纳米尺度磁性材料的研究进展

纳米尺度磁性材料的研究进展

1纳米晶软磁合金的应用随着科学技术的发展，新材料的研究日益深入，应用也越来越广泛。目前，磁性材料的研究已经深入到纳米标准。1988年，yashnav等人首先在铁基非晶基的基础上添加了少量铜和锆，并在适当的温度下通过金属化加热后获得了性能优良的软磁合金（直径约10nm），后来被称为纳米晶软磁合金。除了具有高饱和磁感应强度、低储存温度和晶化温度、低导电性和低铁损失外，纳米晶软磁合金具有优点。此外，它还具有高导率、低磁速扩展系数、低抗疲劳力和低铁损失，此外，它还具有良好的综合软磁性。后来，利用纳米磁性材料开发了抗电磁干燥器、大磁干燥传感器、磁性头等，取得了令人满意的社会效益和经济效益。2电磁屏蔽性能低在现代战场上,信息战对于战争成败和走向起着重要作用,电磁脉冲弹和微波弹是破坏信息畅通和安全的两大武器,比核武器的破坏力更强.由于它们可以定向攻击目标,同时摧毁人员和军事设备,造成战场上各军兵种武器系统间电磁干扰(EMI),对敌方武器系统性能和可靠性将造成强有力的干扰,并可能导致敌方获取信息不准确、无法探测目标、引信过早点火、飞机飞行失控和制导武器失灵等结果.因此,电磁战已成为现代战争的重要组成部分,安全稳定的电子系统和通信网络已经成为参战双方的命脉.为屏蔽电磁干扰的危害,就必须要求装载电气与电子设备的方舱具有很好的电磁屏蔽性能.低频磁场屏蔽的机理是利用高磁导率材料所具有的低磁阻特性,使磁场通过磁阻小的通路而不扩散到周围空间去,从而起到磁场屏蔽的作用,如图1所示.高频时,磁材料的磁性损耗很大,导致磁导率下降,其屏蔽是利用良导体中感应电流产生的磁场总是抵消原磁场变化的原理实现的.电磁战中,为了保护自己的设备免受敌方的电磁干扰破坏,往往需要安装一些抗电磁干扰器件(如滤波器,可以滤去有害频段的电磁波).目前,铁基纳米晶软磁材料制作的抗电磁干扰器件,具有更强的抗饱和能力、更大的电感量、更高的品质因素、更小的体积和高效节能等特点,广泛地应用于通讯设备、精密测控设备和计算机设备等.3巨磁抗效应和磁传感器的应用前景展望材料的交流阻抗随外加直流磁场的改变而变化的特性称为磁阻抗效应.1992年K.Mohri首先在Co基非晶丝中观察到这种现象,即在几个奥斯特磁场下材料的阻抗变化高达50%,比金属多层膜Fe/Cu或Co/Ag在低温、高场下观察到的巨磁阻效应还要高一个数量级.随后人们还发现如果适当控制铁基纳米微晶材料的磁结构和电流驱动方式,可以观察到更显著的巨磁阻抗效应,并且在热稳定性和性价比上优于Co基非晶,具有更强的竞争力.在高灵敏度磁敏传感器和磁记录读头等方面有着良好的应用前景.迄今为止,在已发现的具备巨磁阻抗效应的众多类型中,以纵向驱动Fe基纳米晶巨磁阻抗效应的磁阻抗比值为最大.目前,纳米巨磁阻抗材料在磁敏传感器中的应用已引起人们的广泛关注.这种材料的特性是在磁场变化范围的两端,其阻抗随磁场变化较为平缓,而在中间区域磁场的微小变化将会引起阻抗很大的变化,当我们适当改变材料磁结构,调整材料的横向磁各向异性的大小,可以移动中间区域的位置和宽度,并且频率不同时,其阻抗随磁场变化的斜率也是不同的.磁敏传感器正是利用此种材料阻抗随外磁场显著变化的特性,把巨磁阻抗材料构成一个磁敏电感直接用作为振荡器元件,并以脉冲的方式输出.我们可以适当地调节电路元件参数,使传感器工作在对外界磁场变化最为敏感并且呈现较好的线性关系的位置.它的基本构成为反相器、磁敏材料、以及少数的电子元件组成的一个调频振荡器,输出脉冲信号,且输出信号的频率会随磁场发生灵敏的变化.与传统的磁敏传感器相比,它不仅结构简单,而且具有高灵敏度、便于数字化测量等优点,尤其在弱磁场、磁横向测量方面有十分诱人的应用前景.4高效的磁头存储巨磁电阻效应(GMR)是一种由极薄的纳米水平的强磁性和非磁性的金属材料叠层而成的人工晶格中,能够用外部磁场使它的电阻发生很大变化的现象.这种效应被应用于硬盘读出磁头,进一步加深了纳米技术实用化的进程,2007年法国科学家阿尔贝·费尔(AlbertFert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(PeterGrünberg)因发现“巨磁电阻”效应而获得诺贝尔物理学奖.早在1957年发现的各向异性磁电阻效应是由于电子自旋-轨道耦合产生的,通常只在1%～2%之间,信息被存储在硬盘微小的磁化区,通过记录磁场变化的读出磁头读出.硬盘越小,各个磁化区的面积也越小,磁化的程度也越弱.因此如果要在一硬盘中存储更多信息,就需要更为灵敏的读出磁头.基于巨磁电阻效应原理制成的读出磁头,可以将细小的磁场变化转换成不同的电阻,使读出磁头产生不同的电流,而电流是读出磁头的信号.目前利用GMR效应来制成GMR磁头主要是使用自旋阀结构.其工作原理为,当磁场作用于磁头时,自旋阀的自由层磁化强度方向发生变化,从而引起磁头电阻的变化.电阻的变化通过磁头的电流读出.自由层和钉扎层被非磁性金属层隔开,通过反铁磁层的交换耦合,钉扎层的磁矩被钉扎在某一固定方向,自由层磁矩随信号场变化而翻转,自旋阀总的电阻变化与磁场线性响应.采用“巨磁电阻”技术的磁头灵敏度有了很大提高,硬盘存储密度也大大增加,单位存储容量的成本明显降低.1997年第1个应用“巨磁电阻”技术的读出磁头问世,电脑硬盘的存储能力随之与日俱增.如今,内置上百G(1G约为1000M)容量的硬盘已成为电脑的标准配置.随着这项技术的产业化,硬盘的块头越来越小,信息存储量越来越大,价格快速下跌.此外,装配这种高灵敏度磁头的硬盘近几年在个人便携式媒体播放器上也大显身手.2001年,美国苹果公司推出第一代硬盘式音乐播放器,轰动全球.今天,苹果公司的新一代iPod播放器容量高达160G,存储空间与其他同类产品相比占相当大的优势.将GMR技术衍生的TMR(隧道磁阻效应磁金属/半导体多层膜)技术和自旋电子学应用于静态随机存储器(MRAM)技术,以取代目前计算机随机存储器(RAM)中所使用的动态随机存储器(DRAM)技术.MRAM利用磁场存储数据,不像用电容储存数据的DRAM那样关闭电源后会导致数据丢失,所以日后的计算机将有可能不需要在开机后等待将系统程序从硬盘调入缓存,可以像电视机一样,即开即用.5纳米磁薄膜的制备今后,纳米磁性材料的开发应用,将会在以下几个方面得到发展:第一,纳米晶软磁合金,进一步在电力电子变压器件系统应用.第二,复合磁性薄膜应用,当工作频率高于1MHz,厚度小于5μm时,通过晶化法获得的纳米晶合金难以满足要求,需要利用复合法制备的磁性薄膜,它可以应用于超高频领域.(1)利用纳米晶铁磁薄膜和非磁性薄膜交替镀膜的方法制备多层调制膜,可以形成高磁电阻效应,制成高灵敏传感器和计算机磁头.(2)将纳米晶的金属软磁颗粒弥散镶嵌在高电阻非磁性材料中,构成两相组织的纳米颗粒薄膜,这种薄膜最大特点是电阻率高,称为巨磁阻效应材料,在100MHz以上的超高频段显示出优良的软磁特性.(3)纳米晶软磁材料粉末与