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1、浙江师范大学硕士学位论文F e 基非晶、纳米晶薄带的介观结构及特性研究摘要非晶、纳米晶材料由于其独特的组织结构、高效的制备工艺、优异的材料性能和广阔的应用前景，一直受到材料科学工作者和产业界的特别关注。在过去的四十几年中，伴随着非晶态材料基础研究、制备工艺和应用产品开发的不断进步，各类非晶态材料已经逐步走向实用化，特别是非晶、纳米晶软磁合金带材在电力和电子等领域开始获得广泛应用。而后来在该类材料中发现了巨磁阻抗( G M I ) 效应，为开发高灵敏度磁敏传感材料提供了新途径，更成为该领域一个新的研究热点。因此，研究非晶、纳米晶软磁薄带卡才料中的微结构、磁结构对巨磁阻抗效应的影响具有重要的理论意
2、义和实际价值。本文系统地研究了F e ，。C u 。N b 。S “j B 。非晶、纳米晶薄带的巨磁阻抗效应、退火温度对材料内部微结构的影响、F e 基合金薄带的形状各向异性以及其对材料巨磁阻抗效应的影响等，主要研究结果如下：i 通过对F e C u N b S i B 纳米晶薄带的纵向驱动巨磁阻抗效应特性的研究发现，存在两个特征频率f 蚰、f 。，磁阻抗曲线形状由驱动电流频率f 与它们的相对关系决定。在驱动电流频率f f 、情况下，影响磁阻抗的主要因素是材料的软磁特性。驱动电流频率在L o 可表示为( K ) = 1 等( 1 2 )显然，很小的晶粒尺寸将导致很小的磁晶各向异性，这是纳米晶台
3、金获得优异软磁性能的主要原因。1 3 巨磁阻抗效应浙江师范大学硕士学位论文第一章绪论巨磁阻抗( G i a n tM a g n e t o I m p e d a n c e 即G M I ) 效应是指磁性材料的交流阻抗随着外加直流磁场的变化而发生显著变化的效应。1 9 9 2 年，日本名古屋大学K M o h r i 等人首先在( F e 。B C o 。) ，。s i l = ! 。非晶丝中观察到，在几个奥斯特磁场下材料的阻抗变化I A Z I z 。高达7 5 。1 ，比金属多层膜F e C r 或C o a g 在低温、高场下观察到的巨磁阻抗效应还商一个数景级，因而被称为巨磁阻抗效应
4、。现在，对巨磁阻抗效应的研究处于比较活跃的阶段，从非品态扩展到纳米晶“、晶体“”等，材料的形态从细丝、薄带到薄膜，以及出现匝磁阻抗效应更强的多层复合结构，如多层丝“”和多层膜“结构。由于巨磁阻抗效应反映的是材料的弱场交流磁化随外加磁场的变化，它主要受到材料本身的磁性能和驱动场的影响。对于前者，人们研究材料组分、构型、磁结构以及环境温度对材料的磁阻抗效应的影响；而对于后者，人们研究驱动电流的频率、大小和方向与巨磁阻抗效应的关系。特别值得提的是，杨介信、杨燮龙“”等根据F e 基软磁纳米晶材料的易轴沿着丝或带轴的方向，设法使电流产生的驱动场沿着轴向，从而产生了很大的阻抗效应，即纵向驱动臣磁阻抗效应
5、。由于这种效应具有高灵敏度、体积小、响应快以及非接触性等特点，人们普遍认为，它比磁电阻效应具有更多的优越性，因而在传感器和磁记录头应用方面具有十分诱人的应用前景“”。1 3 1 基本理论：设一长为1 、半径为a 的样品，当通有频率为t 。的交变电流i = i o e 一时，考虑均匀磁化，其阻抗表达式为“：Z = R + j X 吨警糕( 1 3 )其中：业，盯，：，L 为趋肤深度，R d c ：之一为直流电阻，J o 和J 。分别为盯mVo q u d r翮仃零阶和一阶贝塞尔函数。在低频情况下，将上述磁阻抗表达式进行级数展开，可以得到：R “R 。 1 + 1 - 矗2a 4 c 0 2 22
6、 d r2 ( 1 4 )浙江师范大学硕士学位论文第一章绪论在高频情况下，则有x * 蹦 口2 掣盯】( 1 5 )吨兰J 孚。，而对于一长1 、厚度为a ，宽度为b 的条带或薄膜，对应的阻抗表达式分别为低频近似Z = R + j x = R 女+ j k a + c o t h ( j k a )( 1 7 )R R 女【l + 去a 4 2 2 盯2 】( 1 8 )X = R 出【一：1a 2 q “盯】( 1 9 )高频近似：肌鼽u 一半( 1 1 ( ) )其中R 女= 为直流电阻，C O t h 为余切双曲函数。如果考虑低频情况，趋肤效应较弱时，电感部分正比于频率一次项，并正比于横
7、向磁导率u ，而电阻部分与。2 项成正比，可以忽略。这种低频效应称为磁电感效应。当高频时，趋肤效应不可忽视，由( 1 。6 ) 和( 1 1 0 ) 式可知，样品的阻抗通过趋肤效应与磁导率u 相联系，如果外磁场H 。发生变化，必然会影响软磁材料的磁化行为，引起磁导率发生变化，从而改变趋肤深度氏，材料的交流阻抗随之发生变化。由于纳米微晶软磁材料的磁导率对外磁场响应相当灵敏，因此外磁场能大幅度地改变阻抗的大小，这正是M o h r i 等人所提出的M I 效应的物理基础。如果考虑具体的材料磁结构而导致的非均匀磁化，阻抗表达式将会改变，但磁导率始终是影响阻抗变化的重要因素。1 3 2 臣磁阻抗效应与
8、磁各向异性的关系：巨磁阻抗效应反映了软磁台金材料磁导率随外磁场的灵敏变化，实际上是直流浙江师范大学硬士学位论文第一章绪论磁场H 。，、交流磁化驱动场 和磁性材料内部的磁矩取向( 磁结构) 三者的综合作用的结果。因此，研究巨磁阻抗效应必然会涉及到三个方面。( 1 ) 交变驱动电流i = i o e ，根据电磁感应定律，当交流通过铁磁体内会产生磁化驱动场，所引起的磁通变化会受各种外界条件的影响以磁阻抗变化表现出来；( 2 ) 铁磁材料内的磁矩的取向和分布一磁结构。在退磁条件下，与各种因素引起的磁各向异性有关；( 3 )外加直流磁场，通过很小的外磁场的变化，会灵敏地改变材料的磁矩取向和磁导率变化，从
9、而引起磁阻抗的变化。上述三者的大小和取向的变化和组合构成磁阻抗谱的多样性和灵敏变化，从理论上讲，是求解磁结构的形式在外磁场作用下的变化规律，然后去推知磁材料的性能包括磁阻抗的变化。僵至今还不能获得描述磁畴结构的完整图形，写不出退磁能的表达式，因而目前还只能在实验基础上，从能量最小值出发，定性的讨论各种最可能出现的磁结构的形式，我们试图归结为八种模式，其中二类是最灵敏的，对实际应用有重要价值，这里选择四种较典型的模式( 图卜1 ) ，作一概要的讨论。1 软磁条带具有横向磁结构，即材料的易磁化方向在横向( 垂直带轴方向) ，交变磁场h 也在横向。直流外磁场H 作用于纵向( 平行带轴方向) 。在=
10、O 的情况，有h 作用下驱使带的磁化过程以畴壁移动为主，当施加H 。后，使磁矩逐渐向带的轴向偏转，同时平行于轴向的磁畴数增加。此时，磁矩的转动和畴壁的移动都会对磁化有贡献，当H 。= H k 时，转动磁导率u + 达最大值，相应有最大的阻抗变化，当H 。； H k ，使转动磁化处于一个难磁化方向，阻磁抗变化逐渐减小，在这种情况，呈现一个有正峰的磁阻抗曲线。2 软磁条带具有纵向磁结构，与( 1 ) 一样，交变磁化场矗作用在带的横向，外磁场H 。；在带的纵向。在此情况下，带在A 作用下的磁化以磁矩转动为主，但由于易磁化方向在带的纵向，其横向磁导率“。较低，相应的阻抗较小，而且因为H 。，同H k
11、平行，H 。的作用始终是阻止磁化过程的进行，于是使u 。进一步减小，从而引起阻抗的下降。当H 。，增大到一定程度，磁化过程将难以继续，磁阻抗曲线也达到饱和。不过，此种情形整体难以获得较大的阻抗变化。3 软磁条带具有横向磁结构，但与( 1 ) 不同，交变磁化场h 均在纵向。此时浙江师范大学硕士学位论文第一章绪论带在h 作用下的磁化也以转动为主。在施加H 。以后，若H 。 H 。，H 。使磁矩偏向带的纵向并倾向于与H 。；一致，这样，h 产生的交变磁化将变得困难，带的阻抗急剧减小直至H 。使材料磁饱和，从而得到一条具有“平台”的磁阻抗曲线。4 软磁条带具有纵向磁结构，并且磁化场h 与外磁场H 。，
12、均在纵向。对于此情形，带在h 作用下的磁化同( 1 ) 相似是以畴壁移动为主，而且因为易磁化方向与h一致，所以条带具有很高的磁导率u 。并相应有很大的阻抗值加上纵向的H 。以后，由于也，的作用为单向，因此造成h 作用下交替振荡的畴壁移动过程被大大抑制，带的磁导率迅速减小，相应地其阻抗值也急剧地下降，从而得到大幅度单调减小的阻抗曲线。考虑到交流驱动场的方向，其中1 、2 两种模式通常称为横向巨磁阻抗效应，而3 、4 两种模式通常称为纵向巨磁阻抗效应“。由以上的分析不难看出，由予巨磁阻抗效应和磁结构的密切关系，我们可以通过控制磁结构来实现所需耍的磁阻抗响应，从技术的角度来说有利于传感器的设计；另一
13、方面，从阻抗响应的特征中也能反县材料磁结构的信息，可以作为测量材料磁性能的一种手段。h上下1 L丁3下j rtH k2一_ H k4一_ H kI_【lI丫浙扛师范大学硕士学位论文第一章绪论1 4 磁各向异性图1 - 1 四种典型的G M I 模式F i g 1 1F o u rt y p i c a lp a t t e r n so f G M l磁各向异性是磁性材料最重要的物性之一。磁各向异性包括磁晶各向异性、形状各向异性、磁弹性各向异性和生长感应的各向异性等。一般来说，自旋一轨道相互作用和磁偶极相互作用是影响磁各向异性的两个主要来源。前者与晶体结构的对称性有关，即磁晶各向异性。后者的长
14、程特性通过样品的形状产生了形状各向异性。1 。磁各向异性等效场在非晶材料中，由于原子呈无序排列，没有晶体结构，因此不存在磁晶各向异性。而在纳米微晶材料中，根据上述的G H e r z e r 1 理论，由于晶粒尺寸小于交换相关长度L 。导致很小的磁晶各向异性。这样，非晶态薄带和纳米微晶薄带中的磁各向异性类型主要是指形状和磁场退火感生的磁各向异性，此各向异性经常可以通过一个单轴对称性来描述。H ：堡(1儿)k肘，其中x 。是单轴磁各向异性常数。2 磁弹性等效场浙f r 帅范 学硬士学位论立第一章绪论1 4 磁各向异性图卜1 四种典型的G M I 模式F i glIF o u r t y p i
15、s t n m m s o f G M I磁各向异性是磁性材料最重要的物性之一。磁各向异性包括磁晶各向异性、彤状各向异性、磁弹性各向异性和生长感应的各向异性等。一般柬说，自旋轨道相互作用和磁偶极相互作用是影响磁各向异性的两个主要来源。前者与晶体结构的对称性有关，即磁晶备向异性。后者的长程特性通过样品的形状产生了形状各向异眭。l 。磁各向异性等效场在非晶材料中，由于原子呈无序排列，没有晶体结构，因此不存在磁晶各向异性。而在纳米微晶材料中，根据上述的G H e z e r “”理论，由于晶粒尺寸小于交换相关长度L 。导致很小的磁晶各向异性。这样，非晶态薄带和纳米微晶薄带中的磁各向异性类型主要是指形
16、状和磁场退火感生的磁各向异性，此各向异性经常可以通过一个单轴对称性来描述。其中K 。足单轴磁各向异性常数2 ，磁弹性等效场2 磁弹性等效场。：堡( 11 1 )埘浙江师范大学硕士学位论文第一章绪论如果应力盯在z 轴方向， t 为磁化强度在z 轴的分量，则磁弹性等效场为 耳。：骅乏( 1 1 2 )M !此式的形式与磁各向异性等效场的表达式非常相似，相当于K = 兰笋c 因而在些场合，可将磁弹性等效场并入磁各向异性等效场以做近似处理。3 退磁场当铁磁材料由于磁化而具有面磁荷或者体磁荷时，在铁磁材料内将产生与磁化强度方向相反的退磁场。如果磁化均匀，则退磁场亦是均匀的，并且与磁化强度成比例而方向相反。我们的研究目标是薄带，在实际处理时，可把薄带假设为扁椭球体，其主轴与笛卡儿直角坐标系x ，Y ，z 轴相重合。假设外加磁场沿x 轴方向，则X 轴方向
