，从而对其巨磁阻抗效应产生影 响。当电解质电流密度为6 3 9m a c m 2 ，电镀时间为6r a i n 时，复合结构丝在1 0 7 m h z 测试频率下，可获得5 3 4 蚓鹭阻抗变化，灵敏度达到2 1o d o e 。 a t a l a y 等人【4 3 】在直径为5 0 阻的c u 丝上电镀不同厚度的眦e 层，发现增 第一章绪论 加磁性层簿度能降低出现g m i 效应的频率。在n i f e 层厚度为1 0p m 的n i f e i c u 复合结构丝中，观察到7 5 0 的阻抗变化，而此时驱动电流频率仅为5 5k h z 。 x p l i 研究小组e 4 r j 系统研究了制各条件( 如电沉积电流密度、占空比、p h 值等) 对n i f e c u 复合结构丝g m i 效应的影响。此外，该研究小组还研究了经 不同电流密度退火的n i _ f e c u 复合结构丝的g m i 效应【4 9 】。研究发现，对于丝状 样品，电流退火会感生环向各向异性。样品在退火后g m i 效应褥到显著增强， 在经最佳退火电流7 2 x 1 0 8 刖。处理下，复合结构丝的最大阻抗变化达到1 1 1 0 ，灵敏度高达2 1 8 幻e ，如图l 。5 所示。 l l l o o e ) 图1 - 5 经不同电流密度退火后，n i f e c u 复合结构丝的g m i 效应 g ) 【导电层，绝缘层，铁磁层1 形式的复合结构丝 在导电层和铁磁层之闻加入绝缘层的复合结构丝中，有时可观察到其g m i 效应的增强。王新征湖等人在带绝缘层的c u b e i n s u l a t o r n i f e b 复合结构丝中观 察到2 5 0 的阻抗变化，这比在没有绝缘层的c u b e n i f e b 复合结构丝中观察到 的2 3 的阻抗变化高出9 倍多。该文作者认为，对于两种复合结构丝，由于在 外磁场作用下，电流分布不同，内芯层与外磁层的电磁相互作用不同，导致了两 者g m i 效应的差别。 一对于绝缘层在复合结构材料中盼络蔫机制，冒蓠尚：无定论。a 趋参醐o v 【司认为， 加入绝缘层后，一方面减少了铁磁层之间的耦合作用和铁磁层内的损耗；另一方 面，减少层与层之阆的扩散作震，使内芯层具有更高的电导率。b u z n i k o v 等人 【4 9 】建立了一个带绝缘层的复合结构丝的g m i 效应模型，认为随着外磁场的变化， 第一章绪论 i 两 第一章绪论 的应力，可以使复合丝的宏观磁结构发生转变。 图1 7 ( c o f e n i b 5 8 1 5 s i l o 玻璃包裹丝在制各态( ) 和溅射1 0 0n m 的n 层后( ) 的磁滞回线 图1 - 8 显示了c o 基玻璃包裹丝外电镀c o n i 层的复合丝的g m i 响应曲线及 其低场的磁滞回线。可以看到，外磁场从。垃：到+ 如变化时，材料的g m i 曲线 出现四个峰。该文作者认为，高场的两个峰可能与c o n i 层引起的横向各向异性 有关；而低场的两个峰与不可逆磁化过程有关。由于应力作用和磁相互作用，外 加的c o n i 层提供了新的环向各向异性分量。作者同时指出，出现该现象的原因 需要进一步研究。 图1 - 8c o 基玻璃包裹丝外电镀c o n i 层的复合丝的g m i 响应曲线及其低场的磁滞回线 1 3 2 复合结构材料g m i 效应的理论解释 对于匀质材料的g m i 效应，通常用趋肤效应解释，理论体系已经比较完善。 第一章绪论 而对于复合结构材料( 多层膜、复合结构丝) ，很多学者对其巨磁阻抗效应的机 理进行了研究，并提出了各自的理论模型，例如研究了各向异性场、非铁磁层和 铁磁层的电导率比、几何尺寸等对复合结构材料g m i 效应的影响。但由于复合 材料结构复杂，至今对其g m i 效应产生的物理机制尚存争议。下面，就几类重 要的理论模型做一介绍。 p a n i n a 等人【2 3 1 在忽略边缘效应条件下，给出了低频下三明治结构多层膜的阻 抗的简单表达式： z 吨( 1 _ 2 讹等 m 回 r m 是导电层的直流电阻，2 西和函分别是导电层和软磁层厚度，z 为薄膜长 度，b 为其宽度，如图1 - 9 所示。 b 图1 - 9 三明治薄膜的截面示意图，( a ) 横截面，( b ) 俯视图 他们认为三明治结构多层膜磁阻抗的电感分量与磁性层的横向磁导率朋成 比例，从而提出，这类材料中趋肤效应已经不是引起g m i 效应的主要因素。 s i n n e c k e r 等人湖用有限元法( f e m ) 分别模拟了匀质丝和复合结构丝在不同 频率和磁导率下的电流密度分布情况。在复合结构丝中，假设中间非铁磁金属丝 的直径为1 2 0 岫，铁磁层厚度为2 0g t n ，当频率从1 0 0h z 5 0 0k h z 变化时，电 流由主要从非铁磁层流过逐渐过渡到从铁磁层流过，在1k h z 时铁磁层内就已经 出现明显的趋肤效应。受有限元法的限制，他们在模拟过程中未考虑材料的磁滞 行为和磁各向异性，没有详细分析在不同驱动电流频率下材料各层内的趋肤效应 的强弱情况。b u z n i k o v 等人【5 6 】报道了用解析法模拟复合结构丝的电场分布和 g m i 效应，得出和有限元法模拟相类似的结果。他们主要讨论了材料尺寸对g m i 矗 第一章绪论 效应的影响，并提出对复合结构丝的结构优化设计。上述两种方法为进一步分析 复合结构材料g m i 效应的物理本质提供了基础。 刘龙平等人【4 1 j 利用m a x w e u 电磁方程组建立了复合结构丝g m i 效应的理论 模型，同时考虑低频时的畴壁移动和较高频率时的磁矩转动对磁导率的贡献，对 c u f e c o n i 复合结构丝和f e c o n i 匀质铁磁丝在不同频率时的电流密度分布及其 g m i 效应进行了数值模拟，提出趋肤效应增强模型。 3 毫 菩 寻 一 _ 。产一_ 一 。j _ j 芦一| | 芦1 m 量 墨 r ( a + b ) 图1 - 1 0c u f e 2 0 c o c , n i 7 4 复合结构丝在不同频率时的电流密度分布 图1 1 0 显示了c u f e 2 0 c 0 6 n i 7 4 复合结构丝在频率范围为0 1 1 0m h z 间的 电流密度分布模拟结果。其中，横坐标r ( a + b ) 从零点到断点之间对应的是c u 芯、 从断点到1 0 之间对应的是f e 2 0 c 0 6 n i 7 4 铁磁层；纵坐标分别为距离中心，- 处的 c u 芯内电流密度山和f e 2 0 c 0 6 n i 7 4 层内的电流密度 ( ，) 与复合结构丝最外表面 的电流密度 ( 口+ 6 ) 之比。可以看到，复合结构丝的不同层间存在很强的电磁相 互作用，与同样条件下的匀质铁磁丝相比，复合结构丝铁磁层内的电流随频率的 增大更快趋向于表面分布，且出现明显趋肤效应所对应的频率大为降低。这是由 于复合结构丝铁磁层内的电流密度分布除了与自身通过的传导电流产生的电磁 场有关外，还受到中间高电导率的c u 芯产生的电磁场的影响，在铁磁层产生很 强的涡流，同时又反过来影响通过c u 芯的电流大小。这种不同层之间的电磁相 互作用，最终引起复合结构丝内电流的重新分布。作者指出，趋肤效应仍然是复 合结构材料产生g m i 效应的重要原因。 第一章绪论 1 3 3 薄膜制备工艺对薄膜微结构和磁性能的影响 薄膜酶制备工艺对其微结构和磁性能的影响显著。s o m m e r 等人瞰】研究了不 同a g 层厚度和不同双层膜数量的 p e r m a l l o y a g n 多层膜的阻抗效应。 p y i g 1 0 0 多层膜在h g 层厚度戈7a 和2 5a 时分别有5 器2 5 的阻抗效应。a g 层厚度 为7a 时，阻抗曲线为单峰；a g 层厚度为2 5a 时，阻抗曲线随外场变化显示为 双峰。出现双峰或单峰是壶驱动电流方赢和有效单轴各向异性辘之闻的关系决定 的，因为不同的a g 层厚度可能导致多层膜内的应力不同。s o m