焦耳热调制CoFe基微丝的GMI与畴结构相关性分析

陈东明，苏 锐

（渤海大学 物理科学与技术学院，辽宁 锦州121013）

0 引言

早在1994年，L.V.Panina在CoFeSiB软磁非晶丝的研究中首次发现巨磁阻抗（giant magneto-impedance，GMI）效应［1］.即当非晶丝通过交流电流时，微丝两端感生的交流电压随着所施加的轴向外磁场的变化而显著变化的现象.随后，在Co基和Fe基非晶丝［2］、Fe基纳米晶丝［3］、Co基和Fe基非晶薄带［4］、NiFe、CoP及CoNiFe电沉积复合丝［5-7］、单层、多层、三明治磁性薄膜［8-10］等磁性材料也普遍存在GMI效应，迅速成为研究的热点.而CoFe基非晶丝的GMI效应最为显著，其呈现的性能更适合应用于微型化高灵敏度传感器件.

通常，制备态的非晶丝GMI效应并不明显［11-12］，灵敏度不高，主要源于在微丝成型过程中快速冷却并凝固时微丝径向内部应力残存过大，软磁性能不佳.在经过适当的退火或调制后，能够有效的释放应力，影响微丝易磁化方向与磁各项异性场，改变微丝组织与磁畴结构，可实现GMI性能明显改善.目前，常用的微丝调制方法主要有真空退火、磁场退火、焦耳热退火、应力退火等［13-14］，其中焦耳热退火被认为是最有效改善非晶丝GMI效应的处理方式之一［15］.

非晶丝的GMI效应受到成分、几何形状、测量参数、应力状态、环境温度等诸多因素的影响.研究表明：巨磁阻抗效应的产生与丝材趋肤效应密切相关，磁畴结构和磁各向异性是决定非晶丝GMI性能优劣的根本原因［16-18］.非晶丝的磁畴结构产生于制备过程中磁致伸缩与应力的耦合作用的结果.不同制备工艺参数、不同磁致伸缩系数的磁性材料其磁畴结构也将不同.因此，若能够有效的控制制备工艺参数或优化后处理调制方法与参数，则能够调制磁畴结构，亦调制其GMI效应.

本文采用常规焦耳热退火调制熔体抽拉Co68.15Fe4.35Si12.25B13.75Nb1Cu0.5非晶丝的巨磁阻抗效应，并通过磁力显微镜观测不同电流幅值（0~100 mA）焦耳热退火后微丝表面磁畴结构，分析其磁阻抗性能与畴结构的相关性，提出表征微丝GMI效应的一种方法，便于微型化磁敏传感器件的开发.

1 实验

采用熔体抽拉法制备CoFe基微丝［19］（如图1所示），由X射线衍射强度曲线呈现的明显的漫散峰可得知，微丝为非晶态结构.

图1 微丝的X射线衍射曲线

微丝阻抗性能测试采用安捷伦4294阻抗分析仪.选取直径为30 mm、长度为18 mm非晶丝连入测试电路中.测试频率范围：0.1~20 MHz，Marker频率为10 MHz；交流电流激励幅值为10 mA，亥姆赫兹线圈（Hemlholtz coil）提供轴向外场80 Oe.为了详尽获知焦耳热退火对微丝阻抗性能的影响，退火电流幅值选择从0 mA（制备态）、30 mA、40 mA、50 mA、60 mA、70 mA、80 mA、90 mA，增至100 mA，退火时间均为180 s.

阻抗比值定义为［20-21］：

场响应灵敏度为ξ：

电阻比值定义为：

电抗比值定义为：

式中，ξ-磁场响应灵敏度，%/Oe；Z（Hex）-不同外磁场激励时的阻抗值，Ω；Z0-零外磁场时的阻抗值，Ω；式（1）能够直观反映出非晶丝阻抗相对于初始阻抗时的变化率随外加轴向磁场变化.若施加适当的外加偏置磁场，可获得更大场响应灵敏度ξ，因此，适合于对比非晶丝GMI性能的优劣，对探测微弱磁场的磁敏传感器设计具有重要意义［22］.

采用磁力显微镜（magnetic force microscope，MFM）观测微丝的磁畴结构；高分辨投射电子显微镜（HRTEM）获得微丝组织结构.

2 结果与讨论

图2 （a）给出经过不同电流幅值（0~100 mA）焦耳热退火的微丝（在激励频率f=15 MHz时）［△Z/Z0］（%）比值随施加外场变化曲线.制备态（as-cast）时，曲线几乎呈单调递减趋势；增大退火电流幅值（30 mA~70 mA），阻抗曲线上升峰并不明显.80 mA电流幅值退火后，阻抗比值显著增大.在外场0.9 Oe时，［△Z/Z0］max（%）比值为114.0%，对应的场响应灵敏度为127.7%/Oe；同时获得线性递增区间为0~0.4 Oe.继续增大退火电流幅值至90 mA、100 mA时，阻抗比值大幅降低，甚至100 mA退火后，微丝阻抗比值低于制备态.图2（b）、（c）、（d）分别给出了80 mA焦耳热退火微丝在频率在1~17 MHz区间的［△Z/Z0］（%）、［△R/R0］（%）与［△X/X0］（%）比值随外场的变化关系.插入图为比值曲线的上升峰位的放大区间.由图2（b）可见，［△Z/Z0］max（%）比值随着激励频率的增加而逐渐增大，在17 MHz时，［△Z/Z0］max（%）比值为116.4%.［△R/R0］max（%）比值随着激励频率的增加呈现先逐渐增大后减小，在13 MHz时达到最大值121.1%（如图2（c）所示）.而［△X/X0］max（%）比值随着激励频率的增加而呈现先减小后逐渐增大的状态，在15 MHz时达到最大值169.6%（如图2（d）所示）.同时可见，［△Z/Z0］max（%）比值对应的外场（H=0.9 Oe）高于［△R/R0］max（%）比值（H=0.7 Oe）与［△X/X0］max（%）比值的外场（H=0.4 Oe）.三者的不同变化趋势可能源于交流阻抗Z由电阻分量R（实部）与电抗分量X（虚部）两部分构成，即Z=R+jX.当交流电流频率较高（0.1 MHz

图2 （a）焦耳热退火（0~100 mA）微丝△Z/Z0（%）比值随外场变化曲线；（b）~（d）分别为80 mA电流退火后在f=1~17 MHz区间△Z/Z0（%）、△R/R0（%）、△X/X0（%）比值随外场的变化曲线；其中插入为不同曲线相应上升峰位的放大图

为了便于传感器件开发与应用，进一步分析△Z/Z0（%）、△R/R0（%）与△X/X0（%）的场响应灵敏度ξ的变化曲线，如图3（a）所示.三者的场响应灵敏度最高值分别达到332.2%/Oe、288.1%/Oe、618.3%/Oe，同时具有快速响应磁场区间在0~0.4 Oe.图3（b）给出了不同电流幅值退火下的临界场Hc（可视为等效周向场，对应了△Z/Z0（%）曲线峰位的外场）与交流电流激励频率f的关系.由图可见，随着激励频率f的增大，各退火态微丝的临界场Hc也随之增大，这意味着较高频的电流不仅带来明显的趋肤效应，而且能够快速驱动微丝表面磁畴向着周向畴迅速转变，实现周向磁导率的提高.在f>14 MHz时，80 mA退火微丝的Hc达到0.9 Oe.更大电流退火微丝的Hc反而下降，焦耳热使微丝晶化，产生磁晶各项异性场，不利于周向畴的调制.由此，针对焦耳热调制的微丝，若用于开发传感器，则选择的退火电流幅值是80 mA，可选择应用的激励频率f>14 MHz，探测的磁场在区间在0~0.4 Oe.

图3 （a）80 mA电流退火下在f=15 MHz时△Z/Z0（%）、△R/R0（%）与△X/X0（%）的场响应灵敏度ξ变化曲线；（b）焦耳热退火（0~100 mA）微丝Hc随频率f的变化曲线

在激励中频区（0.1 MHz

图4 微丝的磁畴结构（左图）与表面形貌（右图）

对于不同状态微丝的微结构，可采用HRTEM进行观测.由图5（a）可见，制备态微丝具有明显的单一漫散射亮环，表明其结构为非晶态.80 mA焦耳热退火后图5（b）所示，呈现出有大量有序排列的微区域为纳米晶.纳米晶的平均尺寸约为5 nm，似纳米晶镶嵌于非晶基体中，微区域出现了结构有序.直流电流焦耳热促进了原子微区的充分弛豫，同时焦耳热也释放了微丝内部残余应力.大量的小尺度纳米晶（小于磁交换相关尺度）微结构使微丝易感生出磁各向异性场，有助于微丝软磁性能的改善和GMI效应的提高［25］.而且，纳米晶析出降低了微丝电阻初始值，促进了微丝磁畴结构的稳定性.

图5 微丝的HRTEM图

3 结论

本文采用常规焦耳热退火方法，对Co68.15Fe4.35Si12.25B13.75Nb1Cu0.5微丝进行不同电流幅值（0~100 mA）的焦耳热调制，分析微丝的GMI效应与结构的关系，得出：（1）制备态微丝的GMI效应不明显，源于成丝过程中残余较大的径向应力，周向畴不明显.（2）80 mA电流退火后，微丝的周向畴有序度明显提高，表面平整度也明显改善，微结构出现小尺寸的纳米晶，有助于降低微丝的电阻率，有效提高GMI效应，阻抗比值［△Z/Z0］max（%）值达到114.0%，对应场响应灵敏度为127.7%/Oe.在激励频率f>14 MHz，磁场在0~0.4 Oe区间，场响应灵敏度达332.2%/Oe，适于弱磁场探测与磁敏传感器开发.（3）更大电流调制的微丝，尽管瞬间感生的周向畴较大，但其产生的大量的焦耳热不能有效释放，促使微丝内部晶化明显，同时表面的周向畴也有合并的现象，不利于周向畴的调制，不利于GMI效应的改善.