 Advances in Condensed Matter Physics 凝聚态物理学进展, 2013, 2, 17-20 http://dx.doi.org/10.12677/cmp.2013.21004 Published Online February 2013 (http://www.hanspub.org/journal/cmp.html) The Longitudinally Driven Giant Magneto-Impedance Effect of Fe76Si7.6B9.5P5C1.9 Films Guang Chu, Yunzhang Fang, Xingwei He, Yun Ma, Wenzhong Li College of Mathematics, Physics and Information Engineering, Zhejiang Normal University, Jinhua Email: audy915@163.com Received: Jan. 14th, 2013; revised: Jan. 16th, 2013; accepted: Feb. 5th, 2013 Abstract: Fe76Si7.6B9.5P5C1.9 single-layer films were prepared by magnetron sputtering. An HP4294A impedance ana- lyzer was used to measure the curves of longitudinally driven giant magneto-impedance. Films with 3.0 m thickness were annealed under different temperatures. The results showed that at a driven frequency of 190 kHz for the samples annealed at 250˚C, the maximum giant magneto-impedance effect of the samples with thickness of 3.0 μm is 157.32%. And the sensitivity of it is 1.55%/(A·m−1). Keywords: Giant Magneto-Impedance Effect; Film; Longitudinally Driven; Sensitivity Fe76Si7.6B9.5P5C1.9 薄膜的纵向驱动巨磁阻抗效应 褚 光，方允樟，何兴伟，马 云，李文忠 浙江师范大学数理与信息工程学院，金华 Email: audy915@163.com 收稿日期：2013 年1月14 日；修回日期：2013年1月16日；录用日期：2013 年2月5日 摘 要：采用磁控溅射方法制备了单层 Fe76Si7.6B9.5P5C1.9 薄膜，利用 HP4294A 型阻抗分析仪测量了经过不同温 度退火 3.0 μm厚的FeSiBPC 薄膜的纵向驱动巨磁阻抗效应。实验结果表明：经 250℃退火的薄膜样品在190 kHz 驱动频率下的最大巨磁阻抗比为157.32%，外场灵敏度为1.55 %/(A·m−1)。 关键词：巨磁阻抗效应；薄膜；纵向驱动；灵敏度 1. 引言 自日本学者Mohri等人[1]首次在 CoFeSiB 非晶丝 中观察到了巨磁阻抗效应(giant magneto-impedance， 简写为 GMI)即材料的交流阻抗随着外加直流磁场的 改变而发生变化的特性以来。由于其具有高灵敏度、 响应快、非接触[2]稳定性好等特点，受到了研究者的 广泛关注。近年来，对GMI 效应的研究在很多方面 都有了较大的突破。在材料方面，从最初的 Co 基合 金发展到以 FeCuNbSiB[3]为代表的 Fe 基合金材料[4,5]； 在结构方面，也从单一结构的非晶丝[1]、薄带[6] 、单 层薄膜[7]发展到了复合结构的薄带[8]、玻璃包裹丝[9]、 三明治薄膜[10]等。然而对于单一结构材料 GMI 效应 的研究基本上都是集中在传统的横向驱动模式上，对 采用纵向驱动模式[11]的报道却很少见，本文选用具有 1.44 T相当高的饱和磁化场和1.2 A/m低的矫顽力的 Fe76Si7.6B9.5P5C1.9 合金材料[5]，利用射频磁控溅射法制 备Fe76Si7.6B9.5P5C1.9 薄膜，通过不同温度的热处理， 研究了该组分薄膜的纵向驱动GMI 效应。 2. 实验 采用射频溅射法制备 FeSiBPC 非晶态薄膜。靶材 的组分为 Fe76Si7.6B9.5P5C1.9。衬底为 Si(100)，在其表 面射频溅射一层1.8 μm厚的SiO2。衬底依次在丙酮、 Copyright © 2013 Hanspub 17  Fe76Si7.6B9.5P5C1.9 薄膜的纵向驱动巨磁阻抗效应 无水乙醇、去离子水中用超声波清洗，每次10 min， 经N2吹干后，放入沉积室中。制备过程中，靶材和 基片均用水冷，溅射真空室的本底真空为5 × 10−4 Pa, 制备 SiO2薄膜时，Ar 工作气压为 1.0 Pa，溅射功率为 120 W，相应的溅射速率为 0.26 nm/s；制备 FeSiBPC 薄膜时，Ar 工作气压为 0.8 Pa，溅射功率为 150 W， 相应的溅射速率为 0.28 nm/s。 通过台阶仪的测量得到 SiO2和FeSiBPC 薄膜厚 度分别为1.8 μm和3.0 μm，所有样品的长度和宽度分 别为 24 mm 和1.2 mm。将制备态样品放入 N2氛围中 分别在 200℃，250℃，300℃，350℃，400℃，450℃ 退火 1 h后，自然冷却至室温。采用XRD(Cu-Kα)进 行了制备态和热处理后样品的晶体结构分析，均没有 发现明显的晶化，如图 1所示，样品仍处于非晶态。 GMI 的测量采用纵向驱动模式，将样品置入驱动 线圈(直径 d = 1.5 mm，由直径为 0.1 mm的漆包线绕 制100匝而成)内组成一个等效阻抗元件，如图2所示 [12]，测量频率范围为 40 Hz~2 MHz，交流驱动电流为 10 mA的，由与地磁场垂直的一对直径为200 mm的 Helmholtz 线圈提供外加直流磁场，该磁场在测量时 沿样品长轴方向。阻抗的变化定义为： ex max max 100% HH H Z Z Z ZZ (1) 式(1)中， ex H Z 和分别表示在某个外磁场和最大 外磁场时所对应的阻抗值。 max H Z 巨磁阻抗的灵敏度定义为 max 100% ZZ H (2) 450℃ 20 30 40 50 60 2θ(˚) as-cast 400℃ 350℃ 300℃ 250℃ 200℃ intensity(a.u.) Figure 1. XRD curve for as-cast and annealed samples at different temperature 图1. 样品铸态及不同温度退火的 XRD 曲线 式(2)中， ZZ为最大巨磁阻抗比， max H 为巨磁 的半高宽 3. 结果与讨论 图3为3.0 m厚FeSiBPC 薄膜铸态和不同温度 退火后的纵向驱动巨磁阻抗比随驱动电流频率的变 巨磁阻抗 比随 阻抗比曲线 。 化。可以看出经过热处理的样品巨磁阻抗比随着频率 的增加先增大后减小，其中退火温度为 250℃的样品 在频率为190 kHz 时达到最大值 157.32%，由此可见， 在纵向驱动模式下，FeSiBPC 薄膜即使在低频条件下 也可以获得显著的巨磁阻抗效应。 图4为3.0 μm厚FeSiBPC薄膜的最大 不同温度退火的变化。可见，铸态样品没有表现 出显著的巨磁阻抗比，这是由于射频溅射沉积的铸态 薄膜时，一般具有较多的缺陷，软磁性能差，需要热 处理的方法来改善薄膜的软磁性能；当退火温度高于 Figure 2. Schematic illustration of GMI measuring method under 图2. 纵向 统示意图 the longitudinal driven 驱动巨磁阻抗效应测量系 intensity(a.u.) 0.0 500.0k 1.0M 1.5M 2.0M f/Hz as-cast 200℃ 250℃ 300℃ 350℃ 400℃ 450℃ 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 ΔZ/Z% Figure 3. GMI ratio with the frequency change for FeSiBthin 图3. 3.0 m厚FeSiBPC 薄膜 同温度退火后的巨磁阻抗比 PC film of 3.0 m thickness as-cast and annealed under different tem- perature 铸态和不 随频率的变化 Copyright © 2013 Hanspub 18  Fe76Si7.6B9.5P5C1.9 薄膜的纵向驱动巨磁阻抗效应 (ΔZ/Z) max % 0 100 200 300 400 500 退火温度/℃ 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Figure 4. The maximum GMI ratio with annealed under dient 图4. 火的 00℃后，样品均能表现出显著的巨磁阻抗比，说明 巨磁阻抗 .0 μm厚FeSiBPC 薄膜在频率为190 kHz B μmFeSiBPC薄膜的巨磁阻抗曲线 的半 45 火 ffer temperature for FeSiBPC thin film of 3.0 m thickness 3.0 μm厚FeSiBPC 薄膜的最大巨磁阻抗比随不同温度退 变化 2 热处理能够能促使缺陷运动，减少组织缺陷，消除样 品制备时产生的残余内应力，改善薄膜的软磁性能 [13]；退火温度为 250℃时(f = 190 kHz)可以获得最佳的 效应。 图5给出了 3 时的巨磁阻抗比随外场的变化。可以看出 FeSiPC 薄膜的巨磁阻抗比随外磁场的增加而减小， 并呈单峰状；最大巨磁阻抗比随退火温度的升高是先 增加后减小，在250℃时达到一个最大值，其灵敏度 可以达到1.55%/(A·m−1)；还发现铸态和退火后样品的 巨磁阻抗比曲线均具有非对称特性，即非对称巨磁阻 抗(AMGI)效应[14-16]。 图6为3.0 厚 高宽和灵敏度与退火温度的关系。可以看出巨磁 阻抗曲线的半高宽由 200℃时的 150.56 A·m−1，逐渐减 小到 300℃时的61.63 A·m−1，但 是 到350℃时的 70.09 A·m−1，出现了小的提升，随后在 400℃的 58.73 A·m−1 以及 0℃的 60.35 A·m−1呈现出“波浪形”的减小的 趋势。这些现象说明了退 可能有利于纵向易磁化结 构的增加。原因是由于薄膜在溅射沉积时基片水冷， 衬底 Si 片紧贴在基片上，溅射上来的 FeSiBPC 合金 原子具有高温、高能量，在溅射的过程中快速固化， 导致了过剩的能量没有释放。因此，退火有利于这种 剩余能量的释放，然后聚集引起了纵向各项异性。对 于外场灵敏度，在退火温度200℃时为0.72 %/(A·m−1)， 随着退火温度的升高，表现出先增大后减小的趋势， 其中在 300℃退火时有最大值出现为2.06 %/(A·m−1)。 160 as-cast 200℃ 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 (ΔZ/Z)% -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 H/ ( A/m ) 250℃ 300℃ 300℃ 350℃ 400℃ 450℃ 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 (ΔZ/Z)% -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 H/ ( A/m ) Figure 5. GMI ratio curve for FeSiBPC thin film of 3.0 thick- n m ess at annealed under different temperature (frequency: 190 kHz) 图5. 不同温度退火 3.0 μm厚FeSiBPC 薄膜的巨磁阻抗曲线(频率： 190 kHz) 200 250 300 350 400 450 退火温度/℃ 2.0 1.5 1.0 0.5 160 140 120 100 80 60 半高宽/(Am) 灵敏度/[%/(A/m)] 半高宽 灵敏度 Figure 6. GMI ratio curve half width and sensitivity with the thin 图 4. 结论 1) 本文通过用射频磁控溅射法制得了3.0 μm厚 FeSi 退火温度的增加，其GMI 曲线 film thickness change for FeSiBPC thin film of 3.0 m thickness (frequency: 190 kHz) 6. 3.0 μm厚FeSiBPC薄膜的巨磁阻抗曲线的半高宽和灵敏度与 关系(频率：190 kH厚度的 z) BPC 薄膜，采用纵向驱动模式，薄膜样品退火温 度高于 200℃后，均能显现出明显的 GMI 效应，最佳 退火温度为 250℃。 2) 随着薄膜样品 Copyright © 2013 Hanspub 19  Fe76Si7.6B9.5P5C1.9 薄膜的纵向驱动巨磁阻抗效应 Copyright © 2013 Hanspub 20 的半 感谢国家自然科学基金项目(11079029)的资助。 参考文献 (References) shima, et al. Magneto-inductive . Gijs. Giant magnetoimpedance in trilayer ct in ultra-thin glass- Mohri and T. Uchiyama. Giant magneto-im- 向驱动巨磁阻抗效 带巨磁阻抗效应 - trical magneto- Kim, J. Jang, D. Y. Kim and S. S. Yoon. Analysis of da Silva, A. D. C. 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