磁控溅射工艺对复合结构丝微结构和巨磁阻抗效应的影响

摘要

巨磁阻抗(GMI)效应是指铁磁材料的交流阻抗在外加直流磁场的作用下发生显著变化的现象。这种效应具有灵敏度高、响应快等优点，在磁传感器和磁记录中有着潜在的应用价值。近年来，复合结构材料成为GMI材料研究中的热点。相比于匀质材料，复合结构材料的巨磁阻抗效应显著增强，且在较低的频率下就可以观察到明显的GMI效应。 本文利用磁控溅射的方法制备复合结构丝，从对复合结构丝镀层结构的设计入手，在制备过程中，通过改变磁控溅射的制备工艺，获得不同微结构和磁性能的复合结构丝。文章分别研究了旋转交替、间歇溅射和双磁性层等制备工艺对复合结构丝的磁性能和GMI效应的影响。研究内容和结果如下： 1.采用自行设计的旋转换向真空镀膜装置，通过改变丝的旋转方向和交替次数，制备了一系列总厚度相同、层数不同的Ni80Fe20/Cu复合结构丝样品，并测量了它们的GMI效应。研究发现： (1)交替换向溅射的样品存在层间磁化竞争，宏观磁化是各层之间磁化竞争的结果。在层数为1～4层的Ni80Fe20/Cu复合结构丝中，具有奇数层数的样品在磁化时拥有优势取向，但随着层数增多、单层厚度减小，这种优势取向减弱。而对于具有偶数层数的样品，最初，随着交替次数增多，其GMI效应有所上升。 (2)复合结构丝的GMI效应与样品的旋转交替次数和单层厚度有关。存在一个临界单层厚度，在达到临界值时，GMI效应可以有较大的提高，且观察到最大阻抗变化的特征频率大为减小。交替溅射的Ni80Fe20/Cu复合结构丝在层数为24层，单层厚度为150nm时，最大阻抗变化可达240％。达到临界厚度后，再增加交替次数，将使镀层中的界面增多，此时界面效应增强，磁阻抗效应显示出减小的趋势。 2.采用两种溅射工艺(连续溅射和间歇溅射)制备了Ni80Fe20/Cu复合结构丝，并通过扫描电镜、X射线衍射手段研究了样品的微结构。测量了样品的阻抗谱，并将GMI效应作为研究材料磁性能手段，分析了不同溅射工艺制备对复合结构丝软磁镀层的磁性能的影响。研究表明：当采用间歇溅射工艺时，复合结构丝的镀层中出现明显界面。镀层的结晶度增加，晶粒有所长大。溅射过程存在间歇，会导致镀层内部结构差异，磁层内部存在多个各向异性场分布，各层的磁化行为不同，磁导率下降，随外场变化的阻抗谱不再是一条光滑的单峰曲线。随着间歇次数的增多，阻抗效应有所减小。对间歇溅射复合结构丝样品退火后，释放了一部分内应力，阻抗效应增强，且内、外磁层磁性能趋于一致。 3.利用磁控溅射方法制备了含Ni80Fe20和Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9两种磁性材料的复合结构丝。对其GMI效应的研究表明： (1)在原来的Ni80Fe20层上溅射Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9附加层后，可能改变材料内部的应力分布。Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9层的厚度对复合结构丝GMI效应的影响显著，在一定厚度范围内，随着Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9附加层厚度的增加，材料内部应力逐渐增大，这时，磁应力各向异性对有效磁各向异性的贡献增大，因此，复合结构丝的等效各向异性场有明显增大。 (2)Ni80Fe20和Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9层的相对位置也会对复合结构丝的磁化行为产生影响，从而改变材料的GMI效应。内层为Ni80Fe20的复合结构丝显示出正的阻抗效应，内层为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9的复合结构丝表现为负的阻抗效应。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1磁电效应及其应用

1.2 巨磁阻抗效应的基本原理及其与磁各向异性的关系

1.3复合结构材料GMI效应的研究现状

1.4本论文的设计思想和研究内容

第二章样品制备与测试表征

2.1材料选择

2.2样品制备和热处理方法

2.3样品微观结构研究

2.4磁性能测试

2.5巨磁阻抗效应测量

第三章旋转交替溅射的复合结构丝的GMI效应研究

3.1旋转换向的真空镀膜装置

3.2单向旋转溅射的复合结构丝的GMI效应

3.3双向交替溅射的复合结构丝的GMI效应

3.4层数和单层厚度变化对复合结构丝GMI效应的影响

3.5本章小结

第四章连续溅射复合结构丝和间歇溅射复合结构GMI效应的比较研究

4.1 间歇溅射复合结构丝的结构模型

4.2两种复合结构丝的表面和剖面形貌

4.3连续溅射和间歇溅射样品微结构的X射线衍射分析

4.4两种复合结构丝的GMI效应

4.5间歇溅射复合结构丝退火前后的GMI效应

4.6两种复合结构丝的磁滞回线

4.7增加间歇溅射次数的复合结构丝的GMI效应

4.8本章小结

第五章复合磁性层的复合结构丝的GMI效应研究

5.1单磁性层和复合磁性层的复合结构丝的GMI效应比较

5.2附加磁性层厚度对复合结构丝GMI效应的影响

5.3磁性层的相对位置对复合结构丝GMI效应的影响

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

后记