陳東明，蘇 銳

（渤海大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(yīng)［1］.即當(dāng)非晶絲通過(guò)交流電流時(shí)，微絲兩端感生的交流電壓隨著所施加的軸向外磁場(chǎng)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(fù)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(yīng)，迅速成為研究的熱點(diǎn).而CoFe基非晶絲的GMI效應(yīng)最為顯著，其呈現(xiàn)的性能更適合應(yīng)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(yīng)并不明顯［11-12］，靈敏度不高，主要源于在微絲成型過(guò)程中快速冷卻并凝固時(shí)微絲徑向內(nèi)部應(yīng)力殘存過(guò)大，軟磁性能不佳.在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)耐嘶鸹蛘{(diào)制后，能夠有效的釋放應(yīng)力，影響微絲易磁化方向與磁各項(xiàng)異性場(chǎng)，改變微絲組織與磁疇結(jié)構(gòu)，可實(shí)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(chǎng)退火、焦耳熱退火、應(yīng)力退火等［13-14］，其中焦耳熱退火被認(rèn)為是最有效改善非晶絲GMI效應(yīng)的處理方式之一［15］.

非晶絲的GMI效應(yīng)受到成分、幾何形狀、測(cè)量參數(shù)、應(yīng)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(yīng)的產(chǎn)生與絲材趨膚效應(yīng)密切相關(guān)，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(guò)程中磁致伸縮與應(yīng)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(yīng).

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(yīng)，并通過(guò)磁力顯微鏡觀測(cè)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(guān)性，提出表征微絲GMI效應(yīng)的一種方法，便于微型化磁敏傳感器件的開(kāi)發(fā).

1 實(shí)驗(yàn)

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(qiáng)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(cè)試采用安捷倫4294阻抗分析儀.選取直徑為30 mm、長(zhǎng)度為18 mm非晶絲連入測(cè)試電路中.測(cè)試頻率范圍：0.1~20 MHz，Marker頻率為10 MHz；交流電流激勵(lì)幅值為10 mA，亥姆赫茲線圈（Hemlholtz coil）提供軸向外場(chǎng)80 Oe.為了詳盡獲知焦耳熱退火對(duì)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(shí)間均為180 s.

阻抗比值定義為［20-21］：

場(chǎng)響應(yīng)靈敏度為ξ：

電阻比值定義為：

電抗比值定義為：

式中，ξ-磁場(chǎng)響應(yīng)靈敏度，%/Oe；Z（Hex）-不同外磁場(chǎng)激勵(lì)時(shí)的阻抗值，Ω；Z0-零外磁場(chǎng)時(shí)的阻抗值，Ω；式（1）能夠直觀反映出非晶絲阻抗相對(duì)于初始阻抗時(shí)的變化率隨外加軸向磁場(chǎng)變化.若施加適當(dāng)?shù)耐饧悠么艌?chǎng)，可獲得更大場(chǎng)響應(yīng)靈敏度ξ，因此，適合于對(duì)比非晶絲GMI性能的優(yōu)劣，對(duì)探測(cè)微弱磁場(chǎng)的磁敏傳感器設(shè)計(jì)具有重要意義［22］.

采用磁力顯微鏡（magnetic force microscope，MFM）觀測(cè)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(guò)不同電流幅值（0~100 mA）焦耳熱退火的微絲（在激勵(lì)頻率f=15 MHz時(shí)）［△Z/Z0］（%）比值隨施加外場(chǎng)變化曲線.制備態(tài)（as-cast）時(shí)，曲線幾乎呈單調(diào)遞減趨勢(shì)；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(chǎng)0.9 Oe時(shí)，［△Z/Z0］max（%）比值為114.0%，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)響應(yīng)靈敏度為127.7%/Oe；同時(shí)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(shí)，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(chǎng)的變化關(guān)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(jiàn)，［△Z/Z0］max（%）比值隨著激勵(lì)頻率的增加而逐漸增大，在17 MHz時(shí)，［△Z/Z0］max（%）比值為116.4%.［△R/R0］max（%）比值隨著激勵(lì)頻率的增加呈現(xiàn)先逐漸增大后減小，在13 MHz時(shí)達(dá)到最大值121.1%（如圖2（c）所示）.而［△X/X0］max（%）比值隨著激勵(lì)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(shí)達(dá)到最大值169.6%（如圖2（d）所示）.同時(shí)可見(jiàn)，［△Z/Z0］max（%）比值對(duì)應(yīng)的外場(chǎng)（H=0.9 Oe）高于［△R/R0］max（%）比值（H=0.7 Oe）與［△X/X0］max（%）比值的外場(chǎng)（H=0.4 Oe）.三者的不同變化趨勢(shì)可能源于交流阻抗Z由電阻分量R（實(shí)部）與電抗分量X（虛部）兩部分構(gòu)成，即Z=R+jX.當(dāng)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(chǎng)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(chǎng)的變化曲線；其中插入為不同曲線相應(yīng)上升峰位的放大圖

為了便于傳感器件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，進(jìn)一步分析△Z/Z0（%）、△R/R0（%）與△X/X0（%）的場(chǎng)響應(yīng)靈敏度ξ的變化曲線，如圖3（a）所示.三者的場(chǎng)響應(yīng)靈敏度最高值分別達(dá)到332.2%/Oe、288.1%/Oe、618.3%/Oe，同時(shí)具有快速響應(yīng)磁場(chǎng)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(chǎng)Hc（可視為等效周向場(chǎng)，對(duì)應(yīng)了△Z/Z0（%）曲線峰位的外場(chǎng)）與交流電流激勵(lì)頻率f的關(guān)系.由圖可見(jiàn)，隨著激勵(lì)頻率f的增大，各退火態(tài)微絲的臨界場(chǎng)Hc也隨之增大，這意味著較高頻的電流不僅帶來(lái)明顯的趨膚效應(yīng)，而且能夠快速驅(qū)動(dòng)微絲表面磁疇向著周向疇迅速轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)周向磁導(dǎo)率的提高.在f>14 MHz時(shí)，80 mA退火微絲的Hc達(dá)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(xiàng)異性場(chǎng)，不利于周向疇的調(diào)制.由此，針對(duì)焦耳熱調(diào)制的微絲，若用于開(kāi)發(fā)傳感器，則選擇的退火電流幅值是80 mA，可選擇應(yīng)用的激勵(lì)頻率f>14 MHz，探測(cè)的磁場(chǎng)在區(qū)間在0~0.4 Oe.

圖3 （a）80 mA電流退火下在f=15 MHz時(shí)△Z/Z0（%）、△R/R0（%）與△X/X0（%）的場(chǎng)響應(yīng)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(lì)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(duì)于不同狀態(tài)微絲的微結(jié)構(gòu)，可采用HRTEM進(jìn)行觀測(cè).由圖5（a）可見(jiàn)，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?yàn)榧{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(jìn)了原子微區(qū)的充分弛豫，同時(shí)焦耳熱也釋放了微絲內(nèi)部殘余應(yīng)力.大量的小尺度納米晶（小于磁交換相關(guān)尺度）微結(jié)構(gòu)使微絲易感生出磁各向異性場(chǎng)，有助于微絲軟磁性能的改善和GMI效應(yīng)的提高［25］.而且，納米晶析出降低了微絲電阻初始值，促進(jìn)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(duì)Co68.15Fe4.35Si12.25B13.75Nb1Cu0.5微絲進(jìn)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(yīng)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，得出：（1）制備態(tài)微絲的GMI效應(yīng)不明顯，源于成絲過(guò)程中殘余較大的徑向應(yīng)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(yīng)，阻抗比值［△Z/Z0］max（%）值達(dá)到114.0%，對(duì)應(yīng)場(chǎng)響應(yīng)靈敏度為127.7%/Oe.在激勵(lì)頻率f>14 MHz，磁場(chǎng)在0~0.4 Oe區(qū)間，場(chǎng)響應(yīng)靈敏度達(dá)332.2%/Oe，適于弱磁場(chǎng)探測(cè)與磁敏傳感器開(kāi)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(shí)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(yīng)的改善.