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●How to Cite this Article
Advances in Condensed Matter Physics
凝聚态物理学进展
, 201
4, 3, 1-4
http://dx.doi.org/10.12677/cmp.2014.31001
Published Online
February 2014 (http://www.hanspub.org/journal/cmp
.html
)
OPEN ACCESS
1
The Longitudinally Driven Asymmetric Giant
Magneto-Impedance Effect in Fe-
Based Alloy
Guang Ya ng, Xingwei He
,
Xiaozhen Fan,
Chukai Zhou,
Jing Zhao,
Hongzhou Wang,
Fei Xiao,
Yunzhang
Fang
*
College of Mathematics,
Physics and Informat ion Engineering,
Zhejiang Normal University,
Jinhua
Email:
*
fyz@zjnu.cn
Received: Nov. 18
th
, 2013; revised: Dec. 23
rd
, 2013;
accepted: Jan. 8
th
, 2014
Copyright © 201
4
Guang Yang
et al. This is an open access article distributed under the Creative C ommons Attributio n License, which permits unre-
stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the origin al work is properly cited. In accordance of th e Creative Commons A
t-
tribution License all Cop yrights © 201
4
are reserved for Hans and the own er of the in tellectual prop erty
Guang Yang
et al
. All Copyright © 201
4 are
guarded by l
aw and by Hans as a guardian.
Abstract:
We have investigated the giant magneto
-
impedance effect of Fe
73.5
Cu
1
Nb
3
Si
13.5
B
9
alloy ribbons wh
ich were
annealed by DC current
.
It was found that the maximum GMI
ratio was 1810.43% after 10
-
min
annealing current
of
0.72
A.
However,
the GMI effect began to show asymmetric phenomenon around z
ero magnetic field after 10
-
min
a
n-
nealing current of 0.74
A in terms of its own existen ce bias field.
XRD spectru m analysis ind icated th at the B
6
-Fe
23
hard
magnetic phase precipitated should be responsible for the asymmetric
giant magneto
-
impedance effect
.
Keywords:
Current Annealing
;
GMI Effect
; Asymmet ry
铁基合金的纵向驱动非对称巨磁阻抗效应
杨
光,何兴伟,范晓珍,周初凯,赵
静,王红洲,肖
飞,方允樟
*
浙江师范大学数理与信息工程学院,金华
Email:
*
fyz@zjnu.cn
收稿日期:
2013
年
11
月
18
日;修回日期:
2013
年
12
月
23
日;录用日期:
2014
年
1
月
8
日
摘
要:
研究了直流电流退火的
Fe
73.5
Cu
1
Nb
3
Si
13.5
B
9
合金薄带的巨磁阻抗效应,实验发现,经
0.72 A
电流退火
10
min
后,样品巨磁阻抗比有最大值
1810.4%
。经
0.74 A
电流退火
10
min
后,样品由于自身存在偏置场,其巨
磁阻抗效应开始出现零磁场的非对称现象,结合
XRD
图谱分析表明,样品非对称巨磁阻抗效应的产生与
B
6
-
Fe
23
硬磁相的析出有关。
关键词:
电流退火;巨磁阻抗效应;非对称性
1.
引言
1992
年,日本名古屋大学的
Mohri
等
[1]
在非晶磁
性材料中首先发现材料的交流磁阻炕随外加磁场而
变化的现象,这种现象非常灵敏,非晶丝的灵敏度达
12%~120%/Oe
[2]
因此将此现象称为巨磁阻抗
(
giant
magneto
-
impedance
,
简称
GMI
)
效应。由于该效应在
室温下对低外磁场具有高灵敏的响应等优点,在新型
磁敏传感器及磁记录头等技术领域有广泛的应用前
景,从而受到各国科学工作者的广泛关注。至今,在
有关钴基非晶丝、薄带、铁基非晶丝、薄带和薄膜中
都发现有
GMI
效应。
利用巨磁阻抗效应的非对称特性可以满足巨磁
阻抗传感器在微弱磁场附近的高线性度和灵敏度,引
起了科学工作者的广泛研究
[3
-9]
。其中,韩国学者
Kim
等
[10]
报道了
CoFeNiBSi
非晶带在纵向弱磁场作用下,
*
通讯作者。
铁基合金的纵向驱动非对称巨磁阻抗效应
OPEN ACCESS
2
空气中
380
℃退火发现了非对称特性,他们把这种现
象称为
GMI
阀
(
GMI value
)
效应并将其原因归结于样
品表面的晶化层与内部非晶层的交换耦合作用。类似
的结果在潮湿环境下经电流退火后的
CoFeSiB
非晶丝
中也有发现
[11]
。然而以往对于非对称巨磁阻抗
(AGMI)
效应的研究以横向驱动模式为主,对于纵向驱动模式
[12]
下的
AGMI
研究却鲜有报道,所以本文采用纵向驱
动模式
(l
ongitudinal driven giant magneto
-
impedance
,
简称
LDGMI
)
来研究经大电流退火的
FeCuNbSiB
样品
的
GMI
效应,获得了跨零磁场、线性区间大、线性
度高的非对称巨磁阻抗效应,这对相应磁敏传感器的
设计研发具有重要意义。
2.
实验
采用单棍快淬法制备
Fe
基非晶薄带
(
宽度为
0.50
mm
,厚度为
25
μm
)
,截取
10 cm
长非晶带固定在镀
有电极的夹具两端,在空气中分别经不同电流退火
10
min
后制得样品。用
HP4294A
型阻抗分析仪测量各样
品的纵向驱动巨磁阻抗,测量时,将长度为
15 mm
样
品放置于用漆包线密绕而成的螺线管内,组成一个等
效元件,如图
1
所示
[13]
(
该螺线管直径为
0.57 mm
,长
度为
12 mm
,选 用
直径
0.10 mm
的漆包线密绕
100
匝
制成
)
。将放有样品的螺线管置于
Helmholtz
线圈中心,
保证直流外磁场的方向与螺线管纵向平行,且与地磁
场垂直。阻抗分析仪的驱动电流是
10 mA
,对样品产
生一个交流纵向驱动场。巨磁阻抗比定义为
( ) ()
( )
ex max
max
100%
ZH ZH
Z
Z ZH
−
∆
= ×
式中
( )
ex
ZH
和
( )
max
ZH
分别是在任意磁场和最大磁
场下测得的阻抗值。用
X
射线衍射仪对热处理后的样
品进行晶体结构分析,选择合适的衍射峰用
Scherrer
公式计算晶粒的平均大小。
3.
结果与讨论
图
2
、图
3
均是
Fe
基非晶薄带在空气中经不同电
流自由退火
10 min
后的巨磁阻抗比曲线。在
310 kHz
频率下,退火电流为
0.72 A
时,样品阻抗比有最大值
1810.4%
,晶粒尺寸为
10.56 nm
且阻抗曲线关于零磁
场对称。
GMI
的基本特性不但是非线性的,而且阻抗
随磁场的变化在零磁场呈现对称,所以由其制成的巨
Figure
1.
Schematic illustration of GMI measuring method under
the longitudinal driven
图
1.
纵向驱动巨磁阻抗效应测量系统示意图
Figure 2.
GMI ratio profiles for annealed samples at different
current
图
2.
不同电流退火样品的巨磁阻抗曲线
Figure 3. Asymmetric GMI ratio profiles for annealed samples at
different
current
图
3.
不同电流退火样品的非对称巨磁阻抗曲线
磁阻抗传感器在零磁场附近不敏感,灵敏度较低。
当退火电流增加到
0.74 A
时,虽然样品阻抗比降低
到
42.0%
,阻抗的半高宽变大,软磁性能变差,但阻
抗曲线开始出现零磁场非对称现象,并且随着退火
电流的逐渐变大,样品阻抗比曲线的峰值逐渐减小、
峰位有向正磁场方向移动趋势并且曲线线性区间跨
铁基合金的纵向驱动非对称巨磁阻抗效应
OPEN ACCESS
3
过了零磁场。非对称巨磁阻抗效应
(AGMI)
由于能改
善
GMI
效应在零磁场附近的特性,这样就提高阻抗
曲线的线性度从而获得较高的灵敏度。
图
4
中,从
阻抗比、偏置场与退火电流关系上看,随着退火电
流的逐渐增加,样品阻抗比的变化由最大值迅速降
低后再逐渐减小,而样品退火后产生的偏置场由
0
A/m
经
128 2 A/m
、
1419 A/m
、
1 969 A/ m
逐渐增大至
2243 A/m
。
图
5
、图
6
是经
0.80 A
、
0.82 A
、
0.84 A
电流退火
后及再用
100 Oe
磁场分别磁化
1 min
后测得的阻抗比
曲线,磁化场方向与样品纵向平行且与直流磁场正方
向相反。从图中可以看到,经
0.82 A
、
0.84 A
电流退
火后的样品在磁化场作用后,其阻抗比均有小幅度提
高并且经磁场磁化后样品的偏置场效果均有增强,分
别增大到
2518 A/m
、
2656 A/m
、
3068 A/m
。
图
7
、图
8
均是经不同电流退火后样品的
XRD
衍射图谱,分析发现,经
0.72 A
电流退火后样品已晶
化,但没有
B
6
Fe
23
相出现,而经
0.74 A
及以上电流退
火样品均有
B
6
Fe
23
相析出,
B
6
Fe
23
相是硬磁相,会在
样品中产生有效的单向各向异性场,其效果等效于偏
置场,由于样品中等效偏置场的存在,巨磁阻抗效应
才会出现零磁场的非对称现象。对比阻抗比变化曲线
发现,经
0.72 A
电流退火后样品内应力的释放较为充
分,阻抗比有最大值、曲线关于零磁场对称并且晶粒
尺寸最小,样品的有效各向异性也最小。其他电流下
退火样品的阻抗比迅速降低且曲线不再关于零磁场
对称,阻抗曲线的峰位也随着退火电流的小幅度增加
而向磁场正方向移动,说明样品中的等效偏置场随着
退火电流的增大而变强。而在纵向磁化场的作用下,
这种单向各向异性会相应增强,从而增大偏置场的作
用效果。结合表
1
发现,样品晶化后的晶粒尺寸也随
退火电流的增大而长大,大晶粒晶界和
B
6
Fe
23
硬磁相
的析出对畴壁移动和磁矩转动起阻碍作用,导致样品
软磁性能的恶化,阻抗比的降低自是必然。
4.
结论
1)
FeCuNbSiB
合金薄带经
0.74 A
及以上直流电
流退火处理后,样品中由于
B
6
Fe
23
相的析出而产生类
似偏置场效果的各向异性场,使样品开始出现非对称
的巨磁阻抗特性,并且零磁场附近阻抗曲线线性区间
大、线性度较好。
2)
样品出现非对称的巨磁阻抗特性后,随着退火
电流的增大,样品结晶层内晶粒平均尺寸逐渐变大,
阻抗值逐渐变小、样品的等效偏置场效果逐渐加强,
并且经纵向磁化场磁化后,样品等效偏置场作用效果
更明显。
Figure
4.
(Asymmetric) GMI ratio profiles and bias field with the
annealing current (frequency: 310 kHz)
图
4.
(
非对称
)
巨磁阻抗比、偏置场与退火电流关系
(
频率:
310 kHz
)
Figure 5. Asymmetric GMI ratio profiles for various annealing
current
图
5.
不同电流退火样品的非对称巨磁阻抗曲线
Figure 6.
Asymmetric GMI ratio profiles measured after
100
Oe
magnetic
field for various annealing current
图
6.
不同电流退火样品经
100
Oe
磁场磁化后的非对称巨磁阻抗
曲线
铁基合金的纵向驱动非对称巨磁阻抗效应
OPEN ACCESS
4
Figure 7.
XRD curve for annealed samples at different current
图
7.
不同电流退火样品的
XRD
曲线
Figure 8. XRD curve for annealed samples at different current
图
8.
不同电流退火样品的
XRD
曲线
Table 1. Variation of grain size for annealed samples at different
current
表
1.
不同电流退火后样品晶粒尺寸的变化
I(A)
0.72
A
0.74
A
0.76
A
0.80
A
0.82
A
0.84
A
D(nm
)
10.56
17.71
21.69
29.11
29.82
34.27
致谢
感谢浙江省重点科技创新团队,编号:
2011R
50012
-
11
,浙江省重点实验室编号:
2013E10022
以及
国家自然科学基金项目
(
11079029
和
61274099
)
,
973
子项目
(
2012CB825705
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的支持。
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