（材料物理与化学专业论文）掺杂对fezrb合金薄膜巨磁阻抗效应的影响.pdf

山东大掌硕士学位论文 摘要 本论文首次系统研究了掺杂n b 、n i 、c u 对f e 8 8 z r t b 5 基软磁合金薄膜材料 的巨磁阻抗效应和磁特性的影响：分析研究了不同工艺制备的f e z r b 系合金薄膜 的微观结构、磁特性和g m i 效应；同时还研究了单层膜和a g 夹层三明治膜的 巨磁阻抗效应所有样品均采用射频溅射法制备，得出了一系列重要结论： 1 、f e z r b n b 单层膜的巨磁阻抗效应 常规方法制各的3 5 ) a n 厚的f e z r b n b 单层膜在制备态巨磁阻抗效应并不理 想，通过退火处理可以使薄膜的软磁性能得到明显改善，2 0 0 。c 退火3 0 m i n 使薄膜样品的矫顽力由0 5 k a m - 降到了0 0 9 k a m 一在1 3 m h z 的交流频率 下得到了1 8 的纵向阻抗比，加磁场退火要优于自然退火的情况，纵向阻 抗比达到了2 6 在制备过程中加一横向静磁场可以提高溅射速率，由不加磁场对的0 0 4 n m s 提高到了o 1 7 n m s 薄膜的阻抗比也有所提高，并且纵向阻抗比在士1 2 k a m 1 的外加磁场下出现了双峰现象 同时薄膜的厚度也是影响f e z r b n bg m i 效应的一个重要因素，我们制备了 厚度为1 0 8 p m 的厚膜，外加交变电流频率为1 3 m h z 时，该薄膜在制备态纵 向阻抗比达到了2 5 ，与厚度为3 5 l u n 的薄膜加磁场退火后的结果相当 2 、f e z r b n i 单层膜的磁特性和巨磁阻抗效应 v s m 测量表明掺n i 使f c z r b 合金薄膜的软磁特性得到了改善，这是因为掺 适量的n i 有利于晶粒的细化，提高了f c z r b 合金的非晶形成能力，其阻抗 效应明显提高不同的n i 含量对f c z r b n i 薄膜的g 枷【效应也有显著影响， 在1 3 m h z ，掺n i 量为4 ( 原子分数) 的f c z r b n i 薄膜在制各态就得到了1 0 的纵向阻抗比，而掺n i 量2 的f e z r b n i 薄膜经过1 5 0 c 退火后纵向阻抗比 只达到了2 2 不同溅射功率对薄膜的阻抗比有较大的影响，我们制备了溅射功率分别为 1 5 0 w ，2 4 0 w 、3 5 0 w 的掺4 ( 原子分数) n i 的f e z r b n i 薄膜样品，发现当溅 射功率为1 5 0 w 时薄膜的巨磁阻抗效应最佳，获得了1 0 的最大纵向阻抗比； 2 4 0 w 次之，最大纵向阻抗比为4 ；3 5 0 w 最差，最大纵向阻抗比仅为2 山东大学硕士学位论文 这可能是因为在较低速率的情况下，薄膜有足够的时间散热，这样有利于减 小热应力，同时原子也有足够的时间扩散，有利于形成均匀、致密的薄膜。 在制备过程中加磁场可以明显改善薄膜的软磁性能，提高阻抗比我们在溅 射功率为1 5 0 w ，溅射过程中加8 0 k a m 1 的纵向磁场制备的f e z r b n i 4 样品 中测得其阻抗比纵向为1 0 ，横向为8 ，溅态样品在1 3 m h z 的频率下得到 如此高的阻抗比也说明了f e z r b n i 具有优异的软磁性能 3 、f e z r b n i a g f e z r b n i 三明治膜的巨磁阻抗效应 制备了掺n i 量为4 坂原子分数) 的f e z r b n i a g f c z r b n i 三明治膜，与单层膜 相比，其最大的特点就是在较低的频率下就能得到较大的巨磁阻抗效应，纵 向阻抗比在7 m i - i z 下达到了最大值1 8 ，横向阻抗比在8 m i - i z 下达到最大值 3 1 这一性能对薄膜巨磁阻抗效应在低场传感器的应用方面有重要价值 与单层膜的情况不同，多层膜的横向阻抗比大于纵向并且饱和场低，灵敏 度高通过分析该三明治膜的电阻分量和电感分量随频率的变化关系我们发 现，在一定的频率范围内电感分量是线性交化的，由此我们得到，在一定的 频率范围内磁性层的横向磁导率相对于频率变化而言是个常量。 4 、f e z r b c u 软磁合金薄膜的磁特性和巨磁阻抗效应 掺杂适量的c u 使f e z r b 的软磁性能得到明显的改善，矫顽力上酝明显减小 f e z r b 薄膜的觑r 为0 4 k a m - 1 ，掺3 的c u ( 原子分数) 后h c 降为o 1 k a m 一 如果c u 的掺杂量继续增加，薄膜的矫顽力将增加两倍以上，g m i 效应几乎消 失 研究了1 5 0 、2 4 0 、3 6 0 w 不同溅射功率对掺c u 量为3 ( 原予分数) 的f e z r b c u 合金薄膜巨磁阻抗效应的影响，用电子探针显微镜测量发现，当溅射功率为 2 4 0 w 时，薄膜样品中f e 的原子含量为8 7 3 2 ，c u 原子的含量为2 9 。相 比于其它溅射功率下的薄膜样品，这种样品的矫顽力最小，饱和磁化强度最大， 为1 1 l k a m ，软磁性能最佳 在2 4 0 w 的溅射功率下，制备的掺c u 量为3 的f e z r b c u 薄膜样品，在临界 频率为6 0 0 k h z 时开始出现磁阻抗效应，在1 3 m h z 的交流频率下，获得了1 7 的纵向g m i 效应和1 1 的横向g m i 效应制备态薄膜具有如此优良的g m i 山东丈学硕士学位论文 效应，十分有利于g m i 效应在实际中的应用。 总之，我们制备了不同掺杂( n b 、n i 、c u ) 的f e z r b 合金薄膜，得到掺n i 、 c u 的f e 厶b 合金薄膜的阻抗效应要明显优于掺n b 的。掺杂不同量的c u 、n i 对薄膜的g m i 效应也有很大的影响制备a g 夹层的f e z t b n i 三明治膜，制备 态下得到了3 1 的最大横向阻抗比和1 8 的最大纵向阻抗比，这一性能在制备 态薄膜中是相当优异的。同时。我们对不同的制备工艺也进行了研究，发现不同 溅射功率对薄膜的成膜质量和巨磁阻抗效应有较大的影响，并且通过在制备过程 中加磁场、对样品进行不同方式的退火处理等都可以改善薄膜的软磁性能，提高 其g m i 效应 论文主题词：巨磁阻抗效应，掺杂，非晶软磁合金，三明治膜 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef e s s z r t b 5b a s e ds i n g l el a y e r e df i l m sa n ds a n d w i c h e df i l m su s i n ga ga sc e n t r a l l a y e rp r e p a r e db yr a d i of r e q u e n c ys p u t t e r i n ga td i f f e r e n tc o n d i t i o no ff a b r i c a t i n gw e r e i n v e s t i g a t e d as y s t e m a t i cs t u d ) o f t h ei n f l u e n c eo f d o p i n gd i f f e r e n ta t o m i cm a s sn b 、 n ia n dc u l n l l g l l c t i cp r o p e r t i e sa n dg i a n tm a g n e t o - i m t 喊l a n e e ( c m i ) e f f e c tw a s c a r r i e do u t f o l l o w i n g 黜s u m m a r i e so f o w rw o r k s ： i - t h e g i a n tm a g n e t o - i m p e d a n c ee f f e c ti ns i n g l ef e z r b n bf i l m s 1 1 罅g m ie f f e c to f a s - d e p o s i t e df i l m sd o n tv a r yo b v i o u s l yw i t hd o p i n gn b w h e na c o n s t a n tm a g n e t i cf i e l do fa b o u t7 0 k a m 。w a sa p p l i e da l o n gt h e 血蕾n s v e 髓ed i “o n o ft h ef i l mp l a n ed u r i n gd e p o s i t i o np r o c e s s 9t h eg v i ir a t i o so ft h es a m p l e si n c r e a s e d m f i l m sa n n e a l e da t2 0 0 cf o r3 0 m i ns h o w e dg o o ds o t tm a g n e t i cp r o p e r t i e s ，a n da t t h e 丘弼u c ) ro f1 3 m h z , t h em a x i m u mv a l u eo fg m ie f f e c tr e a c h e d1 8 i n l o n g i t u d i n a lc 墩w h e nac o n s t a n tm a g n e t i cf i e l do fa b o u t1 6 0 k a m 1w a sa p p l i e d a l o n gt l a ei i - a n s v e l 船d i l c t i o no ft h ef i l mp l a n ed u r i n ga n n e a l i n g , t h cg m ir a t i o b e c 锄cl a r g e r ：t h em l l x i m u ml o n g i t u d i n a lg m ir a t i ow 雒2 5 a tf r e q u e n c y1 3 m i - i z ： a d d i t i o n a l ，t l a ct l a i e l m e s so f f i l m sw a so o f t h ef a c t o r st h a ta f f e c t e dt h eg m ie f f e c t o ft l a cf i l m s i no r d e rt ok n o wi t sc f l e e t , at h i c k e rf i l mo f1 0 5 p mi nt l a i e k n e s sw a s m a d e w ef o u n di th a dl a r g e ro m ir a t i oo f2 5 t h 缸t h 越o ft h et h i n i l e rf i l mo f 3 5 1 a m 2 m a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dg i a m 眦印鲫d - i m p e d 觚e f f e c ti n f 色z r b n i a d i d l t i 眦, s i n g l c sizcfilmsour e x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h e n ie l e m e n tc o u l dd e c r e a s et h eo f t h e g r a i n s , i m p r o v ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sa n dd e c r e a s et h ec o c z e i v ef o r c e i - i o w c v e l ，t l a c d i f f e m a td o p i n gc o n t c l a to f n ie l e m e n th a sd i f f e r e n ti n f l u e n c eo n t h eg m ie f f e c ti n a l lo u ts a m p l e s , t h es a m p l ew i t ht h ec o n t e n tn io f 4 a t h a st l a eh i g h e s tg m ie f f e c t , i t i s1 0 i nl o n g i t u d i n a lc a s ea n d 分i nl l * a n , 蓟g , r s o ：c a s e 越m ef r e q u e n c yo f1 3 m z - l z , r e s p o c t i v e l y m c l e p c n d e n c co ft h cs o t t 删蛐p r o p e r t i e sa n d ( 3 m ie f f e c to nt h er f ， s p u t t e r i n gp o w e rh 硒b e e ns t u d i e d t h ef i l ms p u t t e r e da t1 5 0 wp o s s e s s e de x c e l l e n t s o t tm a g n e t i cp r o l , c r t i e sa n dam a x i m u m - v a l u eo fg 加r a t i o t h ef i l ma t2 4 0 wt o o k s e c o n dp l a c e , a n dt h ef i l ma t3 5 0 ww 勰t h ew o l s t ow e t h o u g h tt h a ti nt h el o w e rp o w e r , t h eb e a td u r i n gd e p o s i t i o np r o c e s sh a de r i o u g ht i m et od i s s i p a t ea n dt h ea t o m sb a d e n o u g ht i m et od i f f u s e t h e s ec o n d i t i o n sw e 他o b 托l i l l c dt ol n a l 【eu n i f o r m i t y e 煳a n d 山东大学硕七学位论文 f i n et h i nf i l m s 3 g i a n tm a 弘e 自d _ i i n p c d 锄c ee f f e c to f a s - d e p o s i t e df e z r b n is a n d w i c h e df i l m s ，g i a n tm a g n e t o - i m p e d a n c e ( g m i ) c f f e c to f f e z r b n i a g f e z r b n is a n d w i c h e df i l m s p r e p a r e db yr a d i of r e q u e n c ys p u t t e r i n go nt h es u b s l r a t eo fs i n g l ec r y s t a ls ih a sb e e n m e & q u r e d t h em a x i l n u n lg m ir a t i o s 躺1 8 a n d3 1 i nl o n g i t u d i n a la n d 缸刮：v e 巧e f i e & a t 刀m ka n d8 m h z , r e s p e c t i v e l y 1 1 把n l a k i m t l me f f e c t i v es u s c e p d b i f i t yr a t o s a f e1 5 3 ( a t7 m h z ) a n d5 11 7 0 , , 6 ( a t8 m s z ) f o rl o n g i t u d i n a la n d 乜锄l s v e 培ec 私e s r e s p e c t i v e l y c o m p a r i n gt ot h es i n g l el a y e rf e z r b n if i l m s , t h em n d w i c h e df i l m ss h o wl a r g e r g m ie f f e c ta tl o w e rf r e q u e n c y i ns i i l g l ef i l m s , t h ei n f l u e n c eo ft h e 灯j m s v 盯 d e m a g n e t i z a t i o nf i e l dm a d eu a n s v e l s eg m ie f f e c tw o l 辩t h a nt h a to f t h el o n g i t u d i n a l c a s e h o w e v e r , t h e 臼胃璐v e 嫩g m ie f f e c ti sb e t t e rt h a nl o n g i t u d i n a lc 瓣i nt h e s a n d w i c h e df i l m s 1 1 ”r e s u l t sw co b t a i n e ds h o wt h a tt h ef e z r b n i a g f e z r b n i m u l t i l a y e r e df i l mh a sg o o ds o f tm a g l 圮t i cp r o p e r t i e sa n dl a r g eg m ie f f e c te 啪i nt h e a s - d e p o s i t e ds t a t e 4 m a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dg i a n tm a g n e t o - m 脚c e e f f e c ti nf e z r b c uf i l m s t h es o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dg 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 to ft h e a m o r p h o u sf i l m so ff e z r ba n df e z r b c up r e p a r e db yr a d i of r e q u e n c ys p u t t e r i n go n t h es u b s t r a t eo fs i n g l ec r y s t a ls ih a v eb e e nm e a s u r e d t h eg m ie f f e c ta l m o s tc o u l d n o tb ed e t e c t e di nt h ea s - d e p o s i t e dr ：z r bf i l m s 。w h i l ei tb c 奠t a ) m f 8e v i d e n ti n a s - d e p o s i t e df c z r b c uf i l m s t h cm a x i m u mv a l u e so fl o n g i t u d i n a la n d 血a n s 、，e 俗e g m ir a t i oa 坞1 7 a n dl1 砒t h cf r e q u e n c yo f 1 3 m h z , r e s p e c t i v e l y 傀d e p e n d 锄o ft h es o f tp r o p e r t i e sa n dt h eg m ie f f e c to nt h er a d i of r e q u e n c y s p u t t e r i n gp o w e rh a sb e e ns t u d i e d t h e 肥s u l t sm e a s u r e db ye l e c t r , o np r o b e m i c r o - a n a l y s i ss h o wt h a tt h ea s - d e p o s i t e df i l m ss p u t t e r e da t2 4 0 wp o s s e s s2 9 a t c u a n d8 7 3 2 a 坍, 4f e 弛s a m p l es h o w se x c e l l e n ts o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e sa n da m a x i m u mv a l u eo fg m ie f f e c t 1 1 嵋c o e r c i v ef o r c ei sa b o u to 1 k a m l 。t h e & d t u l - a t i o n m a g n e t i z a t i o ni sa b o u t1 ll k a m 1 a n dt h em a x i m u mg m i r a t i o sm - e1 7 a n d1 1 i n l o n g i t u d i n a la n dn a 璐v e 俗cf i e l d sa tf r e q u e n c yo f1 3 m h z , r e s p e c t i v e l y b 山东大学磺士学位论文 i n 鲫埘l i s i 0 玎 t h e 嘲l i t so b 协i l 谢i no 叫a q ，e f i m 锄忸洲t h a t 恤a d d i t i o no f n i 、c uw a si nf a v o ro fh n p r o v i l l gt h es o f tm a g l 枷cp r o p 咖e sa n dg m ie f f e c to f f e z r b - b a s e da m o i p b o u ss o f tm 唱畦如f i l m s ms a m p l e 、j v i t ht h ec o n t e n to f 3 a t c u w s sb e t t e rt h a nt h a to ft h ec o n t e n to f4 a t c u 啊坞m a x i m u mv a l u e so fi 乜 l o n g i t u d i n a la n d 位咄黜g m ir a t i o sa x e1 7 a n dl i a tt h e 蛔u c n c yo f1 3 m h z , r e s p e c t i v e l y ms i n g l ef i l m sw i t ht h ec o n t e n to f 4 a t n is h o w e dg o o ds o f tm a 础 p r o p e r t i e s , a n dt h em a x i m mv a l u eo fg e f f e c tr e a c h e d1 0 i nl o n g i t u d i n a lf i e l d a n d8 i n 口j m 鲫e r 辩f i e l da tt h e 丘 c q u e n c yo f1 3 d h 五1 1 壕m a x i m u m ( 孙缸r m i o sa 他 1 8 a n d3 1 i nl o n g i t u d i n a ta n dt r a n s v e r s e , f i e l d sa t 孤肛i za n d8 1 v l i - kr e s p e c t i v e l y , i nf e z r b n i a s f e z r b n is a n d w i c h e df i l m s ： k e yw o r d s ：s i a mm a g n e t o - i m p e d a n e 冶e f f e c t , d o p i n 舀a m o r p h o t bs o f tm a g n e t i ca l k , y s , ， s a n d w i c h e df i l n a c 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下。独立进 、 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，) 本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 走芷矗主 e 1 期：碰丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：主整址导师签名：! 錾塑堡日期：越臣上2 山东大学硕士擘也论文 第一章绪论 1 1 引言 。 材料的交流阻抗随外加直流磁场变化而变化的特性称为磁阻抗 f m a g n c t o - i m p e , d a n c c 简称m i ) 效应。在高磁导率的软磁合金材料中，这种变化值 大而且灵敏度高，因而被称为臣磁阻抗( g i a n tm a g n e t o - i m p c d a n c 简称g m d 效 应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， 交变电压的磁场关系主要来自电感分量，此时称为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，称为巨磁 阻抗效应1 9 9 2 年日本名古屋大学的毛利佳年雄( k m o h r i ) 等人首先在c o 基软 磁非晶细丝中发现并报道了这一现象f 1 1 接着美国波士顿大学教授h u m p t u 嘞, f b 、瑞典皇家工学院r a okv 、日本u n i t i j 【ai t d 公司在1 9 9 4 年的 峭n o d - 玳t e r m a g 联合会”和“快淬非晶丝及应用研讨会”上均作了专题报告， 对g m i 效应的产生机制作了分析研究，就实验数据作了理论解释【2 1 目前，对 巨磁阻抗效应的研究已经扩大到薄带p 1 和薄膜f 5 , 6 1 ，后者又可分为单层膜和多层 膜材料也从具有零或负磁致伸缩系数的c o 基非晶软磁合金扩大到f c 基非晶 和纳米晶软磁合金由于g m i 效应灵敏度高，非晶丝的灵敏度达到1 5 0 1 5 0 0 9 娟【a m - ) 忉。溅射的非晶薄膜的灵敏度达1 2 6 2 5 1 9 删m 1 ) 嗍，比g m r 效应大一个数量级，并且具有无磁滞，响应快和稳定性好等特点，使其在磁传感 ，器技术和磁记录头技术中具有巨大的应用潜能，所以最近国内外在该领域的研究 相当活跃 1 2g m i 效应的应用 随着电子计算机应用的日益普及，各种信息设备，汽车和工业机器人一类机 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，都需要新型高性 能微型传感器来检测局部弱磁通 9 1 。一般来说，这类传感器必须具备以下几个条 件i i 哪： ( 1 ) 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 ； 山东大学碗t 学位论文 ( 2 ) 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) 应为8 1 0 8 1 0 4 a m - ； ( 3 ) 检测高密度记录硬磁盘存储器表面的磁通的变化，需要信号响应频率 为0 1 0 m i - i z , ( 4 ) 作为汽车和电动机用的微型磁传感器，在5 0 + l8 0 0 c 温度范围应当 有不稳定度小于0 0 1 f s o c “的高稳定性和工作温度； ( 5 ) 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纽扣电池工作 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，都不能满足这些条件一台使用长度大于2 8 r a m 高性能细磁芯( 避 免退磁场) 的磁通门磁强计，灵敏度可达8 x 1 0 a m 1 ，但由于杂散电容。磁芯绕 组会使传感器的响应速度低于数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1 3 ( k a m ) ，而且藿尔元件的最高工作温度在 7 0 。c 目前正在加紧开发的巨磁电阻( g m r ) 元件，其灵敏度可以提高一个数量级， 达1 3 ( k a m d ) ，不过，它还存在磁滞、温度不稳定性等问题，而且使用目前研 制的g m r 材料，必须在相对较高的磁场中才能观察到g m r 效应 很多研究表明，利用一根富钴非晶短i t ( 约i m m 长) 的g m i 效应，可以同时 满足微型传感器必备的上述5 个条件。这为研制高灵敏度的磁传感器和记录磁头 开辟了新途径利用巨磁阻抗效应的高灵敏度特性，可制作各种磁控开关、磁线 性高灵敏度位移传感器、变频器、非线性变换器、各种磁性编码器等。这类传感 器与其它同类元件相比具有：( 1 ) 灵敏度高，比霍尔器件高1 0 1 0 0 倍；( 2 ) 使用 温度范围宽，在1 9 5 。c + 3 0 0 0 c 下能正常工作；( 3 ) 稳定性好，其不稳定性 d 2 a ：时，在低频或弱趋肤效应o 却 以a ，_ 时，求解m a x w e l l 方程组得到阻抗的表达式为： ，z ；胄。一，( 以2 b ) 豇o ( 4 1 ) 其中，足= 1 2 b d r 为导体层的直流电阻，以是导体层的半厚度，丸是单层磁 性层的厚度，以，吒分别是导体层和磁性层的电导率，0 为磁性层横向磁导率， 为电流角频率，6 、，分别是导体层的宽度和长度由我们的实验数据和h i k a 的理论结果可以得出在一定的频率范围内磁性层的横向磁导率相对于频率变化 而言是个常量我们测量了三明治膜的横向有效磁导率附随频率的变化关系， 结果如图4 2 所示从图中可以看出在频率低于6 m h z 范围内，磁导率近似为常 量，与前面的结果相一致这一结果可能是因为磁性层的厚度只有3 p m 。因此磁 性层的涡流损耗在较低频率下并不严重阴 4 1 山东大学硕七学位论文 a _ i n c t | m h z 图4 1 纵向场为0 和6 k a m 时f e z t b n i a g f e z r b n i 膜的r ，x z 随频率的变化关系 3 5 3 0 2 5 2 0 害1 5 1 0 5 0 ：一h t = o i a m ；+ h r 刚0 1 。- i 123456 f m h z ， 圈4 2 三层膜的横向有效磁导率随频率的变化关系 山东大学硕士学位论文 图4 3 给出了样品的横向和纵向磁阻抗比随频率的变化关系，从图中可以看 出，两条曲线均存在着一个临界频率广和阻抗比取得最大值的特征频率厶。临界 频率约为2 0 0 k h z ，当频率高于临界频率时开始出现g m i 效应，并且随着频率的 增加，样品的阻抗比迅速增加纵向阻抗比在7 m h z 下达到最大值1 8 ，横向 阻抗比在8 m h z 下达到最大值3 1 其后，随着频率的继续升高，阻抗比开始 下降。如此低的临界频率和特征频率在单层膜中很难得到，如我们在f e z r b c u 单层膜中，得到l f 盎界频率为6 0 0 k h z ，而且直到1 3 m h z 阻抗比仍未达到最大值i i q 这是因为在单层膜中，磁性层本身既是交流电流的通路，又是交变磁场的通路， 材料的高电阻率大大提高了g m i 效应的临界频率在三明治膜中，中间导体层 是交流电流的通路，导体的高电导率大大减小了对交流电流的阻力；外部的磁性 层是磁通量的主要通路，由于磁路是闭合的，这减小了杂散场和退磁场的影响， 提高了材料的磁导率因而趋肤效应起作用的频率大幅度降低，使三明治膜在低 频下就可表现出优异的g m i 效应禹金强【l i l 等人研究了不同结构多层膜( 包括封 闭式和开放式f e s i b c u f e s i b 多层膜以及c u f e s i b c u 多层膜) 的巨磁阻抗效应， 发现改变外加磁场，封闭式f e s i b c u f e s i b 多层膜的阻抗变化最大，开放式 f e s i b c u f e s i b 多层膜次之，而c u f e s i b c u 多层膜中阻抗几乎不变 芝 童 罡 暮 。 ，m h z 图4 3 样品最大磁阻抗比随频率的变化关系 山东大学硕士学位论文 一般而言。单层薄膜获得最大o m i 效应时的驱动电流频率在1 0 0 m h z 左右。 而多层膜在很低的频率下就可以出现很大的阻抗变化。图4 4 给出了不同频率下， 三明治膜的阻抗比随外加磁场( 纵向和横向) 的变化关系，从图中可以看出，横向 阻抗比明显大于纵向阻抗比，并且饱和场低，灵敏度高。这与单层膜的情况恰好 相反口1 在单层膜中，由于横向退磁场的影响，样品在纵向比横向容易饱和，而 且纵向阻抗比大于横向阻抗比在三明治膜中，交变电流产生的磁场在膜的横向 形成闭合回路，磁通量的泄漏可以忽略，靠近边缘的杂散场也可以忽略，因此在 这种情况下横向退磁场的影响变得不再重要，相比而言，纵向退磁场的影响变得 重要起来，使纵向g m i 效应恶化唧另外。根据我们的定义，巨磁阻抗比是阻 抗的变化4 z 与最大测量磁场下的阻抗2 陋u 的比值，横向阻抗的变化，在直流 磁场等于6 k a m 1 时几乎达到饱和，纵向未饱和，这也造成横向巨磁阻抗比大于 纵向值从图4 4 还可以看到，随着磁场的增加，巨磁阻抗比单调下降t 没有出 现双峰现象。这是因为制备过程中未感生各种各向异性我们还测量了特征频率 下三明治膜的有效磁导率比随外加磁场的变化关系，如图4 5 历示，它们在 孙m z ( 纵向) 、8 1 v 正i z ( 横向) 下分别达到了1 5 3 和5 1 1 7 ，并且横向要远远大于纵 向的情况，与图4 4 相对应 h i a m 。1 圈4 5 样品的有效磁导率比随外纵向( 实心点) 横向( 空心点) 磁场的 变化关系 寥，毒寻 山东大学硬士学位论文 芝 童 罡 童 9 芝 童 罡 童 9 _ 64- 2o2 4 6 m i k a m 1 墙420246 坼，i a m 1 图4 不同频率下样品的阻抗比随外磁场的变化关系 a 为纵向场。b 为横向场 山东大学硕t 学位论文 拍 量 童 罡 辜 。 零 玄 是 罡 塞 ( 9 ，m h z ，m h z 图4 6f e z r b n i a g f e z r b n i 膜的电阻、电感及阻抗比随频率的变化关系 m - 纵向场b ：横向场 山东大学硕士学位论文 图4 6 ( a ) 、分别给出了纵向和横向磁场下f e z r b n i a g f e z r b n i 三层膜的 电阻、电感及阻抗比( 分别定义为：1 0 0 x j r ( h o ) 一r ( h 。) 】矗( 日。) ， l o o x 【x ( h o ) 一x ( h ) 】，x ( 日) ，1 0 0 x 【z ( o ) 一z ( 日) 】z ( 日) ，风= 0 k d 脚， t t = 6 r a 肘“) 对频率的依赖关系从图中可以看出电阻比随频率的增加而增加， 但电感比先上升到一个最大值，然后再随频率上升而下降三条曲线分别在 7 m h z ( a 图) 、8 m i - i z ( b 图) 附近相交，阻抗比在相交频率附近达到最大值，纵向为 1 8 ，横向为3 1 横向阻抗比明显高于纵向值，产生这种现象的原因前面已 给出详细说明在软磁薄带f 1 2 1 中，巨磁阻抗比也通常在这个相交频率下达到最大 值 ，本章研究了制备态f e z r b n i a g f e z r b n i 三明治膜的g m i 效应，纵向g m 【 比在7 m h z 达到最大值1 8 ，横向g m i 比在8 m i - i z 达到最大值3 1 ，与此相对 应，其有效磁导率比在7 m 1 4 z ( 纵向) 、8 m h z ( 横向) 下分别达到1 5 3 、5 1 1 7 制 备态薄膜在较低的频率下获得较大的g m i 效应，这为g m i 效应的应用带来了很 大方便。同时还分析了阻抗、电阻分量及电感分量随频率的变化关系，发现在一 定的频率范围内电感分量是线性变化的由此得到，在一定的频率范围内磁性层 的横向磁导率相对于频率变化而言是个常量 山东大学硕士学位论文 参考文献 【l 】m o h r ik k o b z a w at ，k a w a s h h n aky o s h i d ah p a n i n al 、i e e et r a n s 岘 1 9 9 2 ，2 8 ：3 1 5 0 【2 】s u z u k ik m a k i n oa ，i n o u ea m a s u m o t ot j a p p l p h y s 1 9 9 3 ，7 4 ：3 3 1 6 【3 】k o j i m a m a k i n o k a w a m u r ayi n o u e 气m a s u m o t ot ，ja p p lp h y s 1 9 9 6 ，3 5 ： l 1 9 【4 】s u z u k ikm a k i n o 丸l n o u e m a s u m o t oll a p p l p h y s 1 9 9 3 ，7 0 ：6 2 3 2 【5 】叶超群，严彪，徐政，上海有色金属2 0 0 5 ，2 6 ：3 6 【q 李晓东，袁望治，赵振杰，阮建中，杨燮龙，功能材料2 0 0 4 ，3 5 ：6 8 6 同钟智勇，兰中文，张怀武，刘颖力，王豪才，物理学报2 0 0 1 ，8 ：1 6 1 0 【8 】h i k ak p a n i n al 、m o h r iki e e et r a m m a g n 1 9 9 6 ，3 2 ：4 5 9 4 【9 】代由勇，刘宜华，萧淑琴，张林，吴厚政，张延忠，金属学报2 0 0 1 ，3 7 ：2 7 9 【l o 】陈卫平。萧淑琴，王文静，刘宜华，金属学报2 0 0 4 ，4 0 ：1 2 9 7 【1 1 】禹金强，周勇。蔡炳初，赵小林，功能材料，2 0 0 1 ，3 2 ：1 3 6 【1 2 】k uw j ，o efd ，z h uj ，j a p p l p h y s 1 9 9 7 ，8 2 ：5 0 5 0 4 8 山东大学磺士学位论文 第五章制备态f e z r b c u 软磁合金薄膜的磁性 和巨磁阻抗效应 5 1 实验方法 f e - z 卜b 非晶和纳米晶合金具有优异的软磁性能。并具有高的居里温度和晶 化温度及高的饱和磁化强度【l - 3 ，实验发现，在这类合金中添加微量的c u 可有效 减少a - f e 晶粒的尺寸，大大提高其软磁性能 4 - s 本章研究了掺c u 对f e z r b 合 金薄膜磁特性和巨磁阻抗效应的影响 样品采用射频溅射法制成溅射用的靶材是用真空熔炼法制备的成分为 f e u z r t b s 靶片均匀镶嵌c u 柱构成的复合靶靶和衬底的距离为4 c m ，均采用水 冷。溅射样品室的本底真空度为6 x 1 0 4 p a ，溅射期间通入纯度为9 9 9 9 9 的 - r 气，并使a r 气压稳定在1 3 p a 衬底采用0 5 m m 厚的单晶s i 片磁特性采用振 动样品磁强计( v s m ) 测量，样品的饱和磁化强度施- 随温度的变化关系在高温炉 中测量，高温炉保持1 p a 的真空度，以防样品氧化测量中升温速率为6 k m i n ， 测量磁场为5 0 m t ，该磁场足以使样品磁化饱和阻抗用h p 4 1 9 2 a 阻抗分析仪 测量，测量用样品被切割成1 5 m m x 3 m m ，交变电流幅值保持恒定。外加直流磁 场由一对直径为3 0 c m 的亥姆霍兹线圈提供，磁场的变化范围是 - 6 k a m 1 6 k a m 阻抗测量中电流的方向沿样品的长方向，外加直流磁场在膜 面内与电流方向平行或垂直( 简称纵向场或横向场) 为减少地磁场的影响，亥姆 霍兹线圈放置的方向是使其产