（材料物理与化学专业论文）化学镀nifecopcube复合结构丝磁阻抗效应及磁化特性研究.pdf

论文摘要 本文用化学镀方法制备n i f e c o p c u b e 复合结构丝，并对其磁阻抗效应和磁 化特性进行了比较系统的研究。主要结果： 1 在c u b e 丝上用化学镀方法成功地沉积出n i f e c o p 镀层，制备了 n i f e c o p c u b e 复合结构丝。 2 研究了样品制备的工艺条件对样品磁阻抗效应的影响。化学镀浴中n i 2 + c 0 2 + 、 和f e 2 + 浓度的变化对n i f e c o p 镀层的成分影响很大。较佳工艺条件为 n i 2 + c 0 2 + = 5 3 6 、p h 值为1 0 - 1 0 2 和温度为9 0 ( 2 。c u b e 丝在镀液中镀制1 小时，样品n i f c c o p 镀层的厚度大约为5 岍。 3 化学镀n i f e c o p 薄膜对热处理温度比较敏感。随着温度的升高会影响复合结 构丝的磁性能，使得磁化过程发生变化，从而明显改变磁阻抗性能。 4 分析了n i f e c o p c u b e 复合结构丝在低频下的磁阻抗效应。这种复合结构丝 在较低频率下( 大约1 7 k h z ) 就使得其感抗值与电阻值接近，从而使低频下 的磁感抗效应对磁阻抗效应的贡献明显。 5 分析了n i f e c o p c u b e 复合结构丝的磁化特性，从磁阻抗效应变化得出该复 合结构丝磁化过程的一些变化特性，从而从另一个侧面反映了磁阻抗效应的 变化趋势。铁磁层和铜芯导电层的结构差异使复合结构材料对热处理较为敏 感。由温度效应产生的热应力缺陷增加了畴壁运动的阻力，加大了对畴壁的 钉扎作用。这些效应改变了铁磁层的磁化程度，所以在外加直流磁场作用下 表现出不同的磁阻抗效应。 关键词：巨磁阻抗效应，复合结构丝，化学镀，n i f e c o p ，磁化 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w op r e p a r e dt h en i f e c o p c u b ec o m p o s i t e1 ；l 概b ye l e c t r o l e s s - d e p o s i t i o n t h e nt 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 t ( o m i ) o ft h en i f e c o p c u b c c o m p o s i t ew i r c sw s ss t u d i e ds y s t e m i c a l l y t h er e s u l t sa sf o l l o w s ： 1 、t h en i f e c o pf i l m sa e x c e l l e n t l ye l e e t r o l e s s - d e p o s i t e d0 1 1c u b ew i r ea n dt h e n i f e c o p c u b ec o m p o s i t ew i r ei sh e r e b yp r e p a r e d , 2 、t h ee o m p o s i t i o no fn i f e c o pf i l mi sd e p e n d e n t0 1 1t h ec o n c e n t r a t i o n so fn i l c 0 2 + 、f e 2 + p hv a l u ea n dt e m p e r a t u r ei nn i f e c o pe l e c t r o l e s s - p l a t i n gb a t h , w h i c h i sv i t a lt ot h eg m ie f f e c to ft h en i f e c o p c u b ec o m p o s i t ew i r e s t h eo p t i m a l c o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w ： n i 2 + 】【c 0 2 1 = 5 3 6 ，匝e ：1 ；o 0 5 m l , p h = 1 0 1 0 2a n d t e m p e r a t u r ei s9 0 a n dw h e nt h ec u b ew i r e sw e 托d e p o s i t e df o r1h o u ri nt h e b a t h , t h et h i c k n e s so f t h ef e r r o m a g n e t i cl a y e ri sa b o u t5 岫 3 、n i f e c o p c u b es a m p l e sa s e n s i t i v et oa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e w i t ht h ei n c r e a s e o f t h et e m p e r a t u r e ，t h em a g n e t i cp r o p e r t i e sa r e c h a n g e d 4 、t h em a g n e t o - i m p e d a n c ee f f e c to fn i f e c o p c u b es a m p l ei sa n a l y z e da tl o w f r e q u e n c y i nt h en i f e c o p c u b ec o m p o s i t ew i r e t h er e s i s t a n c ea n dt h ei n d u c t i v e i se q u a la ta b o u t1 7 k h z s ot h em a g n e t o i n d u c t i v ee f f e c ti so b v i o u s l yc o n t r i b u t e c i t ot h em a g n e t o i m p e d a n c ee f f e c ta tl o wf r e q u e n c y 5 、a n a l y z i n gt h em a g n e t i z a t i o np r o p e r t i e so fn i f e c o p c u b ec o m p o s i t ew i r e w e c a ng e ts o m ei n f o r m a t i o no fm a g n e t i z a t i o nf r o mt h em a g n e t o i m p e d a n c e t h e s t r u c t m a ld i f f e r e n c eb e t w e e nf e r r y - m a g n e t i cl a y e ra n di n d u c t o rl a y e rm a k e st h e c o m p o s i t ew i r es e n s i t i v et oa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e t h eh e a ts t r e s so r i g i n a t e df r o m t e m p e r a t u r ee f f e c tr a i s e st h er e s i s t a n c eo fd o m a i n , a n de n l a r g e st h ep i ne f f e c t a l l t h e s ee f f e c t sa l t e rt h e m a g n e t i z a t i o no ff e r r o m a g n e t i cl a y e r t h e r e f o r e ，t h e c o m p o s i t ew i r e sh a v ev a r i o u sm ia td i f f e r e n td cm a g n e t i c 丘l c dh d c k e yw o r d s ： 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 , c o m p o s i t ew i r e ， e l e e t r o l e s s - d e p o s i t i o n , n i f e c o p m a g n e t i z a t i o n 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 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：耄宏缝日期：竺拿：笸： 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库进 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：辱究揪 r 期矿呷彳f 日期：竺i ：! ：! 导师签名：毛吃：乞 日期：翌2 ：! ：! 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 )n i f e c o p c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 1 、引言 第一章导论 1 1 巨磁阻抗效应 巨磁阻抗效应( g i a n tm a g n c t o i m p e d a n c ee f f e c t ，或g m i ) 是指磁性材料的交 流阻抗随外磁场变化而发生显著变化的效应，这是一种和外磁场相关性很强的交 流电子传输现象。 在2 0 世纪九十年代初，日本名古屋大学毛利佳年雄教授做m o h r i ) 等用旋转 水中熔体快淬法制成直径1 2 5 1 a m 的c o 0 6 c o o 勘2 5 s i l 2 5 8 1 5 o 非晶丝，观察到在几 个奥斯特磁场下材料的阻抗变化高达7 5 姘”。q m 效应与之前发现的巨磁电阻 ( g i a n tm a g m c t o - - r e s i s t a n c ee f f e c t , g m r ) 效应相比，其对磁场的变化率高1 也 个数量级，由于该效应的温度稳定性好、灵敏度高、功耗低、磁滞小、器件可小 型化等优点，从而吸引了各国学者不断深入的研究。 非晶丝的磁阻抗效应最初多是研究磁致伸缩系数为零或负的c o 基非晶软磁 合金细丝，特别是长度只有几毫米的小尺寸细丝【l - 3 】，而后研究了c o 基非晶软磁 条带【4 ，5 1 。之后，由于铁基纳米微晶材料价格低、高温性能稳定等优点，因此又 发展到研究f e 基纳米微晶材料( 丝或条带) 6 - 9 1 和薄膜 t o - 1 2 1 的g m i 效应。 材料的几何结构，开始时以单质丝、条带、单层膜为主，后来发展到复合结 构形式，如多层膜、复合结构丝等。最近，巨磁阻抗效应的研究更多地集中于多 层复合结构样品，这种复合结构样品指的是两种或两种以上电性能不同的材料构 成的复合结构，它主要包括复合结构多层膜【1 习和复合结构丝【1 4 】等形式。复合结 构多层膜有三明治薄膜和多层膜等形式，复合结构丝有玻璃包裹软磁非晶丝、 c u b e 丝外电镀或化学镀软磁镀层等形式。 还有一些研究以磁阻抗为工具来探讨铁磁材料的磁化过程唧。这类研究以 c o f e s i b 非晶丝为材料，通过涮量其阻抗数据以及不同外加直流磁场下材料阻抗 的变化，并将阻抗数据转换为与材料磁化过程直接相关的磁导率数据，从而分析 铁磁材料的磁化过程。 2 、g m i 理论概述 巨磁阻抗效应反映了材料的交流磁化过程随外加直流磁场的变化，它主要 取决于外加交流电流( 驱动场) 的影响和材料本身的磁性能。施加外加直流磁场 会引起材料的磁导率发生很大变化，从而导致材料阻抗发生变化。 对于均匀和非均匀材料，单质材料( 如丝，条带，薄膜等) 和多层复合结构 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 ) n i f e c o p c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 材科，巨磁阻抗效厦的机理描述有所不同a ( 一) 均匀磁化和非均匀磁化下的阻抗 1 均匀磁化的阻抗 设一长为? ，半径为a 的丝状样品，当通有圆频率为的交变电流 i = i 。e x p ( - j a ) t ) 时，考虑均匀磁化，其阻抗表达式为o z 珊弘啦等，榴 ( 1 1 ) 其中七= 号芋，瓦= 正嘉为趋肤深度，如= 元为直流电阻，矗和以分别 为零阶和一阶b e s s e l 函数。 低频情况下，将上述阻抗表达式进行级数展开，可以求得： r 啦 + 面1 嘶2 仃2 2 ， x 吨睁卅， n ， 高频情况下，则有： 胎肌屹兰j 半 ( 1 4 ) 对于一长度为z ，厚度为a ，宽度为6 的条带和薄膜，其阻抗表达式为 z = r + = r 。疆日c o t h ( f 勋) ( 1 5 ) 低频近似： 高频近似： r “如 t + 面14 4 国2 2 盯2 j * 心 一j 1 口2 掣盯 嘶口厚 ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) 其中r 出= 为直流电阻，e o t h 为余切双曲函数。 n o o 如果考虑低频情况，趋肤效应较弱时，感抗部分正比于频率一次项，并正比 子横向磁导率，而电阻变化部分与2 项成正比，很小，可以忽略。这种低频 效应称为磁电感效应。 2 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 )n i f e c o p i c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 当高频时，趋肤效应不可忽视，由( 1 4 ) 和( 1 8 ) 式可知，样品的阻抗通 过趋肤深度艿与磁导率卢相联系，如果外磁场日。发生变化，必然会影响软磁材 料的磁化行为，引起磁导率发生变化，改变趋肤深度氏，从而材料的交流阻抗 随之发生变化。因此，外磁场能大幅度地改变阻抗的大小。 2 非均匀磁化的阻抗 式( 1 1 ) 。( 1 8 ) 考虑的是均匀磁化，可以推广到非均匀磁化情况。畴壁移 动引起的微观涡流在畴壁尺度上取平均，这- , - 9 致瓦= f 兰一中出现和频率有关 vd _ a t a 的复数磁导率。复数磁导率描述了涡流对畴壁移动的抑制，而涡流对畴壁移动的 抑制通过弛豫频率国h 表征。如果磁化过程既有畴壁移动也有磁矩旋转，和磁矩 旋转有关的涡流损失也会出现，它通过另一个弛豫参量国。描述。一般来说，磁 矩旋转的弛豫过程进行得比较快，6 0 。 n k 。在相对较低的频率下，国 吒 式( 1 1 ) 的高频展开以及复磁导率心可以写成以下形式 z = r ( 口，2 回( 压一j 瓦) ， 缘= k 卜 成， ( 1 1 0 ) 心= k | _ 彤 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 )n i f e c 0 p ，c i l b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 其中艿= c ，( 2 刀口留) l 胆是非磁性介质的趋肤深度。从式( 1 1 0 ) 可以看出高频下z 的电阻项和电感项都和磁导率有关系。 ( 二) 复合结构材料g m i 敦应的理论解释 当交变电流i = i 。e x p ( - j r o t ) 流过磁性导体时，会产生一个横向磁场，引起相 应的交流磁化过程。施加外磁场后必然影响这个交流磁化过程，引起材料的阻抗 变化。这是磁阻抗效应的物理基础。 相对于均质铁磁性薄膜材料，在复合结构薄膜中观察到的巨磁阻抗效应显著 增强，而且在很低的频率下就可以观测到较大的磁阻抗变化。由于复合结构材料 在结构上的复杂性导致对其g m i 效应理论研究遇到一定困难，至今对复合结构 中的g m i 效应产生的物理机制仍在研究之中。 p a n i n a 等人刀在忽略边缘效应条件下，给出了低频下复合结构阻抗简单表达 式 r、 z = 1 1 2 j , u t 警l ( 1 - 1 1 ) 月 、。1 ， 如，是导电层的直流电阻，硒和如分别是导电层和软磁层厚度，为薄膜长度，b 为其宽度。如图1 1 所示。 丝! ，。 匪匹圈 ， 铷， 图1 - 1 三明治薄膜的截面示意图，( a ) 横截面，俯视图 f i g 1 1s c h e m a t i cd r a w i n go f as a n d w i c h e df i l m ： ( a ) c r o 镕- s e c t i o n a lv i e w , o ) t o pv i e w 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成 比例，从而提出，这类材料的趋肤效应已经不是引起g m i 效应的主要因素，这 种观点已被多次引用。此外还有不少关于复合结构材料的g m i 效应的理论模型 【1 8 - 2 s 1 ，主要研究了各向异性场、非铁磁层和铁磁层的电导率比、几何尺寸等对 4 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 )n i f e c o p c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 复合结构材料g m i 效应的影响，模拟结果只是为与实验观察到的g m i 曲线相拟 合，而没有深入分析复合结构材料中g m i 产生的来源。 对于复合结构丝的研究，刘龙平等根据m a x w e l l 电磁方程组建立了一个复 合结构丝g v i i 效应理论模型，通过分析复合结构丝层与层之间的电磁相互作用 和不同频率时的电流密度分布情况来探讨引起复合结构丝g m i 效应的物理机 制。 ( 三) 两种典型的巨磁阻抗效应模式 巨磁阻抗效应是直流磁场h 。、交变磁化驱动场 和磁性材料内部的磁矩取 向( 磁结构) 三者综合作用的结果。它们不同的组合大致可归结为八种模式。下 面是两种比较典型的巨磁阻抗效应模式( 图1 2 ) 。 1 考虑简单情况下，圆周磁导率是一标量，我们设想一样品具有垂直横向磁结 构( 对丝来说是环向磁畴结构，即圆周磁各向异性；对膜来说是横向面内磁畴结 构，即横向各向异性) 。当王乙沿着纵向方向增加时( 即难轴方向) ，每一磁畴中 磁化矢量都向长轴方向转动，这样增加了圆周磁导率，从而使z 增加。磁导率的 最大值出现在一恒定外磁场与横向各向异性场日。平衡时，该点处阻抗有一个最 大值【2 9 】。继续增加上乙，圆周磁化过程将被磁矩转动所占据，这样使得磁导率降 低，在一个很低值达到恒定而饱和。阻抗z 和磁导率也有同样的变化行为。这 样，如果外加磁场从一皿。到+ 点乙交化( 沿纵轴方向) ，阻抗关于外磁场的曲 线显示两个峰( 双峰g m i 行为) 。 2 另一方面，如果样品沿纵轴方向具有易轴( 纵向各向异性) ，横向磁化过程总 是被磁矩旋转过程占主导地位。由于易磁化轴在样品的纵轴方向，其横向磁导率 h 较低，相应的阻抗较小，而且因为日。同f 。平行，王k 的作用始终是阻止磁 化过程的进行，于是使“进一步减小，从而弓f 起阻抗的下降，阻抗表现出一个 单调递减趋势。从皿。= 0 开始，为单峰结构。 在以上两种g m i 模式中，具有圆周或横向各向异性的材料的灵敏度比较高， 在传感器应用上受到很大重视。圆周或者横向各向异性一般可以通过磁场退火、 应力退火等手段来感生。 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 )n i f e c o p c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 l 图1 2 两种典型的t 3 m i 模式 f i g 1 - 2t w ot y p i c a lm o d e l so f g m i 6 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 )n i f e c o p ，c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 1 2 多层复合结构膜、丝的巨磁阻抗效应 1 、 多层复合结构薄膜的巨磁阻抗效应 多层膜在较低的频率下就出现比单层膜明显增强的巨磁阻抗效应，近年来对 多层膜的巨磁阻抗效应研究比较活跃。选择不同的铁磁层材料和导电层材料会对 多层膜g m i 效应的灵敏度产生一定的影响。m a s a k a t s us e n d a , o s s m ui s h i i 等人研 究了多层膜n i 8 3 f e l 7 s i 0 2 n i 8 3 f e l 7 的g m i 效应，在外加几奥丝特的磁场下，；焉 可达6 0 - 7 0 t 3 0 l 。铁磁材料不同对巨磁阻抗效应影响很大，m o r i k a w a 等研究 了三层膜c o s i b c u ( a g ) c o s i b 、f e c o s i b c u ( a g ) f e c o s i b 、n h o f e s o c u n i 2 0 f e s o ， 在同样的测试条件下，以c o s i b 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 3 1 】。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 ) 。周勇、禹金强等人则研究了较大磁致伸 缩系数的f e s i b 材料制成的f e s i b c 1 1 f e s i b 三明治薄膜的g m i 效应，频率为 3 m h z 时观察到阻抗交化比率为1 7 2 3 2 1 。山东大学萧淑琴等研究了 f e c ：心m s i b c u 停e c 心m s i b 【3 3 】和f e c u c r v s i b c u 伊e c u q v s i b 【蚓三明治薄膜的 巨磁阻抗效应，频率分别为1 3 m h z 和5 m h z 时最大阻抗比率达到6 7 和6 2 。 钟智勇等人研究了c u 膜厚度对n i f e c u n i f e 层状薄膜的巨磁阻抗效应的影响。 研究表明，层状薄膜的巨磁阻抗效应随c u 膜厚度发生振荡现象。李晓东等研究 了f e c u n b s i b 薄膜随退火温度升高发生晶化和磁矩空间取向发生变化的现象， 从而使样品的磁阻抗效应发生了变化【3 5 1 。 对于两个软磁层中间夹一高导电金属层的三明治结构，在较低频率下，具有 很大的g m i 效应口6 3 7 1 ，主要是因为在这种结构中，交变电流与磁通量通路的分 离，内层高电导金属是交变电流的主要通路，减小了交变电流的电阻，外部封闭 磁层是交变电流感应的磁场的通路，使横向磁损耗降低。理论分析表明，三明治 j 结构膜的电抗分量与磁性层的横向磁导率成比例，即：z = r 。一_ ，m ( 书咖f ， z d 并在弱趋肤效应的情况下对g m i 效应起主要作用【3 6 】。当加一直流磁场，阻抗的 电抗部分相对电阻率很小的内部导电层产生很大的变化，并且交变电流的密度发 生重新分布，因此三明治结构膜在相对低的频率下有很大的g m i 效应。 7 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 )n i f e c o p c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 2 、多层复合结构丝的巨磁阻抗效应 近年来，对非均质的复合结构丝的巨磁阻抗效应研究的比较多。它的形式主 要利1 4 1 5 】： ( 1 ) 磁性微丝外包覆着耐热玻璃绝缘层形式的丝，主要为玻璃包裹c o 基 非晶丝和f e 基纳米微晶丝； ( 2 ) c u ( c u b e ) 丝外电镀或化学镀磁性薄膜形式的丝。c u 丝外电镀磁性 层的研究集中在c o p 3 8 m 】、n i f e 5 】、c o n i f e 4 6 4 7 1 等；c u 丝外化学 镀磁性层的研究集中在n i f e b 4 8 】、n i c o p 4 9 1 。 ( 3 ) c u ( c u b e ) 丝外镀制绝缘层，再用化学镀方法制备软磁层。主要有 c u b e 丝外镀制n i f e b l 4 s , n i c o p l 5 2 1 。 l 、玻璃包裹细丝一般采用改进的t a y l o r s 方法制备，非晶金属的内核直径为 1 - - 3 0 微米不等，玻璃层的厚度为2 - - 1 0 微米不等。其突出的磁性能来自制备时 应力产生的磁弹性各向异性，具体为冷却工艺中产生的弹性热应力、拉应力和由 于绝缘层和金属内核不同的膨胀系数而产生的应力。 2 、c u b e 丝外电镀磁性层这种形式的丝相比其他玻璃包裹丝来说制备工艺上 比较简单，而且电镀在工业上应用已经非常成熟，可以很容易实现大批量生产。 ( 1 ) c o p c u b e 复合结构丝【3 8 4 1 1 j p s i n n c c k e r 等研究了c u 丝外电镀c o p 非晶铁磁层的巨磁阻抗效应。非晶 c 0 9 0 p 1 0 层的厚度为2 2 0 , u m ，c u 丝的直径为2 0 0 9 m 。c o p 层的厚度通过控制沉 积时间来控制。研究表明，电镀c o p 层表现出磁各向异性，镀层的厚度小于0 4 p m 时，表现出平面各向异性；当厚度为几个g m 时，由于电沉积薄膜的柱状生长， 各向异性主要是垂直表面的。考虑到c u 丝的柱状几何结构，垂直表面的各向异 性是单轴各向异性，易磁化轴方向沿半径方向，体现为径向磁各向异性。当 c o p l o 镀层厚度为7 p m 时，在氩气保护下经2 0 0 ( 2 退火，频率为0 5 m h z ，得到 3 5 0 的阻抗变化，不过旌加的外磁场最大达到3 0 k a m ( 3 7 5 0 0 e ) a s 4 0 l 。 ( 2 ) n i f e c u b e 复合结构丝 r s b e a c h 等人研究了1 0 0 , u m c u 丝外电镀n i f e 2 0 软磁镀层的巨磁阻抗效 应。和其他巨磁阻抗效应的研究工作不同的是，他们采用法拉第电磁感应定律和 s t o n e r - w o h l f a r t h 反向磁化理论解释实验现象，而没有考虑趋肤效应。电压变化 的灵敏度d v d h 达到1 w o e ( 每厘米丝样品) 【4 2 】。 g a r c i a 等人在c u 丝上电镀n i f e n i c o 多层膜，横向磁场下退火后样品的圆 周各向异性减小，g m i 的磁滞现象减小，制备态和横向退火的样品磁阻抗比率 分别为4 0 和3 3 嗍。 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 )n i f e c o p c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 赵振杰等人研究了在c l l b e 丝电镀软磁层时加不同大小的纵向磁场后样品的 磁阻抗效应。发现加纵向磁场能使样品颗粒更致密，同时使样品的圆周各向异性 转变为纵向各向异性，从而降低了样品的磁阻抗效应 4 5 5 0 】。 ( 3 ) f e c o n i c u b e 复合结构丝m ，4 7 1 g v k u r l y a n d s k a y a 等人在6 0 , u r n c u b e 丝外电镀了1 朋的f e 2 0 n i 6 4 c o l 6 镀层， 重点研究了该体系的非线性巨磁阻抗效应。在驱动电流为4 0 m a ，频率为4 m h z ， 外加直流磁场为1 5 0o c 时，得到最大的阻抗变化为1 2 0 0 。 3 、c u 丝外化学镀磁性层，由于化学镀的优点，也成为一个研究方向。 王新征等人在1 0 0 , u r n c u b e 丝外化学镀n i f e b 软磁层，经过电炉退火，发现 在5 0 0 k h z - - 1 m h z 时达到最大的g 【效应，为- - 2 3 ；c u b e 绝缘层n i f c b 复 合结构丝在5 0 0 k h z - - 1 m h z 时达到最大的g m i 效应，为2 5 0 左右。且在很低 的频率就出现了较大的g m i 效应【牾】。袁望治等研究了n i f e b c i | b e 复合结构丝 在较低频率下出现较大巨磁阻抗效应的机理。在交流电流驱动下，n i f e b 薄膜使 得样品中产生了等效电阻和等效电感，外加直流磁场后，就能在较低频率下产生 较大的磁阻抗效应【5 n 。吴士蓉等人在1 0 0 , u r n c u b e 丝外化学镀n i f e p 软磁层， 并研究了电流退火对材料磁阻抗性能的影响，发现经适当电流退火后，可以较大 程度改善铁磁层的环向磁结构，从而显著提高磁阻抗性能1 5 2 1 。 9 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 )n i f e c o p c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 1 3 等效电路阻抗谱与磁化过程分析 l 、 等效电路与阻抗谱【5 3 1 交流阻抗谱本是常用的一种电化学测试技术，该方法具有频率范围广、对体 系扰动小的特点，是研究电极过程动力学、电极表面现象以及测定固体电解质电 导率的重要工具它是基于测量对体系施加小幅度微扰时的电化学响应，在每个 测量的频率点的原始数据中，都包含了施加信号电压( 或电流) 对测得的信号电 流( 或电压) 的相位移及阻抗的幅模值，从这些数据可以计算出电化学响应的实 部与虚部。有研究者借用电化学利用交流阻抗谱研究的思想，在研究磁化过程中 也利用阻抗谱的思路来处理阻抗特性，从而获得材料磁化过程。 交流阻抗谱的测试原理【5 4 q 7 】为： 当对测量体系加上正弦波的电压微扰( e o = s i a o t ) 时，所产生的电流一般为 i o = s i n ( t o t 伯) ，式中为角频毫而舻= 2 顽，为交流频率，t 为时间，0 为电流对 电压的相位移。则阻抗z 可用复数表示为：z = z ，+ j z ”，实数部分z 称为电阻， z ：= 珊虚数部分z ”称为电抗，交流阻抗谱方法研究固体电解质时，最基本特点 是可以把被研究对象的导电特性用一系列电阻和电容的串并联所组成的等效电 路来表示。一般是把不同频率下测得的电阻z7 和容抗z ”作复数平面图，并利用 测量电池的等效电路分析所得图形就可以得到一系列有关电化学的相关信息。 当一个交变的电压或者电流施加到测量体系时，对应的流过体系的电流或体 系电位也相应变化，这种情况正如一个电路受到电压或电流扰动信号作用时有相 应的电流或电压响应样。当用一个角频率为。的振幅足够小的正弦波电流信号 对一个稳定的系统进行扰动时，相应的电极电位就作出角频率为( _ ) 的正弦波响应， 在被测电极与参比电极之间输出一个角频率是m 的电压信号，此时电极系统的频 响函数就是电化学阻抗。在一系列不同角频率下测得的一组这种频响函数值就是 所研究系统的电化学阻抗谱。因而阻抗谱可以有多种方式表示。其中最常用的两 种方式是：( 1 ) 以阻抗虚部对阻抗实部作图得到的n y q u i s t 图；( 2 ) 以阻抗幅模的 对数l g lz l 和相位角口对相同的横坐标频率的对数l g f 所作的b o d e 图。对于通常 的体系, n y q u i s t 图由几个半圆组成，从图中可以比较直接地获得电阻、电容等信 息。从b o d e 图中。一般可以得到弛豫频率的个数和大小【5 射。 对阻抗谱进行解析时，常用的方法就是利用等效电路对谱图进行模拟。一般 认为，特定的阻抗谱图对应特定的等效电路【5 9 】。对于r l 串联电路，其阻抗值可 表示为：z = r 。+ c o l , ，式中阻抗实部值为r 5 ，阻抗虚部值为，础，。以阻抗实部 为横轴，以阻抗虚部为纵轴所得图像为一垂直于横轴的直线。而对于r l 并联电 路，其阻抗可表示为： 1 0 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 )n i f e c o p c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 z _ 怯+ 壶 。12 高1 - b + ，褊 l 上l1 7 i m j 上武中阻抗实部z ，= 币玎 阻抗虚部z ，= j 呵乱p 币万。 根据上式可彻2 一z t 即即( z t 一鲁 2 = 浯) 2 ，这是一个以鲁为圆 心，以鲁为半径的圆方程。在第一象限阻抗实部大于零时表现为半圆即c o l e c o l e 图中的半圆图形。 2 、等效电路阻抗谱与磁化 通过等效电路对磁阻抗的分析工作也在2 0 世纪9 0 年代中期就开始了， rv a l e n z u e l a 等人( c 0 9 4 f e 6 ) 7 2 5 8 1 5 s i l 2 5 非晶丝利用等效电路方法进行分析，测 量非晶丝的阻抗数据及其在磁场中的变化，把阻抗数据通过公式转换为与磁化过 程有关的磁导率数据。然后按照电化学中处理阻抗的方法对磁化过程的重要参数 ，f 嘲 图1 3 、磁导率实部和虚部的频率特性 f i g 1 - 3f r e q u e n c yd e p e n d e n c eo f p e r m e a b i l i t y 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 )n i f e c o p c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 磁导率实部和虚部进行相应的处理【删。如图1 3 所示，为相应磁导率实部和 虚部随频率的变化曲线，插图为磁导率虚部随实部变化曲线，根据等效电路的阻 抗谱知识，可以从上图中得出弛豫频率的大小并进行等效电路分析。r v a l e n z u e l a 等人利用这种方法分析了非晶丝的磁化过程，并且对一些热处理方法 带来的影响如应力退火等进行分析。 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 )n i f e c o p c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 1 4 巨磁阻抗效应应用 现代先进智能测量及控制系统技术中，迫切需要高灵敏度及快速响应的微磁 传感器。巨磁阻抗效应器件的突出优点是高灵敏度、响应快和体积小，被认为有 着广泛的应用前景。相比现在被广泛使用的薄膜磁阻( m r ) 传感器和霍尔效应 传感器，巨磁阻抗效应器件的磁场灵敏度要高几个数量级，并具有更高的温度稳 定性。而磁通计虽然在灵敏度方面可以与之相比，但由于退磁场的因素，其尺寸 要大近十倍。因此，相对而言，巨磁阻抗效应器件有着很大的优势。然而，尽管 目前关于巨磁阻抗效应实际应用的研究被提到了越来越重要的位置，但目前实际 的产品相比其广泛的应用范围却还相对较少。日本m o h r i 列举了关于巨磁阻抗效 应的一百多个应用课题 6 s l ，但产品和市场的开发还有待人们做进一步深入的工 作。这里对关于巨磁阻抗的若干典型应用的例子作一介绍。 ( - - ) 微磁罗盘 由于巨磁阻抗效应对磁场的敏感度很高，甚至低于了地磁场的磁场强度量 级。因此，巨磁阻抗材料被认为是制作微磁罗盘的理想材料。可以通过对地磁场 的探测来判断方位的改变，这无论在军用还是民用领域均有着广泛的应用价值。 图1 - 4 为日本a i e h is t e e l 公司开发的一种应用于微磁罗盘的c m o sm i 传感 器【6 5 】，电路部分包括一个多谐振荡器、用于检波的电子开关和放大输出等部分， 敏感材料是选用2 m m 长的非晶丝，丝上绕有负反馈线圈，以提高器件的线性和 响应速度。微磁罗盘的满标度为士2 4 0 a m ，适应的温度范围为- 4 0 c + 8 5 ，可 用于汽车和手机导航。 c lc | a d $ 2 4 k f l g o ,a - w i r e q iq ：qq 1 舛 i f 嚣飘 q l 事郴瞄c 啪s 瓤绷鼻il ii = = = 抽咖：i l l ：r lf m 吨f w 酗：确e 釉碱l疆# 珥 轧5 ，i黔，k 巩缸o n l h k 屯鼍： k 取，lk 艇2 k 取，饥 xi、懿。 c i c l ：i 舯谚 、- 。国 ( a ) 龟路匿 图1 - 4 微磁罗盘c m o s m i 传感器 f i g 1 - 4c m o s m is e n s o r 峨醅f i e l d 州t b ) 探测标准 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 )n i f e c o p c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 ( 二) 汽车用传感器 在汽车工业的发展过程中，传感器是一个非常重要的部分。一辆汽车中使用 到的传感器不下数百个，其中包括转速传感器、a b s 防抱死传感器、点火装置 传感器等等。目前大量使用的这类传感器均是基于霍尔效应研制传感器，相比霍 尔效应，巨磁阻抗效应具有更高的磁场灵敏度和温度稳定性，因此巨磁阻抗器件 被认为是在汽车传感器中替代霍尔器件的理想传感器。 杨燮龙教授等根据铁基纳米微晶材料的磁结构特点，采用纵向驱动方式，以 获得最佳灵敏度和线性度的组合，发明了o m i 防抱死传感器和g m i 线性传感器 等一系列汽车用传感器。电路包括一个灵敏而稳定的自激振荡器、滤波器、放大 器和成形电路嗣，在用于磁敏开关时，可无需放大电路，因而具有高稳定性和 抗干扰特性。利用上述g m i 磁敏元件研制成了几种汽车用传感器，其特点为： ( 1 ) 输出信号幅度不随转速变化；( 2 ) 灵敏度高：磁场相对灵敏度为 1 0 v ( k a m - 1 ) ，检测距离达2 衄；( 3 ) 频率响应快( 0 - 4 k h z ) ；( 4 ) 热稳定性好， 可在- 4 0 + 1 5 0 下使用。 电喷发动机速度传感器齿轮速度传感器 测速传感器 测速传感器 线性位移传感器 图1 5 磁阻抗在汽车传感器中的实用 f i g 1 5m i - b a s e ds e n s o r sa p p l i e di nm o b i l e ( 三) 磁敏生物传感器 生物样品通常没有磁的背景，但通过磁微球复合后可用磁测量的方法测定各 种分子水平的谱。这种检测方法相比光和电化学方法要简便和经济。为了提高测 量的灵敏度和可靠性，尤其是检测小浓度的生物分子( 如r n a ) ，一种利用g m i 效应的磁传感器已经提出【6 7 t6 8 1 ，图1 - 6 为g m i 磁敏生物传感器工作原理示意图， 该传感器采用玻璃包裹丝，巨磁阻抗灵敏度在1 0 m h z 时达到2 5 ( a m _ 1 ) ，最 1 4 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 )n i f e c o p c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 大分辨率可达1 0 m ( a m - 1 ) 图1 - 6g m i 磁敏生物传感器工作原理图 f i g 1 - 6t h ep f i n c i p l eo f ag m i - b a s e dm 罐z l e n cb i o s e n s o r , ( 四) 磁测量新方法 由于交流阻抗及阻抗变化涉及到材料的磁各向异性场、磁致伸缩和材料磁化 过程等，因此研究巨磁阻抗效应，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，这是一种新型的磁测量方法【唧。对于具有横向磁结构的样品，g m i 曲线的峰值对应的磁场与各向异性场日，相近。 对样品旌加应力退火时，不仅改变其饱和磁致伸缩系数旯，也可以改变日， 在对样品进行系列退火后，可以通过数据拟合精确估算出样品的饱和磁致伸缩常 数及其系数，利用此方法得到的结果与小角磁化转动法的结果相当接近。 总之，通过对磁性材料g m i 效应的测量，可以估算出许多相关的物理量数 值，因此，g m i 效应为测量这些物理量提供了一个良好的途径。 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 ) n i f e c o p c u b e 复合结构丝磁阻抗效应及磁化研究 1 5 本文研究的意义和内容 1 、本文研究的意义 化学镀是一种在溶液中生长软磁镀层的方法。化学镀与已成熟的电镀技术相 比，有其独特的优点：价格低廉，制备方法简单，不需要外电源、输电系统及辅 助电极，操作时只需把工件正确悬挂在镀液中即可；镀层比较均匀，可以在复杂 形状基底上均匀施镀；可以在非导体基底上施镀；靠基材的自催化活性起镀，因 而结合力一般优于电镀；镀层致密、空隙率低等。因此本工作就采用了化学镀的 方法制各样品。 电性能均匀的匀质材料( 丝、带和膜) 的磁阻抗效应已得到了广泛的研究。 近年来，电性能不均匀的非匀质材料的复合结构材料的磁阻抗效应的研究是个热 点。非匀质复合结构材料的磁阻抗效应与匀质材料的磁阻抗效应有不同的特点， 因而引起许多学者的探讨。如三明治薄膜，c u b e 丝外电镀c o p 、c o n i f e 、n i f e ， c u b e 外化学镀n i f e b 等都在很低的频率下就出现了较大的磁阻抗效应，且复合 结构丝体积小，可使器件小型化，因此有很好的应用前景，本文采用在铜丝外镀 一层铁磁薄膜的复合结构样品。 n i f e c o 合金具有较好的磁阻抗性能，g v k u r l y a n d s k a y a 等人垆副在c u b e _ 缝 外电镀n i 6 4 f e 2 0 c 0 1 6 合金，并截取1 0 c m 长进行测试，当外加最大磁场为1 5 0o e ， 驱动电流频率为4 m h z ，幅值为4 0 m a 时磁阻抗效应可达至u 1 2 0 0 ，本文的复合结 构丝样品的铁磁层选用n i f e c o p 合金。 非晶丝制备态的样品是否具备很好的软磁性能，是否需要对制备态进行退火 处理，需要根据样品的磁结构等情况综合考虑。退火处理方法主要有电流退火， 应力退火，常规退火，磁场退火等，在本工作中研究了常规退火炉退火和电流退 火对n i f e c o p c u b e 复合结构丝样品的磁阻抗效应的影响。 当交变驱动电流流过导体时，会产生一个环向磁场，引起相应的交流磁化过 程。施加直流磁场后必然影响这个交流磁化过程，引起材料的阻抗变化。这是磁 阻抗效应的物理基础。因此复合结构丝的阻