摻雜及磁場感應(yīng)各向異性對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(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，為研制高靈敏傳感器件開辟了新的途徑。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GMI效應(yīng)來說，外加直流磁場通過改變材料的磁導(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，越來越多的器件需要薄膜化，因此對薄膜巨磁阻抗效應(yīng)的研究日益重要。 本論文對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)研究了在制備過程中磁感應(yīng)各向異性對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，獲得的磁場退火

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。通過電流退火發(fā)現(xiàn)，退火電流為800mA的樣品阻抗的磁場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FeCuCrVSiB合金單層薄膜研究中發(fā)現(xiàn)加磁場制備的薄膜軟磁性能明顯優(yōu)于不加磁場制備的薄膜，其矯頑力為64A/m，遠(yuǎn)小于不加磁場制備的薄膜的矯頑力560A/m。 在制備過程中加縱向

9、磁場得到的樣品經(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)。通過比較單層和多層膜磁阻抗效應(yīng)隨頻率和磁場的變化，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。在薄膜制備過程中加磁場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。在制備過程中加橫向磁場得到的樣品經(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﹪。 比較在制備過程中加橫向磁場和縱向磁場的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于單層膜二者的結(jié)果幾乎相同，而且都表現(xiàn)為當(dāng)磁場感應(yīng)各向異性場與外加直流磁場垂直時(shí)的GMI效應(yīng)大于磁場感應(yīng)各向異性場與外加直流磁場平行的結(jié)果。對于多層膜，制備過程中加不同方向的磁場，結(jié)果有很大差別：在制備過程中加縱向磁場的多層膜可以得到更大的巨磁阻抗效應(yīng)，這可能是由于對多層膜來說由于外部磁性層形成閉合

12、磁路，所以橫向?yàn)橐状呕较?，而制備過程中加縱向磁場時(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)。 制備過程中不管是加橫向磁場還是縱向磁場制備的薄膜樣品的磁阻抗效應(yīng)都比不加磁場制備的薄膜都有所提高，但提高不大。加橫向磁

13、場和縱向磁場制備的樣品與不加磁場制備的相比，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)方向在與長方向有一定夾角的各向異性場。對比制備過程中加橫向磁場的薄膜樣品的阻抗隨外加縱向直流磁場和橫向直流磁場的變化曲線，發(fā)現(xiàn)曲線分別在±0