焦耳-应力退火对Co基薄带巨磁阻抗的影响*

张树玲，甘志颖，刘慧娴，高露露，丁文捷

(1. 青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520； 2. 宁夏大学 机械工程学院，银川 750001； 3. 青岛理工大学 信息与控制工程学院，山东 青岛 266520)

0 引 言

巨磁阻抗效应(giant magneto impedance, GMI)是指软磁材料的交流阻抗随外加磁场敏感变化的现象[1]。GMI效应具有灵敏度高、饱和磁场低、响应快、稳定性好和功耗低等特点，可以应用于磁场和应力检测的高灵敏传感器开发[2-3]。Co基非晶合金是迄今为止人们发现的最优异的软磁材料之一，它不仅具有很高的磁导率、很低的矫顽力和损耗，还具有优良的磁滞回线以及磁致伸缩系数接近于零等特点[4-6]，而且由于非晶态合金的硬度高，耐磨性好，使用寿命长，因而具有很高的研究价值和广阔的应用前景，国内外已经开发了多款商用Co基薄带GMI传感器[2]。Co基非晶态合金由于原子排列呈短程有序、长程无序，没有晶态合金所具有的晶界和位错等，具有优异的软磁性能和力学性能，被视为新材料开发的重点[7-8]。

GMI效应来源于软磁材料在外加磁场作用下趋肤深度的改变和自身特殊的磁畴结构的演化[6]。随频率的升高，趋肤效应逐渐明显，交流电流产生的环向磁场主要作用于Co基薄带材料的表层，其横向磁导率对外加纵向磁场更加敏感，随外磁场的变化而迅速改变，因而GMI效应显著[9-11]。软磁材料的磁畴尺寸、形状和分布是影响电磁性能的主要参数，为了进一步提高磁性材料的GMI效应，研究者们尝试对薄带、薄膜等磁性材料进行各种退火[12-13]，在退火过程中对Co基薄带施加磁场或应力可以达到改变材料磁各向异性的目的，进而有效地调控材料的性能[14-16]。研究表明，对于具有正磁滞伸缩系数的Fe基薄带，进行焦耳-应力退火后，拉应力导致了横向各向异性的提高，进而提高其GMI效应[17]，但是退火过程中纳米晶的出现将降低材料的横向各向异性[4,16]。具有负磁滞伸缩系数的Co基薄带进行焦耳-应力退火，效果如何呢？本文通过在不同退火条件下对快速凝固技术制备出的Co基非晶薄带进行不同频率下的阻抗分析及磁畴运动观察，从而分析焦耳-应力退火对合金软磁性能和巨磁阻抗的影响，以探索提高GMI性能的退火技术。

1 实验材料及实验方法

Co基薄带名义成为Co83.2Fe5.2Si8.8B2.8，采用单辊甩带法制备，所制备薄带的连续长度5 m左右、宽度0.8 mm、厚度为28μm。焦耳应力退火实验过程中选择长度80 mm，厚度均匀的薄带，然后对薄带进行焦耳-应力退火处理，退火过程中拉应力通过垂直悬挂的砝码产生，应力强度分别为8.5,12.8,16.0,24.5 MPa，退火电流密度为18 A/mm2，退火时间20 min，室温空冷。取长度25 mm的退火薄带，采用安捷伦4294精密阻抗分析仪测量其纵向磁阻抗，直流外加磁场由一对直径30 cm的赫姆赫兹线圈提供，外磁场方向与薄带的长度方向平行，最大磁场强度为7.2 kA/m。

采用GMI效应阻抗变化率定义为：

(1)

其中，Z(H)为外加磁场为H时对应的阻抗，Z(H)max为最大外磁场7.2 kA/m时的阻抗值。

薄带样品的磁场响应灵敏度一般定义为薄带阻抗变化率随外加磁场的变化率，即：

(2)

其中，ΔZ是阻抗变化率，H为外加直流磁场。

室温磁畴观察采用德国生产的Evico磁光克尔效应显微镜进行观察，最大外加磁场强度为4 kA/m，测试时外加磁场平行于薄带的长方向，即如图1所示。

图1 磁畴观察时磁场与薄带放置关系图Fig.1 Magnetic field and ribbon placement in the domain observation

2 结果与讨论

2.1 退火前后的巨磁阻抗效应分析

图2是制备态薄带不同频率下的GMI曲线。由图2可见，在0.04 MHz条件下，未经制备态GMI曲线呈“钟形”单一峰状，且峰值较小，其最大阻抗变化率为2.5%，随着驱动电流频率的增大，制备态薄带阻抗变化率也随之增大，在0.4 MHz时，GMI曲线由单峰变为经典的双峰状，这与频率升高趋肤效应逐渐增强，薄带材料的磁化过程发生变化有关[14]。

图3是分别在无应力和外加应力分别为8.5，12.8，16.0，24.5 MPa作用下经过18 A/mm2电流退火的Co基非晶薄带在不同频率下的GMI曲线。由图2可以看出，在0.04 MHz条件下，当对薄带进行0.4 A电流焦耳退火处理后，最大GMI值达到了5.6%，虽然GMI效应相对于未退火状态下的薄带有了一定的提高，但是GMI曲线在零磁场附近存在波动；当对退火的薄带施加一个平行于薄带轴向方向8.5 MPa的拉应力时，薄带的最大阻抗变化率为5.5%；当应力增大到16 MPa时，最大阻抗变化率下降为6.5%，GMI曲线变为双峰，这说明在退火应力的作用下，薄带的各向异性发生了变化[15,18]；继续增大拉应力至24.5 MPa，最大阻抗变化率达到8%，GMI曲线更加光滑。

当频率增大至0.4 MHz时，样品的GMI曲线均呈光滑的双峰状，且随着拉应力的增大峰宽逐渐变窄，这进一步说明退火应力的存在使得薄带各向异性发生变化，且纵向易磁化结构逐步增多。在该频率驱动下，5种退火状态下的最大阻抗变化率分别为40%、37%、46.5%、42.1%、47.6%，相比于未退火状态焦耳退火材料的GMI有了大幅度的提高。当驱动电流的频率增大时，趋肤效应逐渐明显，材料的环向磁化过程变得容易，因此GMI效应显著增强。

图2 制备态薄带的GMI曲线图Fig.2 GMI curves of the as-cast ribbon

图3 不同焦耳应力退火后薄带的GMI曲线图Fig.3 GMI curves after annealed under different stresses: (a)0.04 MHz, (b)0.08 MHz;(c)0.4 MHz, (d)0.8 MHz

图4为Co83.2Fe5.2Si8.8B2.8薄带在不同频率下最大阻抗变化率对应的磁场强度随退火应力的变化曲线。由图4可以看出，薄带最大阻抗变化率对应的磁场强度随退火应力的增加呈下降趋势。理论研究表明，对于GMI峰值阻抗对应的磁场强度与材料的等效各向异性场Hk有关[19]。低频下，趋肤效应不明显，薄带的磁化过程主要以畴壁位移为主，由于材料的结构不均匀和应力各向异性导致的磁化波动较大[20]，且此时磁畴不规则，因而GMI效应相对弱，同时GMI曲线在零磁场附近存在波动；随焦耳退火的施加，焦耳热作用下薄带材料的部分铸造应力得到释放，这降低了材料结构的不均匀性，各向异性场相对降低；但是随退火过程中外应力的施加，薄带内部畴结构在焦耳热和外加应力作用下，磁畴将发生重组；随驱动频率的增加，趋肤效应更加明显，横向磁化过程主要发生在薄带材料表面[19]，内部畴对表层磁畴的拖拽作用显著，磁化阻力更大、磁化过程不容易进行，同时涡流阻尼也进一步增强，因此，达到GMI效应峰值需要更大的外磁场[8]。1MHz下，等效各向异性场随退火应力σ的增加线性降低，经过线性拟合，Hk=-1.28σ+126.25。

图4 等效各向异性场Hk随拉应力的变化曲线Fig.4 The effective anisotropy field after different Joule-stress current treatment

图5为材料的最大灵敏度。拉应力相同的条件下，随频率的增加，材料的灵敏度也随之增大。经过24.5 MPa焦耳-应力退火， MHz时薄带的灵敏度达到280.2%/(kA/m)，这使得开发低频工作点GMI磁传感器成为可能。而且，灵敏度随外加拉应力的增加大致为先增大后减小再增大的变化趋势。在驱动电流频率0.4 MHz条件下，样品在8.5MPa应力退火时的灵敏度最大为185.4%/(kA/m)，在0.04，0.08，0.8和1 MHz频率下，薄带经过24.5 MPa应力退火后的最大灵敏度为66.5、83.2、251.2、280.2%/(kA/m)。

图5 不同应力退火样品的灵敏度与退火应力的关系Fig.5 The field sensitivity after different Joule-stress current treatment

2.2 退火前后薄带磁畴观察与分析

Co基软磁薄带材料的磁畴结构决定了其电磁性能，为了进一步分析焦耳-应力退火对材料结构的影响，分析了制备态薄带磁畴结构随纵向磁场的动态变化过程及退火后薄带材料在相同外磁场作用下的磁畴结构状态。

图6(a)-(e)分别是制备态薄带材料在外磁场作用下表面磁畴状态，外磁场为零左右时，薄带表面不存在明显的畴结构，随外磁场的增加，畴壁移动明显，薄带表面逐渐形成明显的畴结构，部分区域形成漩涡装的畴结构，而部分区域为“弯月”形带畴结构，磁场强度为2 kA/m时畴结构趋于稳定，当磁场强度为4 kA/m时畴结构变化不明显。

图6 制备态薄带不同外磁场作用下的磁畴变化Fig.6 Domain transformation of the as-cast ribbon under different external field:(a)40 A/m, (b) 647 A/m, (c) 2 kA/m, (d) 4 kA/m

图7为焦耳退火后薄带的磁畴结构，焦耳退火和8.5，16，24.5 MPa焦耳应力退火后，薄带在外磁场强度0.4 kA/m左右时薄带表面磁畴结构的状态。由图7可以看出，0.4 A焦耳退火后，在纵向磁场作用下，样品的为横向磁畴，且每一单畴呈宽大条带状分布，平均单畴宽度90 μm左右且与磁场方向垂直；随着退火过程中拉应力的施加，条状畴逐渐变窄，同时逐渐向磁场方向偏转，退火拉应力为16 MPa时，带状畴宽度减小至45 μm左右，同时带状畴内部出现与磁场方向平行的细小纵向畴(宽度9 μm，长度30 μm左右)，继续增加退火应力，横向带状畴内细小的纵向畴数量增加，且横向带状畴发生偏转。这可能是由于焦耳退火过程中，施加拉应力后，会产生一个与带长方向垂直的弹性场[8-9]，体系为了降低能量，在焦耳热和弹性应力作用下，带内横向磁畴逐渐向带的长方向发生偏转，不同取向的横向畴偏转速度不一致导致偏转后的横向畴更加不规则；另外，横向畴内逐渐形成新的纵向畴，由于退火时间为20 min，新生纵向畴来不及长大即空冷，且随退火应力场强度的增加，纵向畴的数目增多，最后形成了如图7(d)所示的细小指纹畴，且这类畴结构对磁场变化敏感，纵向磁化更容易达到饱和，因此GMI效应的最大值对应的磁场强度随拉应力的增加而逐渐减小，如图4所示，而各向异性场的改变和最大阻抗变化率的升高也使得灵敏度进一步提高，如图5所示。

图7 不同退火状态下薄带的磁畴结构Fig.7 Magnetic domain structure of ribbons after different annealing treatment: (a)0.4 A, (b)8.5 MPa, (c)16 MPa, (d)24.5 MPa

3 结 论

通过分析焦耳-应力退火前后Co83.2Fe5.2Si8.8B2.8薄带的GMI效应和磁畴演变，主要得到如下结论：

(1)经焦耳-应力退火后，薄带的低频GMI效应得到有效提高。经18 A/mm2的电流密度同时施加24.5 MPa拉应力的焦耳-应力退火后，薄带材料的GMI效应最强；0.4 MHz下的最大阻抗变化率达到47.6%，1MHz频率下的磁场响应灵敏度达到280.2%/(kA/m)。同时，随焦耳-应力退火改善了材料低频下GMI效应的磁滞，GMI曲线更光滑。

(2)磁畴分析表明，焦耳退火过程中拉应力的施加改变了Co83.2Fe5.2Si8.8B2.8薄带磁畴结构。焦耳退火使得这类Co基薄带磁畴转变为规则、宽大的横向条带畴；而焦耳-应力退火产生的综合磁弹性场作用下，横向条状轴逐渐向薄带纵向偏转，并随拉应力增加条带畴中逐渐衍生出了纵向指纹畴，改变了薄带的各向异性，使得纵向各向异性逐渐增强，提高了纵向驱动下GMI效应的磁场响应灵敏度。

致谢

感谢华东师范大学赵振杰教授、郭永斌博士和太原科技大学张克维教授、陈哲博士在阻抗测试和磁畴观察中的协助。