fe-fe纳米晶薄带中的磁阻抗效应

fe-fe纳米晶薄带中的磁阻抗效应

1fe基纳米晶软磁合金自1992年首次发现日本名古屋大学（mohri）的巨磁损失电阻器以来，材料科学家们一直关注着巨大的磁强效应（pmi）。该效应具有高灵敏度、低饱和场、响应快、无磁滞、稳定性好的优点,在磁记录和磁传感器等方面有较大的应用前景,成为现代磁电子学的研究热点之一[2～5]。Fe基纳米晶软磁合金是近几年来发展起来的1种新型软磁材料,由于Fe基合金具有优良的软磁性能、很高的饱和磁化强度并且价格低廉而倍受人们的注意,对它的巨磁阻抗效应很有意义。本文研究了Fe84Zr2.08Nb1.92Cu1B11软磁纳米晶薄带中的磁阻抗性能,并运用计算模拟与实验结果进行了对照。2物相和阻抗变化Fe84Zr2.08Nb1.92Cu1B11合金薄带由真空甩带机制备而得,铜辊速度为40m/s。薄带大约厚度为20µm,宽度为2mm。将薄带沿带轴方向切成长度约为6cm的细条样品,放入试管在真空退火炉中于570℃下退火处理20min,形成纳米晶薄带。X射线衍射检测样品的物相结果表明薄带析出了bccα-Fe相,晶粒大小约为20nm～40nm。在HP4294A阻抗分析仪上测量阻抗变化关系,电流沿样品的带轴方向,幅值大小为10mA。阻抗测量采用的是四端法连接样品。外加磁场Hex由霍姆赫兹线圈提供。外加磁场的方向平行于样品的带轴方向和测量电流方向。所有数据均在室温测量得到。3gmiz创物的相对稳定性图1是测量Fe84Zr2.08Nb1.92Cu1B11纳米晶薄带得出在频率f分别为100kHz,1MHz,5MHz,10MHz下的阻抗值Z随直流磁场H变化的实验曲线。发现当频率为100kHz和1MHz时,Z随磁场增加逐步减小,没有出现峰值,这主要是磁电感效应的缘故。而当频率为,5MHz,10MHz时,Z均会首先随磁场的增加变大,形成1个峰值Zmax,然后随磁场进一步增加而减小,并且峰值Zmax的位置大约在0.2mT到0.5mT,随着频率的增高稍微的向高磁场方向移动。图2给出了驱动电流频率分别为100kHz,1MHz,5MHz,12MHz下的Fe84Zr2.08Nb1.92Cu1B11带的巨磁阻抗效应GMI=(Z(H)–Z(0))/Z(0)随外场的变化关系。从图中可以看出,低频下GMI=(Z(H)–Z(0))/Z(0)的值会一直下降,在较高频率下,GMI首先上升,出现1个正的峰值后又下降为负值。这是由于横向各向异性的结果。GMI的峰值GMImax的大小随着频率的增大而增大,GMI(Z)max出现的磁场位置随着频率的增大向着高磁场方向移动。这说明GMI(Z)max不仅与外场有关,而且也与驱动电流频率有关。图3给出了Fe84Zr2.08Nb1.92Cu1B11纳米晶带GMI效应峰值(极大值)随频率的增大的变化情况,从图中可以看出随着频率的增大,GMI效应极大值增大,但是增长的幅度逐渐变小。材料的阻抗值Z、电阻值R和感抗值X随直流磁H的变化关系反映了材料的磁导率随直流磁场H的变化。从经典的电动力学理论可知,当高频电流流过金属导体时,会发生趋肤效应。对于软磁合金薄带,具有较大的横向磁导率,该横向磁导率满足:式中χt为横向磁化率:这里Ms是饱和磁化强度,h表示交变电流产生的横向磁场,d是畴壁的厚度。θ1和θ2是磁化方向和易轴的夹角,x是相对平衡态的畴壁位移,可以通过求解自由能密度的最小值来确定。由麦克斯韦方程推导出磁性薄带表现出的复阻抗:其中:ω是交流驱动电流的频率,σ是薄带的电导率,Rdc是薄带的直流电阻。假设铁磁体的磁化驰豫过程用单一的驰豫时间τ来描述,磁导率μ=μ?+iμ?可以写为:ωr称为驰豫频率,µi为静态起始磁导率。经推导可得:将(3)式代入(2)可得到材料的阻抗值。巨磁阻抗效应的表达式如下:图4分别给出了薄带的磁导率µ和阻抗值Z随磁场H变化的计算曲线。可以看出随着外场的变大,磁导率会出现一峰值,并且随着频率的增大峰值会增大,阻抗也表现出类似规律。这一模拟结果与Fe84Zr2.08Nb1.92Cu1B11纳米晶带在较高频率下得到的实验结果相类似。我们没有发现在低频下阻抗值随外场直接下降的情况,这是由于(1)式主要适用于强趋肤效应情形。由于当外场小于横向各向异性场时,材料的磁化主要由畴壁位移控制,当外场逐渐变大,磁导率随之增大,但当外场强度接近各向异性场时,磁化矢量很快转向外场方向,材料的磁化主要由磁矩转动控制。由此得到材料的阻抗值Z首先随磁场的增加变大,在外场Hex与横向各向异性场Hk的比值约等于0.9处出现1个峰值Zmax,然后随磁场的进一步增加而减小。图5显示了薄带的巨磁阻抗效应随磁场H变化的计算曲线。在外磁场Hex与横向各向异性场Hk的比值约等于1.4处出现负值,这可以反映一定的实验事实。但是相对于实验结果,理论计算得到的负值要小得多,这也说明了该模型的局限性。从图5中还可以看出随着频率的增大,峰值的大小会增大,但增大到一定程度会接近饱和。图6给出了薄带的巨磁阻抗效应最大值随频率f变化的计算曲线,这与实验中得到的结果很类似。4外场磁导率随时间的变化规律,通过巨磁阻抗效应的来在低频下Fe84Zr2.08Nb1.92Cu1B11纳米晶薄带的阻抗随外磁场线性变化,