焦耳熱調(diào)制CoFe基微絲的GMI與疇結(jié)構(gòu)相關性分析

陳東明，蘇 銳

（渤海大學 物理科學與技術(shù)學院，遼寧 錦州121013）

0 引言

早在1994年，L.V.Panina在CoFeSiB軟磁非晶絲的研究中首次發(fā)現(xiàn)巨磁阻抗（giant magneto-impedance，GMI）效應［1］.即當非晶絲通過交流電流時，微絲兩端感生的交流電壓隨著所施加的軸向外磁場的變化而顯著變化的現(xiàn)象.隨后，在Co基和Fe基非晶絲［2］、Fe基納米晶絲［3］、Co基和Fe基非晶薄帶［4］、NiFe、CoP及CoNiFe電沉積復合絲［5-7］、單層、多層、三明治磁性薄膜［8-10］等磁性材料也普遍存在GMI效應，迅速成為研究的熱點.而CoFe基非晶絲的GMI效應最為顯著，其呈現(xiàn)的性能更適合應用于微型化高靈敏度傳感器件.

通常，制備態(tài)的非晶絲GMI效應并不明顯［11-12］，靈敏度不高，主要源于在微絲成型過程中快速冷卻并凝固時微絲徑向內(nèi)部應力殘存過大，軟磁性能不佳.在經(jīng)過適當?shù)耐嘶鸹蛘{(diào)制后，能夠有效的釋放應力，影響微絲易磁化方向與磁各項異性場，改變微絲組織與磁疇結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)GMI性能明顯改善.目前，常用的微絲調(diào)制方法主要有真空退火、磁場退火、焦耳熱退火、應力退火等［13-14］，其中焦耳熱退火被認為是最有效改善非晶絲GMI效應的處理方式之一［15］.

非晶絲的GMI效應受到成分、幾何形狀、測量參數(shù)、應力狀態(tài)、環(huán)境溫度等諸多因素的影響.研究表明：巨磁阻抗效應的產(chǎn)生與絲材趨膚效應密切相關，磁疇結(jié)構(gòu)和磁各向異性是決定非晶絲GMI性能優(yōu)劣的根本原因［16-18］.非晶絲的磁疇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生于制備過程中磁致伸縮與應力的耦合作用的結(jié)果.不同制備工藝參數(shù)、不同磁致伸縮系數(shù)的磁性材料其磁疇結(jié)構(gòu)也將不同.因此，若能夠有效的控制制備工藝參數(shù)或優(yōu)化后處理調(diào)制方法與參數(shù)，則能夠調(diào)制磁疇結(jié)構(gòu)，亦調(diào)制其GMI效應.

本文采用常規(guī)焦耳熱退火調(diào)制熔體抽拉Co68.15Fe4.35Si12.25B13.75Nb1Cu0.5非晶絲的巨磁阻抗效應，并通過磁力顯微鏡觀測不同電流幅值（0~100 mA）焦耳熱退火后微絲表面磁疇結(jié)構(gòu)，分析其磁阻抗性能與疇結(jié)構(gòu)的相關性，提出表征微絲GMI效應的一種方法，便于微型化磁敏傳感器件的開發(fā).

1 實驗

采用熔體抽拉法制備CoFe基微絲［19］（如圖1所示），由X射線衍射強度曲線呈現(xiàn)的明顯的漫散峰可得知，微絲為非晶態(tài)結(jié)構(gòu).

圖1 微絲的X射線衍射曲線

微絲阻抗性能測試采用安捷倫4294阻抗分析儀.選取直徑為30 mm、長度為18 mm非晶絲連入測試電路中.測試頻率范圍：0.1~20 MHz，Marker頻率為10 MHz；交流電流激勵幅值為10 mA，亥姆赫茲線圈（Hemlholtz coil）提供軸向外場80 Oe.為了詳盡獲知焦耳熱退火對微絲阻抗性能的影響，退火電流幅值選擇從0 mA（制備態(tài)）、30 mA、40 mA、50 mA、60 mA、70 mA、80 mA、90 mA，增至100 mA，退火時間均為180 s.

阻抗比值定義為［20-21］：

場響應靈敏度為ξ：

電阻比值定義為：

電抗比值定義為：

式中，ξ-磁場響應靈敏度，%/Oe；Z（Hex）-不同外磁場激勵時的阻抗值，Ω；Z0-零外磁場時的阻抗值，Ω；式（1）能夠直觀反映出非晶絲阻抗相對于初始阻抗時的變化率隨外加軸向磁場變化.若施加適當?shù)耐饧悠么艌?，可獲得更大場響應靈敏度ξ，因此，適合于對比非晶絲GMI性能的優(yōu)劣，對探測微弱磁場的磁敏傳感器設計具有重要意義［22］.

采用磁力顯微鏡（magnetic force microscope，MFM）觀測微絲的磁疇結(jié)構(gòu)；高分辨投射電子顯微鏡（HRTEM）獲得微絲組織結(jié)構(gòu).

2 結(jié)果與討論

圖2 （a）給出經(jīng)過不同電流幅值（0~100 mA）焦耳熱退火的微絲（在激勵頻率f=15 MHz時）［△Z/Z0］（%）比值隨施加外場變化曲線.制備態(tài)（as-cast）時，曲線幾乎呈單調(diào)遞減趨勢；增大退火電流幅值（30 mA~70 mA），阻抗曲線上升峰并不明顯.80 mA電流幅值退火后，阻抗比值顯著增大.在外場0.9 Oe時，［△Z/Z0］max（%）比值為114.0%，對應的場響應靈敏度為127.7%/Oe；同時獲得線性遞增區(qū)間為0~0.4 Oe.繼續(xù)增大退火電流幅值至90 mA、100 mA時，阻抗比值大幅降低，甚至100 mA退火后，微絲阻抗比值低于制備態(tài).圖2（b）、（c）、（d）分別給出了80 mA焦耳熱退火微絲在頻率在1~17 MHz區(qū)間的［△Z/Z0］（%）、［△R/R0］（%）與［△X/X0］（%）比值隨外場的變化關系.插入圖為比值曲線的上升峰位的放大區(qū)間.由圖2（b）可見，［△Z/Z0］max（%）比值隨著激勵頻率的增加而逐漸增大，在17 MHz時，［△Z/Z0］max（%）比值為116.4%.［△R/R0］max（%）比值隨著激勵頻率的增加呈現(xiàn)先逐漸增大后減小，在13 MHz時達到最大值121.1%（如圖2（c）所示）.而［△X/X0］max（%）比值隨著激勵頻率的增加而呈現(xiàn)先減小后逐漸增大的狀態(tài)，在15 MHz時達到最大值169.6%（如圖2（d）所示）.同時可見，［△Z/Z0］max（%）比值對應的外場（H=0.9 Oe）高于［△R/R0］max（%）比值（H=0.7 Oe）與［△X/X0］max（%）比值的外場（H=0.4 Oe）.三者的不同變化趨勢可能源于交流阻抗Z由電阻分量R（實部）與電抗分量X（虛部）兩部分構(gòu)成，即Z=R+jX.當交流電流頻率較高（0.1 MHz

圖2 （a）焦耳熱退火（0~100 mA）微絲△Z/Z0（%）比值隨外場變化曲線；（b）~（d）分別為80 mA電流退火后在f=1~17 MHz區(qū)間△Z/Z0（%）、△R/R0（%）、△X/X0（%）比值隨外場的變化曲線；其中插入為不同曲線相應上升峰位的放大圖

為了便于傳感器件開發(fā)與應用，進一步分析△Z/Z0（%）、△R/R0（%）與△X/X0（%）的場響應靈敏度ξ的變化曲線，如圖3（a）所示.三者的場響應靈敏度最高值分別達到332.2%/Oe、288.1%/Oe、618.3%/Oe，同時具有快速響應磁場區(qū)間在0~0.4 Oe.圖3（b）給出了不同電流幅值退火下的臨界場Hc（可視為等效周向場，對應了△Z/Z0（%）曲線峰位的外場）與交流電流激勵頻率f的關系.由圖可見，隨著激勵頻率f的增大，各退火態(tài)微絲的臨界場Hc也隨之增大，這意味著較高頻的電流不僅帶來明顯的趨膚效應，而且能夠快速驅(qū)動微絲表面磁疇向著周向疇迅速轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)周向磁導率的提高.在f>14 MHz時，80 mA退火微絲的Hc達到0.9 Oe.更大電流退火微絲的Hc反而下降，焦耳熱使微絲晶化，產(chǎn)生磁晶各項異性場，不利于周向疇的調(diào)制.由此，針對焦耳熱調(diào)制的微絲，若用于開發(fā)傳感器，則選擇的退火電流幅值是80 mA，可選擇應用的激勵頻率f>14 MHz，探測的磁場在區(qū)間在0~0.4 Oe.

圖3 （a）80 mA電流退火下在f=15 MHz時△Z/Z0（%）、△R/R0（%）與△X/X0（%）的場響應靈敏度ξ變化曲線；（b）焦耳熱退火（0~100 mA）微絲Hc隨頻率f的變化曲線

在激勵中頻區(qū)（0.1 MHz

圖4 微絲的磁疇結(jié)構(gòu)（左圖）與表面形貌（右圖）

對于不同狀態(tài)微絲的微結(jié)構(gòu)，可采用HRTEM進行觀測.由圖5（a）可見，制備態(tài)微絲具有明顯的單一漫散射亮環(huán)，表明其結(jié)構(gòu)為非晶態(tài).80 mA焦耳熱退火后圖5（b）所示，呈現(xiàn)出有大量有序排列的微區(qū)域為納米晶.納米晶的平均尺寸約為5 nm，似納米晶鑲嵌于非晶基體中，微區(qū)域出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)有序.直流電流焦耳熱促進了原子微區(qū)的充分弛豫，同時焦耳熱也釋放了微絲內(nèi)部殘余應力.大量的小尺度納米晶（小于磁交換相關尺度）微結(jié)構(gòu)使微絲易感生出磁各向異性場，有助于微絲軟磁性能的改善和GMI效應的提高［25］.而且，納米晶析出降低了微絲電阻初始值，促進了微絲磁疇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.

圖5 微絲的HRTEM圖

3 結(jié)論

本文采用常規(guī)焦耳熱退火方法，對Co68.15Fe4.35Si12.25B13.75Nb1Cu0.5微絲進行不同電流幅值（0~100 mA）的焦耳熱調(diào)制，分析微絲的GMI效應與結(jié)構(gòu)的關系，得出：（1）制備態(tài)微絲的GMI效應不明顯，源于成絲過程中殘余較大的徑向應力，周向疇不明顯.（2）80 mA電流退火后，微絲的周向疇有序度明顯提高，表面平整度也明顯改善，微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)小尺寸的納米晶，有助于降低微絲的電阻率，有效提高GMI效應，阻抗比值［△Z/Z0］max（%）值達到114.0%，對應場響應靈敏度為127.7%/Oe.在激勵頻率f>14 MHz，磁場在0~0.4 Oe區(qū)間，場響應靈敏度達332.2%/Oe，適于弱磁場探測與磁敏傳感器開發(fā).（3）更大電流調(diào)制的微絲，盡管瞬間感生的周向疇較大，但其產(chǎn)生的大量的焦耳熱不能有效釋放，促使微絲內(nèi)部晶化明顯，同時表面的周向疇也有合并的現(xiàn)象，不利于周向疇的調(diào)制，不利于GMI效應的改善.