NiFeSiMnMo/Cu/NiFeSiMnMo多层膜结构中磁性层厚度对巨磁阻抗效应的影响
发布时间:2021年12月10日 点击数:1840
自从Mohri等人发现巨磁阻抗 (GMI) 效应以来, 巨磁阻抗材料在微型磁传感器和高密度记录磁头系统中得到广泛百富策略白菜网[1,2,3]。这是由于它具有灵敏度高、响应快、无磁滞、稳定性好且与集成电路工艺相兼容等优点而获得广泛的研究, 其交流驱动的特点为实现调制、解调、滤波、振荡和共振等提供了便利。
GMI效应的研究, 最初从零和负磁致伸缩系数的Co基合金细丝, 接着扩大到非晶软磁合金薄带和薄膜, 并进而扩展到了Fe基纳米晶软磁合金薄带[4,5,6] ;但是在传感器安装中细丝和薄带都需要焊接和拉直, 阻碍了它在微型磁传感器领域更加广泛的百富策略白菜网, 而利用巨磁阻抗效应的薄膜磁传感器可以克服上述缺点。目前, 多层膜结构的交变电流被限制在导电层内, 且不需要很强的趋肤效应, 可在很低的频率范围内获得很明显的GMI效应[7,8,9]。而坡莫合金NiFeSiMnMo所具有的优异的软磁特性, 有高的起始磁导率、小的矫顽力、大的饱和磁化强度和没有磁滞等优点是多层膜巨磁阻抗的优异的磁性层材料, 本文研究了不同厚度NiFeSiMnMo坡莫合金单层膜的软磁特性、矫顽力随膜厚度的变化及NiFeSiMnMo/Cu/NiFeSiMnMo多层膜结构中NiFeSiMnMo磁性层厚度对多层膜巨磁阻抗效应的影响。
1实验
实验样品用真空蒸镀法制备, 真空度为8.7×10-4Pa, 平行于样品表面施加3.184kA/m的磁场。蒸镀靶材分别采用Ni80.2Fe14.1Si0.2Mn0.4Mo5.1和99.9999%Cu。在康宁玻璃上分别沉积厚度为20nm、50nm、100nm、400nm、700nm的NiFeSiMoMn单层膜, 研究材料NiFeSiMnMo的软磁性能。在康宁玻璃上沉积多层膜, 用掩膜法依次沉积NiFeSiMnMo层、Cu层和NiFeSiMnMo层, 样品中Cu层尺寸:长15mm, 宽0.9mm, 厚1μm, 两端分别接电极;NiFeSiMnMo层尺寸:长10mm, 宽3mm, 厚度分别为0.805μm、1μm、1.12μm、1.38μm。为消除薄膜沉积过程中产生的内应力和改善其软磁特性, 对样品进行真空退火处理, 其中真空度为1.7×10-4Pa, 最佳退火温度为290℃。
用Detak3 型表面轮廓测试仪测量薄膜的厚度, 测量精度可以达到1nm。用LDJ9600型振荡样品磁强计 (VSM) 测量NiFeSiMnMo单层膜的软磁特性, 灵敏度为5×10-3A/m。在室温下, 用HP4192A阻抗分析仪测量多层膜的阻抗特性, 阻抗测量频率范围为5Hz～13MHz, 交流电流幅值保持恒定为10mA, 直流磁场变化范围是0～5.6kA/m。
2实验结果与讨论
图1 (a, b, c, d, e) 分别给出了20nm、50nm、100nm、400nm、700nm厚的NiFeSiMoMn单层膜的磁滞回线曲线。实验结果表明, 随着薄膜厚度增加, 饱和磁化强度先增大后减小, 在厚度达到100nm时达到最大值。图1 (f) 给出了NiFeSiMoMn单层膜的矫顽力随薄膜厚度的变化曲线, 结果表明, 随NiFeSiMoMn厚度增加, 单层膜的矫顽力增大, 即薄膜的软铁磁性能变差。随膜厚增加单层膜的饱和磁化强度和矫顽力变化主要是由于薄膜沉积过程中产生的应力所致。从图1 (f) 曲线结果外推到膜厚达到微米量级, 其矫顽力随膜厚增加而继续增大。
图1 (a, b, c, d, e) 为不同厚度的NiFeSiMoMn薄膜磁滞回线; (f) 为HC随膜厚的变化曲线 下载原图
Fig.1The hysteresis loops of the as-deposited NiFeSiMnMo film in different thicknessrespectively and the curve of coercive force in different thickness
大量实验研究表明[10,11,12], 磁性层与导电层交替沉积形成的多层膜具有很明显的巨磁阻抗效应。图2给出了随着NiFeSiMnMo磁性层厚度增加, 290℃真空退火后NiFeSiMnMo/Cu/ NiFeSiMnMo多层膜纵向巨磁阻抗比的变化曲线, 其中GMI比定义为ΔZH/Zm= (ZH-Zm) /Zm×100%, ZH和Zm分别表示磁场为H和最大磁场时样品的阻抗。实验结果表明, NiFeSiMnMo/Cu/ NiFeSiMnMo多层膜的巨磁阻抗出现双峰结构, 这是由于薄膜的反磁化过程是以磁化矢量转动为主, 当纵向磁场的量值等于横向各向异性场的量值大小时, 薄膜的横向交流磁导率达到最大值, 进而形成双峰结构。随着磁性层厚度增加, NiFeSiMnMo/Cu/ NiFeSiMnMo多层膜的纵向巨磁阻抗比最大值逐渐的增加 (如图2 (b) ) 。Hika 等人[13]给出了巨磁阻抗比随磁性层厚度变化的理论解释, 当dcσc/2dmσm, 低频率近似下zj可以写成:
图2随着磁性层厚度增加, (a) NiFeSiMnMo/Cu/ NiFeSiMnMo多层膜纵向巨磁阻抗比曲线; (b) 多层膜的纵向巨磁阻抗比最大值随磁性层厚度的变化曲线 下载原图
Fig.2 (a) Longitudinal field dependence of the GMI ratio and (b) the large GMI ratio in multilayered NiFeSiMnMo/Cu/ NiFeSiMnMo at different thickness of NiFeSiMnMo film
zj=Rc−i(2πωc2)(dm2b)lμefRc=(l2)bdcσc (1)zj=Rc-i(2πωc2)(dm2b)lμefRc=(l2)bdcσc(1)
其中dc和dm分别是导电层和磁性层厚度, σc和σm分别是导电层和磁性层的电导率, zj是巨磁阻抗, b是磁性层的宽度, ω是电流角频率, l是磁性层的长度和μef是磁性层的横向有效磁导率。理论研究表明, 磁性层厚度dm增加, 巨磁阻抗zj的虚部增大, zj的模增大。实验中NiFeSiMnMo/Cu/ NiFeSiMnMo多层膜巨磁阻抗效应随磁性膜厚度增加变化结果与理论计算 [14]结果一致。
3结论
随着NiFeSiMnMo薄膜厚度的增加, NiFeSiMnMo单层膜矫顽力变大, 饱和磁化强度先增大而后减小, 软磁性能变差。NiFeSiMnMo/Cu/ NiFeSiMnMo多层膜的纵向巨磁阻抗比具有双峰结构, 其最大值随磁性层厚度增加而增加, 实验结果与理论研究结果相一致。
