摻雜及磁場(chǎng)感應(yīng)各向異性對(duì)Fe基薄膜巨磁阻抗效應(yīng)的影響.pdf

1、巨磁阻抗(giant magnetoimpedance，GMI)效應(yīng)具有靈敏度高、響應(yīng)快、無(wú)磁滯、熱穩(wěn)定性好、非接觸、能耗小等優(yōu)點(diǎn)，使其在磁記錄及高靈敏度微型磁傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因而引起人們的廣泛關(guān)注。1992年，Mohri等人首先在Co基非晶絲中發(fā)現(xiàn)巨磁阻抗效應(yīng)，在室溫和弱磁場(chǎng)(80～800A/m)下觀察到材料的交流阻抗變化AZ/Z>90﹪，其幅度比巨磁電阻(giant magnetoresistance，GMR)效應(yīng)高

2、一個(gè)數(shù)量級(jí)，為研制高靈敏傳感器件開(kāi)辟了新的途徑。之后，人們很快在高磁導(dǎo)率和低矯頑力的Fe基納米微晶薄帶、絲和膜中觀察到磁阻抗效應(yīng)。 對(duì)GMI效應(yīng)來(lái)說(shuō)，外加直流磁場(chǎng)通過(guò)改變材料的磁導(dǎo)率改變材料的阻抗，而軟磁材料的磁導(dǎo)率是非常敏感的參量，受材料的成分、磁疇結(jié)構(gòu)、各向異性、制備條件等諸多因素的影響，所有影響材料磁導(dǎo)率的因素都會(huì)影響GMI效應(yīng)，因此研究這些因素對(duì)GMI效應(yīng)的影響是非常有意義的。Fe基軟磁合金材料具有優(yōu)異的軟磁性能，相對(duì)于

3、Co基材料，F(xiàn)e基材料的價(jià)格低廉，是研究巨磁阻抗效應(yīng)的理想材料。另一方面，隨著器件向小型化、集成化方向發(fā)展，越來(lái)越多的器件需要薄膜化，因此對(duì)薄膜巨磁阻抗效應(yīng)的研究日益重要。 本論文對(duì)Fe基軟磁合金薄膜的巨磁阻抗效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。目的是探索材料的成分、磁疇結(jié)構(gòu)、各向異性、制備條件等因素對(duì)Fe基軟磁合金薄膜巨磁阻抗效應(yīng)的影響，分析巨磁阻抗效應(yīng)的微觀機(jī)理，尋求具有較高GMI效應(yīng)的材料。采用射頻濺射法制備了成分為FeCuNbSiB、

4、FeCuCrVSiB和FeZrB的薄膜材料。(一)分析了不同元素?fù)诫s(Cu、Ni、Nb)對(duì)FeZrB系合金薄膜軟磁性能和巨磁阻抗效應(yīng)的影響；(二)研究了濺射功率及不同退火方式對(duì)FeZrB系合金薄膜磁特性和阻抗效應(yīng)的影響；(三)研究了在制備過(guò)程中磁感應(yīng)各向異性對(duì)FeCuCrVSiB、FeCuNbSiB單層膜和多層膜的磁疇結(jié)構(gòu)、軟磁特性及巨磁阻抗效應(yīng)的影響。 本論文的主要工作和結(jié)果： 1、Fe-Zr-B基合金薄膜的巨磁阻抗效

5、應(yīng)系統(tǒng)地研究了摻雜Cu、Nb、Ni以及射頻濺射功率和各種退火處理對(duì)Fe<,88>Zr<,7>B<,5>基軟磁合金薄膜的磁特性和巨磁阻抗效應(yīng)。主要得到了以下的結(jié)果： 由于Cu和Fe原子的不親合性，在FeZrB合金中摻入適量的Cu，會(huì)阻止Fe原子的聚集，防止微晶的形成，提高FeZrB合金的非晶態(tài)形成能力，并且適量Cu的摻入可能會(huì)降低薄膜在制備過(guò)程中，因薄膜和基片熱膨脹系數(shù)不同引起的內(nèi)應(yīng)力，使軟磁性能得以提高，進(jìn)而獲得很大的GMI效應(yīng)

6、。Nb的摻入削弱了薄膜樣品的橫向各向異性，但同時(shí)降低了FeZrB合金的軟磁性能和GMI效應(yīng)，這充分說(shuō)明感生各向異性是影響GMI效應(yīng)的重要因素之一。適當(dāng)?shù)腘i的摻雜使FcZrB薄膜的矯頑力減小，并且明顯降低了各向異性，進(jìn)而提高其GMI效應(yīng)，說(shuō)明具有優(yōu)異的軟磁性能是獲得大的磁阻抗效應(yīng)的重要前提。 射頻輸入功率影響薄膜制備過(guò)程中的沉積速率，適當(dāng)?shù)臑R射功率可以使得薄膜在成膜過(guò)程中形成均勻致密的結(jié)構(gòu)，獲得最佳的軟磁性能，進(jìn)而得到最大的GM

7、I效應(yīng)。對(duì)于摻雜3at﹪Cu的樣品，射頻濺射功率為240W時(shí)GMI比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于150W與350W，在13MHz下，最大GMI比縱向達(dá)到17﹪，橫向達(dá)到10.5﹪。這是目前FeZrBCu制備態(tài)薄膜樣品在該頻率下達(dá)到的最大GMI比。 自然退火消除了FZBCu<,3>薄膜制備過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的橫向各向異性，但是使得縱向最大GMI比從17﹪降低至14﹪，說(shuō)明適當(dāng)?shù)母飨虍愋杂欣诋a(chǎn)生較高的磁阻抗效應(yīng)。因此在退火時(shí)加一縱向磁場(chǎng)，獲得的磁場(chǎng)退火

8、態(tài)樣品最大縱向和橫向磁阻抗效應(yīng)均有很大的提高，進(jìn)一步證明了適當(dāng)?shù)母猩飨虍愋钥梢蕴岣弑∧さ腉MI比。通過(guò)電流退火發(fā)現(xiàn)，退火電流為800mA的樣品阻抗的磁場(chǎng)靈敏度有很大的提高，達(dá)到7﹪/kA/m。 2、FeCuCrVSiB薄膜的巨磁阻抗效應(yīng)在對(duì)FeCuCrVSiB合金單層薄膜研究中發(fā)現(xiàn)加磁場(chǎng)制備的薄膜軟磁性能明顯優(yōu)于不加磁場(chǎng)制備的薄膜，其矯頑力為64A/m，遠(yuǎn)小于不加磁場(chǎng)制備的薄膜的矯頑力560A/m。 在制備過(guò)程中加縱向

9、磁場(chǎng)得到的樣品經(jīng)不同溫度退火熱處理后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)230℃退火1.5h的單層膜和多層膜具有最佳的軟磁性能和最大的磁阻抗效應(yīng)，單層膜最大橫向磁阻抗比為37.5﹪，最大縱向磁阻抗比為36﹪，多層膜最大橫向磁阻抗比高達(dá)277﹪，最大縱向磁阻抗比為250﹪，這是目前為止在薄膜中發(fā)現(xiàn)的最高的巨磁阻抗效應(yīng)。通過(guò)比較單層和多層膜磁阻抗效應(yīng)隨頻率和磁場(chǎng)的變化，發(fā)現(xiàn)多層膜具有較低的磁阻抗效應(yīng)的臨界頻率和峰值特征頻率，及較大的磁阻抗變化率，而且有較低的橫向磁阻抗

10、效應(yīng)的飽和場(chǎng)。在薄膜制備過(guò)程中加磁場(chǎng)可以改善材料的軟磁性能，顯著提高磁阻抗效應(yīng)，而多層膜結(jié)構(gòu)不僅使臨界頻率大幅下降，而且大大提高了GMI效應(yīng)，這些結(jié)果都可使應(yīng)用GMI效應(yīng)的外圍電路簡(jiǎn)化，高頻噪聲降低，有利于擴(kuò)大GMI效應(yīng)的應(yīng)用范圍。在制備過(guò)程中加橫向磁場(chǎng)得到的樣品經(jīng)不同溫度退火熱處理后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)200℃和250℃退火1.5h的單層膜與200℃退火1.5h多層膜具有最佳的軟磁性能和最大的磁阻抗效應(yīng)，單層膜最大縱向磁阻抗比為37﹪，最大橫向磁

11、阻抗比為35﹪，多層膜最大縱向磁阻抗比高達(dá)110﹪，最大橫向磁阻抗比為125﹪。 比較在制備過(guò)程中加橫向磁場(chǎng)和縱向磁場(chǎng)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單層膜二者的結(jié)果幾乎相同，而且都表現(xiàn)為當(dāng)磁場(chǎng)感應(yīng)各向異性場(chǎng)與外加直流磁場(chǎng)垂直時(shí)的GMI效應(yīng)大于磁場(chǎng)感應(yīng)各向異性場(chǎng)與外加直流磁場(chǎng)平行的結(jié)果。對(duì)于多層膜，制備過(guò)程中加不同方向的磁場(chǎng)，結(jié)果有很大差別：在制備過(guò)程中加縱向磁場(chǎng)的多層膜可以得到更大的巨磁阻抗效應(yīng)，這可能是由于對(duì)多層膜來(lái)說(shuō)由于外部磁性層形成閉合

12、磁路，所以橫向?yàn)橐状呕较?，而制備過(guò)程中加縱向磁場(chǎng)時(shí)，正好與易磁化方向垂直，這時(shí)感生的各向異性更有利于得到較高的巨磁阻抗效應(yīng)。 3、FeCuNbSiB單層膜的巨磁阻抗效應(yīng)研究了加磁場(chǎng)制備的Fe<,73.5>Cu<,1>Nb<,3>Si<,13.5>B<,9>軟磁合金薄膜的磁疇結(jié)構(gòu)、軟磁性能和GMI效應(yīng)。 制備過(guò)程中不管是加橫向磁場(chǎng)還是縱向磁場(chǎng)制備的薄膜樣品的磁阻抗效應(yīng)都比不加磁場(chǎng)制備的薄膜都有所提高，但提高不大。加橫向磁

13、場(chǎng)和縱向磁場(chǎng)制備的樣品與不加磁場(chǎng)制備的相比，縱向磁阻抗比從3.4﹪增大到5.6﹪、7.8﹪，橫向磁阻抗比從3.4﹪增大到4.2﹪、6.8﹪。 觀察橫向磁場(chǎng)制備的樣品的疇結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)在不同溫度退火態(tài)樣品及制備態(tài)樣品的磁疇方向均不是嚴(yán)格的沿著樣品的長(zhǎng)方向，而是略向?qū)挿较騼A斜，表明在薄膜樣品中存在一個(gè)方向在與長(zhǎng)方向有一定夾角的各向異性場(chǎng)。對(duì)比制備過(guò)程中加橫向磁場(chǎng)的薄膜樣品的阻抗隨外加縱向直流磁場(chǎng)和橫向直流磁場(chǎng)的變化曲線，發(fā)現(xiàn)曲線分別在±0