驱动频率对FeCo基磁环巨磁阻抗效应的影响

叶慧群， 吕葆华， 郑金菊 ， 叶方敏， 蔡 晶， 方允樟

(1.浙江师范大学 数理与信息工程学院,浙江 金华 321004；2.金华市科技情报研究所，浙江 金华 321000)

0 引 言

自1960年美国 Duwez等[1]发明了用快淬工艺制备非晶合金 Au2Si以来，由于其独特的组织结构和优异的材料性能及广阔的应用前景,受到材料工作者的青睐.1992年,Panina等[2]在 CoFeSiB丝中首次发现了巨磁阻抗效应，随后的实验和理论研究均表明[3]巨磁阻抗效应(GMI)材料具有优异的软磁性能、体积小、灵敏度高、响应快、热稳定性好、能耗小等诸多优点，在新型磁敏传感器、磁编码及磁记录头等技术中有着广阔的应用前景，因而对非晶巨磁阻抗效应[4]的研究备受国内外研究者的关注.为此，本课题组用铜模喷吸法制备了管状Fe36Co36Nb4Si4.8B19.2非晶合金,研究了管状合金在环向磁化场作用下的环向巨磁阻抗效应.通过研究不同驱动频率的巨磁阻抗效应，发现铸态及540 ℃温度退火样品的最佳巨磁阻抗比基本上在驱动频率200 kHz附近出现.

1 实 验

1.1 样品的制备

用Fe36Co36Nb4Si4.8B19.2组分作为母合金，经打磨、丙酮清洗后，通过高频感应熔炼，利用铜模吸铸法制备了长 85 mm,外径 2 mm,厚度 0.2 mm的管状合金，然后用线切割切成带型，把一面抛光抛平，并用Y-2000型X射线衍射仪(XRD)分析铸态合金管的相组成.从铸态样品的不同部位的XRD衍射分析，铸态管的中下部的非晶态合金均匀性好，因此从距离管的下端5 mm处依次截取2段长度均为30 mm的样品，经阻抗分析仪进一步的挑选，排除离散性较大的铸态样品后，把其中一样品切成薄环(长度为0.3 mm)，把管和环分别置于管式退火炉的中央恒温区中恒温1 h，退火过程中用流动的氮气保护，防止样品被氧化，氮气气流的气压大小约为0.02 MPa，整个过程用热电偶采样的自动控温仪控制温度.一组样品保留铸态，另一组置于540 ℃最佳温度[5]下恒温退火,退火1 h后让其自然冷却，在50 ℃时关掉氮气，充分冷却后的样品即为温度退火样品.

图1 环向磁阻抗比测试电路

1.2 环向巨磁阻抗的测量

阻抗比定义为

(1)

式(1)中,Z(H)和Z(Hmax)分别为任意外加磁场下和最大外加磁场下的阻抗值.本文分别测量了铸态样品和540 ℃温度退火样品在不同电流驱动频率下的环向巨磁阻抗比.

2 结果分析与讨论

图2为铸态样品在不同电流驱动频率下的环向巨磁阻抗比曲线图.从图2可以看出，FeCo基铸态磁环的环向巨磁阻抗比的峰值出现在电流驱动频率为200 kHz和外磁场值为零时，且最大值达106.2%；频率低于200 kHz时，随着驱动频率的下降，阻抗比的峰值也下降，从200 kHz时的106.2%下降到了10 kHz时的11%.但从阻抗比曲线图看，驱动频率越低，相应的零磁场附近的磁场灵敏度却增加，说明铸态样品芯部的磁矩排列环向较占优势，纵向各向异性场更小，因此更小的磁化场就能迅速使芯部的磁畴转向外场，从而对阻抗比产生贡献，铸态样品在低频时饱和磁化场变小；驱动频率高于200 kHz时，随着驱动频率的增加，对应每一频率下的阻抗比峰值也随之下降，从106.2%下降到了2 MHz的50%，说明频率升高时阻抗比峰值变化更缓慢，而且从阻抗比曲线看驱动频率更高时，曲线的半高宽也随着增加.从巨磁阻抗效应的驱动频率物理机制来看，随着驱动频率的增加，外层的趋肤效应明显，趋肤深度变浅，阻抗比曲线半高宽增加，说明样品外部的磁矩排列分布与芯部有所不同，使得纵向各向异性场变大.因此,从磁环在不同频率下的巨磁阻抗曲线分析看，管的磁结构可能是分层分布的.

图2 铸态磁环样品在不同驱动频率下的巨磁阻抗曲线

图3 540 ℃温度退火样品在不同电流驱动频率下的环向巨磁阻抗曲线

图3是540 ℃退火磁环样品在不同频率下的巨磁阻抗曲线.从图3可以看出，样品最大环向巨磁阻抗比的值与铸态样品一样，也出现在驱动频率f=200 kHz时，阻抗比峰值达到了286%，比铸态时的峰值106.2%增加了一半多，说明该温度退火导致纳米晶的析出和长大，以及内应力的完全释放使样品的软磁性能大大改善.从图3看出，频率10 kHz时，阻抗曲线基本上可分为2段：一段是平行横轴的；另一段非常接近与纵轴平行，这说明10 kHz时样品对外场表现得异常灵敏，而且线性度好.而随着驱动频率的升高，发现曲线的拐点升高，出现了一个“肩膀”，而两肩膀间的阻抗曲线异常“突出”，状如“尖刺”，这一现象在相同组分的非晶窄带的电流退火研究中首次发现并报道过，被称之为尖刺巨磁阻抗效应(TGMI)[6].驱动频率继续增加，发现“肩膀”被抬升，变得更为陡峭，而尖刺也被抬高，尖刺间的线性度也更好.当驱动频率为200 kHz时，肩膀升得最高，而此时的尖刺也最高，线性度达到最好.驱动频率继续增加，肩膀开始下降，尖刺也继续下降，TGMI效应变弱.

定义零磁场灵敏度为ζ，计算公式为

(2)

表1 不同驱动频率下零磁场灵敏度

3 结 论

通过对铸态及540 ℃温度退火磁环样品环向巨磁阻抗效应的研究，发现FeCo基磁环在环向外加磁场作用下，其环向巨磁阻抗比随驱动频率的不同而不同，在驱动频率200 kHz时达到最佳值；而540 ℃温度退火的样品， 最大巨磁阻抗比达到286%，并且出现了尖刺巨磁阻抗效应，当驱动频率为200 kHz时,尖刺最高，线性度达到最好，分析认为样品材料的环向磁结构为分层结构.

参考文献：

[1] Duwez P,Willens R H,Klement W.Non-crystalline structure in solidified gold-silicon alloys[J].Nature,1960,187(4740):869-870.

[2]Panina L V,Morhi K,Bushida k,et al.Giant magneto-impedance and magneto-inductive effects in amorphous alloys(invited)[J].Appl Phys Lett,1994,76:6198-6201.

[3]Kamruzzaman M,Rahman I Z,Rahman M A,et al.A review on magneto-impedance effect in amorphous magnetic materials[J].J Mater Proc,2001,119:312-317.

[4]Naoki I,Jose S G.Softmagnetic properties of nano-crystalline Fe9xNb6Bx(x=10,12 and 14) alloys annealed in rotating magnetic field[J].Journal of Magnetism and Magnetic Material,2006,304(2):639-641.

[5]叶方敏,方允樟,张建强,等.FeCo基合金的一种环向磁化特性[J].浙江师范大学学报:自然科学版，2009，32(3):293-297.

[6]满其奎,方允樟,孙怀君,等.FeCo基合金的一种新型纵向驱动巨磁阻抗效应[J].科学通报,2007,52(23):2720-2724.