铁基合金的纵向驱动非对称巨磁阻抗效应 The Longitudinally Driven Asymmetric Giant Magneto-Impedance Effect in Fe-Based Alloy

doi:10.12677/CMP.2014.31001

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Advances in Condensed Matter Physics 凝聚态物理学进展, 2014, 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

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. 18th, 2013; revised: Dec. 23rd, 2013; accepted: Jan. 8th, 2014

stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the origin al work is properly cited. In accordance of th e Creative Commons At-

guarded by law and by Hans as a guardian.

Abstract: We have investigated the giant magneto-impedance effect of Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 alloy ribbons which 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 zero magnetic field after 10-min an-

nealing current of 0.74 A in terms of its own existen ce bias field. XRD spectru m analysis ind icated th at the B6-Fe23 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 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9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 B6-Fe23

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

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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(longitudinal 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 ZH

−

∆= ×

式中

( )

和

( )

max

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

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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 B6Fe23 相出现，而经0.74 A及以上电流退

火样品均有B6Fe23 相析出，B6Fe23 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 B6Fe23 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 B6Fe23 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

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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)的支持。

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