磁致伸縮/壓阻塊狀復(fù)合材料的磁阻性能研究*

賈艷敏, 馬江平， 王 朗， 王夢(mèng)雙， 羅雯姝

(浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江 金華 321004)

0 引 言

磁電阻效應(yīng)是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象[1].1988年，法國(guó)學(xué)者Baibich等[2]首次在Fe/Cr多層薄膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，引起了世界各國(guó)的高度重視.目前，已被研究的磁性材料的磁電阻效應(yīng)大致可以分為：由磁場(chǎng)直接引起的正常磁電阻、與技術(shù)磁化相聯(lián)系的各向異性磁電阻、摻雜稀土氧化物中的龐磁電阻、磁性多層膜和顆粒膜中特有的巨磁電阻及隧道磁電阻等[3-4].

在過(guò)去的二十多年中,隨著金屬多層膜和顆粒膜中巨磁電阻及稀土氧化物中龐磁電阻的發(fā)現(xiàn)，磁電子學(xué)得到了很大的發(fā)展.由磁電阻材料構(gòu)成的磁電子學(xué)新器件已廣泛應(yīng)用在光學(xué)器件、門控設(shè)備、氣體檢測(cè)等方面，具有巨大的應(yīng)用前景[5-7].

現(xiàn)階段對(duì)于磁電阻材料的研究和應(yīng)用多集中在單相磁電阻材料上，關(guān)于單相磁電阻材料的研究已較為成熟[8-10].單相磁電阻材料主要采用的是多層膜的結(jié)構(gòu)，這就對(duì)磁電阻材料的制備條件和工藝提出了較高的要求.但是，如果采用其他功能材料進(jìn)行復(fù)合，獲得復(fù)合磁電阻材料，將會(huì)極大簡(jiǎn)化磁電阻材料的制備工藝，降低材料的制作成本.然而，目前關(guān)于復(fù)合磁電阻材料的研究尚處于剛起步階段，相關(guān)的報(bào)道甚少.

本文主要針對(duì)復(fù)合磁電材料的磁電阻性能，采用Terfenol-D磁致伸縮材料和壓阻材料進(jìn)行復(fù)合，獲得復(fù)合磁電阻材料,并研究了復(fù)合磁電阻材料在一定變化磁場(chǎng)內(nèi)的磁電阻效應(yīng).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 磁致伸縮材料(Terfenol-D)的磁致伸縮系數(shù)測(cè)試

一般測(cè)量磁致伸縮系數(shù)都是采用非平衡電橋的方法，但由于受溫度、磁電阻效應(yīng)等因素的影響,電路中會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的漂移現(xiàn)象,導(dǎo)致測(cè)量難以準(zhǔn)確進(jìn)行.為了克服這種缺點(diǎn),筆者采用光學(xué)干涉方法測(cè)量磁致系數(shù)[11].

把待測(cè)磁致伸縮材料(Terfenol-D)樣品沿最易磁化的〈112〉晶向切割成尺寸為12.0 mm×3.0 mm×0.5 mm的材料，將樣品放置在螺線管軸線位置,螺線管長(zhǎng)約12 cm,樣品所在處為均勻磁場(chǎng).樣品一端粘貼1個(gè)小平面鏡,鏡面與樣品長(zhǎng)度方向垂直,另一端與螺線管固連.在光學(xué)平臺(tái)上搭建邁克爾孫干涉儀光路，光源為氦氖激光器,波長(zhǎng)為632.8 nm.動(dòng)鏡為與待測(cè)樣品固連的平面鏡,接收裝置為光電計(jì)數(shù)器.當(dāng)螺線管線圈中通過(guò)電流I時(shí),其軸線處磁感應(yīng)強(qiáng)度B=μ0nL,樣品在磁場(chǎng)作用下其長(zhǎng)度將發(fā)生變化,從而引起干涉條紋級(jí)數(shù)的改變.設(shè)樣品的伸縮量為ΔL，條紋級(jí)數(shù)的改變量為ΔK，則由邁克爾孫干涉儀原理可知，ΔL=ΔKλ/2，所以樣品的磁致伸縮系數(shù)α=ΔL/L=ΔKλ/(2L).

1.2 磁致伸縮/壓阻復(fù)合磁電阻材料的制備

圖1 磁致伸縮/壓阻復(fù)合磁阻材料結(jié)構(gòu)圖

圖1所示為磁致伸縮/壓阻復(fù)合磁阻材料的結(jié)構(gòu)圖.將Terfenol-D磁致伸縮合金沿〈112〉晶向切割成12.0 mm×3.0 mm×0.5 mm的材料備用.使用激光切片機(jī)將〈100〉晶向的p型單晶硅片切割成15.0 mm×4.0 mm的材料備用.先將Terfenol-D合金和單晶硅片的粘接面用蘸取無(wú)水乙醇的脫脂棉擦干凈表面.待粘接面無(wú)水乙醇揮發(fā)干后，采用502膠水將Terfenol-D合金與單晶硅的粘接面粘牢.等粘接面的502膠水完全固化后，在單晶硅片的另一面用室溫導(dǎo)電銀膠做好2個(gè)電極.

1.3 磁致伸縮/壓阻/薄膜復(fù)合磁電阻材料的制備

圖2所示為磁致伸縮/壓阻/鉭薄膜復(fù)合磁阻材料的結(jié)構(gòu)圖.將Terfenol-D磁致伸縮合金沿〈112〉晶向切割成12.0 mm×3.0 mm×0.5 mm的材料備用.使用激光切片機(jī)將〈100〉晶向的p型單晶硅片切割成15.0 mm×4.0 mm的材料備用.采用超高真空多功能磁控濺射設(shè)備(型號(hào)：JGP450；廠家：中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)科學(xué)儀器股份有限公司)在p型單晶硅一面濺射一層200 nm厚的鉭薄膜(鉭靶材直徑70 mm，純度99.95%;廠家：深圳天源表面技術(shù)開發(fā)有限公司).具體濺射薄膜的工藝參數(shù)如表1 所示.將濺射好鉭薄膜的p型硅片與Terfenol-D合金用502膠水粘接牢固后，采用室溫導(dǎo)電銀膠在鉭薄膜的表面引出2個(gè)測(cè)試電極.

圖2 磁致伸縮/壓阻/薄膜復(fù)合磁阻材料的結(jié)構(gòu)圖

工作壓強(qiáng)/Pa沉積時(shí)間/min工作功率/W膜厚/nm2.43060200

1.4 復(fù)合磁電阻材料磁阻性能的測(cè)試

采用電輸運(yùn)測(cè)量系統(tǒng)(型號(hào)：ET9000；廠家：北京東方辰景科技有限公司)測(cè)試復(fù)合磁電阻材料的磁阻性能.在測(cè)試磁致伸縮/壓阻復(fù)合磁電阻材料時(shí)，測(cè)試磁場(chǎng)方向與復(fù)合磁電阻材料長(zhǎng)度方向一致，范圍是0～0.40 T，設(shè)定溫度為288 K，磁場(chǎng)步進(jìn)值為0.04 T，測(cè)試電流為100 μA.測(cè)試磁致伸縮/壓阻/薄膜復(fù)合磁電阻材料時(shí)，測(cè)試磁場(chǎng)方向與復(fù)合磁電阻材料長(zhǎng)度方向一致，磁場(chǎng)范圍為0～0.01 T，設(shè)定溫度為288 K，磁場(chǎng)步進(jìn)值為0.001 T，測(cè)試電流為100 μA.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合磁電阻材料的工作原理

眾所周知，復(fù)合材料的乘積效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)不同材料之間的性能耦合.在兩相復(fù)合材料中，如果一相材料的性能是由A到B，另一相材料的性能是由B到C，那么2種材料復(fù)合將會(huì)實(shí)現(xiàn)從A相到C相[12].

要使磁阻復(fù)合材料能面向?qū)嶋H應(yīng)用，一般要求磁阻復(fù)合材料的磁阻轉(zhuǎn)換系數(shù)足夠高.由乘積效應(yīng)可知，要想獲得大磁阻效應(yīng)，必須分別選擇單相效應(yīng)大的鐵磁相和壓阻相，并調(diào)整兩相之間適當(dāng)?shù)捏w積比，以及實(shí)現(xiàn)兩相之間良好的耦合[13-14].因此，對(duì)于鐵磁相而言，必須選擇磁致伸縮效應(yīng)大的鐵磁材料；對(duì)于壓阻相而言，需選用壓阻系數(shù)大的材料.同時(shí)，為了保證復(fù)合材料的體電阻率比較大，要求鐵磁相的體電阻率要大.一般來(lái)說(shuō),鐵磁相的體電阻率要比壓阻相的體電阻率小2個(gè)數(shù)量級(jí)，磁阻復(fù)合材料的體電阻率主要由電阻率較小的鐵磁相決定，故要設(shè)法提高鐵磁相的體電阻率.混合比對(duì)磁阻復(fù)合材料磁阻轉(zhuǎn)換系數(shù)的影響也是不容忽視的.為了能夠獲得最大的磁阻轉(zhuǎn)換系數(shù)，壓阻相與鐵磁相必須選擇最佳比值.

2.2 磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)隨磁場(chǎng)的變化規(guī)律

圖3所示為Terfenol-D的磁致伸縮系數(shù)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線.Terfenol-D沿<112>方向切割，磁場(chǎng)施加的方向與<112>方向平行.當(dāng)外加磁場(chǎng)為0～1.6×105A·m-1時(shí)，Terfenol-D沿<112>方向的磁致伸縮系數(shù)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大.當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小超過(guò)1.6×105A·m-1時(shí)，Terfenol-D沿<112>方向的磁致伸縮系數(shù)基本不變.這是因?yàn)?磁場(chǎng)強(qiáng)度在0～1.6×105A·m-1時(shí)，Terfenol-D的形變主要在長(zhǎng)度方向;當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于1.6×105A·m-1時(shí)，Terfenol-D的形變主要是體積形變[15].

圖3 Terfenol-D的磁致伸縮系數(shù)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化圖

2.3 磁致伸縮/壓阻復(fù)合磁電阻材料的磁阻性能

圖4 硅片的電阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線

圖4所示為磁致伸縮/壓阻復(fù)合磁電阻材料的單晶硅層的電阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線.從圖4可以看出，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，單晶硅層的電阻率呈增大的趨勢(shì).磁場(chǎng)從0.1 T增加到0.4 T,單晶硅的電阻率由125.26 Ω·m增加到125.43 Ω·m.這是因?yàn)?當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大時(shí)，Terfenol-D樣品的縱向磁致伸縮系數(shù)也隨之增大.對(duì)于壓阻材料單晶硅而言，由于其與Terfenol-D固定約束的作用，Terfenol-D受磁場(chǎng)而產(chǎn)生的縱向應(yīng)變會(huì)通過(guò)粘接層傳遞給單晶硅層，導(dǎo)致單晶硅的晶格產(chǎn)生形變.單晶硅中的載流子從一個(gè)能谷向另一個(gè)能谷散射，引起了載流子遷移率發(fā)生變化，擾動(dòng)了載流子的縱向和橫向平均量，最終導(dǎo)致硅的電阻率發(fā)生變化[16].

2.4 磁致伸縮/壓阻/薄膜復(fù)合磁電阻材料的磁阻性能

圖5所示為磁致伸縮/壓阻/薄膜復(fù)合磁電阻材料的鉭薄膜層電阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線.由圖5可以看出，在0～0.01 T的磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，鉭薄膜的電阻率也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì).磁場(chǎng)從0 增加到0.01 T時(shí)，膜的電阻率由7 479.504 Ω·m增加到7 504.518 Ω·m.

圖5 鉭薄膜電阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線

與Terfenol-D/單晶硅復(fù)合磁電阻材料單晶硅層電阻率的變化相比，Terfenol-D/單晶硅/鉭薄膜復(fù)合磁電阻材料鉭薄膜層的電阻率對(duì)磁場(chǎng)變化響應(yīng)更快.

這是由于薄膜的伸縮系數(shù)比硅片好，通過(guò)將硅片產(chǎn)生的應(yīng)變傳遞到薄膜，薄膜會(huì)產(chǎn)生較大的形變，因此引起的電阻率變化也將會(huì)較明顯.

3 結(jié) 論

應(yīng)用復(fù)合材料的乘積效應(yīng)，將磁致伸縮材料和壓阻材料進(jìn)行復(fù)合，制備出復(fù)合磁電阻材料，并研究了復(fù)合磁電阻材料在外界磁場(chǎng)環(huán)境中電阻率的變化.結(jié)果表明，磁電阻復(fù)合材料在一定的磁場(chǎng)變化范圍內(nèi)，其電阻率大小有較明顯的變化.其中，Terfenol-D/單晶硅/鉭薄膜復(fù)合磁電阻材料的磁場(chǎng)在0～0.01 T時(shí)，鉭薄膜的電阻率有非常明顯的變化.復(fù)合磁電阻材料具有較靈敏的磁電阻效應(yīng)，且制備簡(jiǎn)單，材料比較容易獲得，價(jià)格低廉，在傳感器件及磁存儲(chǔ)器件上有著十分廣闊的應(yīng)用前景.