CoFeBSiNb非晶合金帶材縱向驅動巨磁阻抗效應研究*

孫懷君， 李 莉， 方允樟， 楊曉紅， 斯劍霄， 范曉珍， 林根金

(1．浙江師范大學 數理與信息工程學院，浙江 金華 321004;2．金華職業技術學院 農學院，浙江 金華321007)

0 前言

自Mohri等［1-4］首先在Co基非晶材料中發現巨磁阻抗效應(GMI)以來，由于其在高靈敏磁傳感器和磁記錄頭等方面有著良好的應用前景，引起了業內人士的廣泛重視和興趣［5-8］．但是，傳統的Co基合金材料由于其非晶形成能力較弱，影響了非晶帶材的成材質量，很難做到帶材樣品的完全非晶，內部結構存在著一定的缺陷，從而導致其軟磁性能較差，GMI效應普遍較弱，雖然經過后續的退火工藝可以提高GMI比值，但是同時也使得非晶帶材變脆，影響了材料的實際應用．本研究小組在原有的Co基非晶合金基礎上，調整了組分元素的比例，適當添加了Nb元素，大大提高了合金的非晶形成能力．同時，發現隨著非晶形成能力的提高，其軟磁性能也得到了明顯的改善，在1 kHz下其有效磁導率超過47 000，并最終成功制備出臨界直徑 4 mm 的 Co63Fe4B22．4Si5．6Nb5塊體非晶合金材料［9-10］．本文利用該Co63Fe4B22．4Si5．6Nb5塊體非晶合金組分制備了非晶帶材，并且研究了其在不同退火狀態下的GMI效應．

1 實驗

將經熔煉的母合金用單輥快淬法噴制成寬度為1 mm、厚度為20 μm的非晶薄帶，然后截取樣品長度20 mm，在氬氣保護下，分別進行500～600℃不同溫度的退火處理，用德國布魯克(Bruker AXS)公司X射線衍射儀(XRD)分析薄帶樣品的物相變化，掃描速度為10°/min，2θ為20°～80°．用HP4294A型阻抗分析儀測定材料的阻抗，測量時，把樣品放入驅動線圈(驅動線圈內徑Φ=1．03 mm，選用直徑為0．1 mm的漆包線繞制120匝而成)內組成一個等效的阻抗元件，由阻抗分析儀提供10 mA的交變電流通過驅動線圈，產生一個與細絲軸向平行的交流驅動場，這種驅動方式稱為縱向驅動．縱向驅動方式的交變電流不直接通過樣品，可避免樣品引線的接觸以及樣品本身的焦耳熱損耗．直流外磁場由Helmholtz線圈產生，為防止線圈發熱影響磁場精度，線圈內部使用循環水進行冷卻，直流外磁場方向沿細絲的軸向，為減小地磁場的影響，直流外磁場與地磁場方向垂直．測量時樣品均放于Helmholtz線圈正中勻場區．阻抗變化率定義為

式(1)中:Z(Hex)和Z(Hmax)分別是直流偏置磁場為Hex和實驗時所加最大磁場Hmax時材料的阻抗．靈敏度的定義如下式所示:

式(2)中:(ΔZ/Z)max為最大巨磁阻抗比;ΔH為巨磁阻抗比曲線的半高寬．

2 結果與討論

圖 1 是鑄態 Co63Fe4B22．4Si5．6Nb5非晶合金薄帶在不同外磁場下的阻抗頻譜曲線．由圖1可知，外加磁場對樣品的阻抗值有著明顯的影響，且隨著外加磁場的增加，其阻抗值明顯下降．這是由于外磁場的作用為單向，因此造成交替振蕩的疇壁移動過程被大大抑制，樣品的磁導率迅速減小，相應地其阻抗值也急劇地下降，從而得到大幅度單調減小的阻抗頻譜曲線．

圖 1 鑄態 Co63Fe4B22．4Si5．6Nb5合金帶材磁阻抗頻譜曲線

圖2 是鑄態Co63Fe4B22．4Si5．6Nb5非晶合金薄帶和不同溫度退火樣品在驅動電流頻率f=475 kHz時的縱向驅動磁阻抗比曲線．由圖2可見，未經退火的非晶薄帶阻抗比曲線呈現單峰狀，阻抗比峰值較小，其阻抗比最大值約為1 000%．由于單輥急冷制備的薄帶其固化過程中熱量的傳遞方向為橫向，使得材料出現縱(軸)向易磁化軸，即具有縱向磁疇結構，并且在縱向驅動模式下，交變驅動場h～與外磁場Hex均在縱向．此時帶材在h～作用下的磁化是以疇壁移動為主，而且因為易磁化方向與h～一致，所以帶材具有較高的磁導率μi，并相應有較大的巨磁阻抗比值．加上縱向的Hex以后，由于Hex的作用為單向，造成h～作用下交替振蕩的疇壁移動過程被大大抑制，帶材的磁導率迅速減小，相應地其巨磁阻抗比值也急劇地下降，從而得到大幅度單調減小的巨磁阻抗曲線．經500℃保溫退火30 min，由于在制備過程中殘留在非晶樣品中的內應力已得到部分釋放，所以其軟磁性能有所改善，阻抗比曲線明顯上升，峰值達到1 400%．繼續升高溫度，內應力進一步得到釋放，阻抗比曲線繼續上升，其峰值在退火溫度為580℃時達到最大，超過2 400%，是鑄態時的2．4倍．當進一步提高退火溫度至585℃時，由于材料內部開始析出了(Co，Fe)23B6硬磁相(見圖3)，破壞了合金的軟磁性能，使得GMI效應急劇下降，阻抗比峰值也相應地下降．在退火溫度達到600℃時，帶材阻抗比隨著外加磁場變化甚至沒有出現明顯的變化趨勢．

圖4是在不同外加磁場下580℃退火Co63Fe4B22．4Si5．6Nb5非晶合金帶材其阻抗比值隨驅動頻率的變化情況．由圖4可知，在低頻段，隨著頻率的增大，阻抗比值急劇地上升，并且與頻率近似呈線性關系，在沒有施加外部磁場的情況下，阻抗比值在頻率為500 kHz附近時達到最大，與頻率為1 kHz時相比，阻抗比值由原先的0．3%升高到近2 500%，增大了8 000倍以上．此后隨著頻率的繼續增大，阻抗比值開始下降，且與頻率呈光滑的曲線關系，在頻率到達1 MHz時，阻抗比值下降至2 000%．這是由于在低頻時，趨膚效應較弱，阻抗Z與頻率f的平方根呈線性變化，隨著頻率的增加而增加，在高頻時，趨膚效應明顯，造成具體參與作用的磁疇結構比例減少，而且由于同時渦流阻尼增大，材料的磁化受到抑制，導致磁導率下降，從而引起阻抗比下降．如圖4所示，隨著外加磁場的增大，阻抗比曲線呈現逐漸下降的趨勢，這是由于當施加外磁場后，由于外磁場的作用為單向，造成交替振蕩的疇壁移動過程被逐漸抑制，帶材的磁導率也逐漸減小，相應地其巨磁阻抗比值也逐漸地下降，從而得到逐步降低的阻抗比曲線．

隨著頻率的變化，退火態帶材樣品磁阻抗比曲線也會發生不同程度的變化．圖5是580℃退火Co63Fe4B22．4Si5．6Nb5非晶合金帶材頻率從50 kHz到1 MHz的磁阻抗比曲線．從圖5可以看出，在驅動頻率較低時，阻抗比值較小，并且有很寬的“平臺”，這是由于在低頻處交替振蕩的疇壁移動較弱，外磁場對疇壁移動的抑制作用并不明顯造成的．隨著頻率的升高，交替振蕩的疇壁移動變得愈加明顯，外磁場對疇壁移動的抑制作用也隨之增加，阻抗比值也相應地提高，“平臺”逐漸縮小，并慢慢向“單峰”狀過渡，曲線半高寬也相應地縮小．在頻率達到250 kHz時，阻抗比曲線已完全呈“單峰”狀，阻抗峰值由原來的200%上升到1 500%，并且曲線在零磁場附近出現了較明顯的“尖刺”狀，說明此時樣品對微弱磁場有非常靈敏的響應，這為提高磁敏傳感器靈敏度的開發設計方面提供了一條新的途徑．繼續增大頻率，阻抗比曲線繼續上升，“尖刺”也越來越明顯，在頻率達到500 kHz時，樣品的阻抗比達到了最大，此時阻抗比峰值接近2 500%;當再次提高頻率到800 kHz時，從圖5可見，樣品阻抗比曲線略有下降，“尖刺”也開始減小;之后，隨著頻率的升高，阻抗曲線繼續下降，在f=1 MHz時，阻抗比峰值下降為2 000%．

圖5 Co63Fe4B22．4Si5．6Nb5合金帶材GMI曲線隨頻率的變化關系

圖6 是580℃退火Co63Fe4B22．4Si5．6Nb5非晶合金帶材巨磁阻抗效應靈敏度隨頻率的變化曲線．從圖6可以看出，在頻率較低時，隨著頻率的增大，靈敏度急劇地上升，并且在200 kHz到400 kHz的頻率段，靈敏度與頻率近似呈線性關系，靈敏度在頻率為600 kHz時達到最大，與頻率為50 Hz時相比，靈敏度由原先的1%/(A·m－1)升高到115%/(A·m－1)，增大了100倍以上．此后，隨著頻率的繼續增大，靈敏度值開始下降，在頻率到達1 MHz時，靈敏度值下降至96%/(A·m－1)．

圖7是鑄態Co63Fe4B22．4Si5．6Nb5非晶合金薄帶和不同溫度退火樣品在驅動頻率為600 kHz附近時其巨磁阻抗效應靈敏度隨退火溫度的變化曲線．從圖7可以看出，Co63Fe4B22．4Si5．6Nb5非晶合金帶材在鑄態時其靈敏度較低，約為19%/(A·m－1);隨著退火溫度的提高，由于在制備過程中殘留在非晶樣品中的內應力逐漸得到釋放，所以其軟磁性能有所改善，巨磁阻抗效應越來越明顯，其靈敏度也隨之提高，并且在退火溫度為580℃時達到最大，其大小為114%/(A·m－1)，是未退火時樣品靈敏度的6倍;當進一步提高退火溫度至585℃時，由于材料內部開始析出了(Co，Fe)23B6復雜相，正是由于此復雜相的析出，破壞了合金的軟磁性能，使得GMI效應急劇下降，靈敏度也隨著下降，在退火溫度達到590℃時，合金帶材靈敏度降至7%/(A·m－1)．

3 結論

Co63Fe4B22．4Si5．6Nb5合金帶材縱向驅動GMI效應隨著退火溫度的升高呈現了先增強后減弱的趨勢．在退火初期，由于內應力的釋放，使得材料內部縱向磁疇結構的取向更加一致，導致了GMI曲線的上升，并且阻抗比值在退火溫度為580℃時達到最大值，約為2 400%，其GMI效應靈敏度也達到最大，為114%/(A·m－1)．隨著退火溫度的繼續上升，材料內部析出了(Co，Fe)23B6復雜相，破壞了合金材料的軟磁性能，導致了阻抗比值和靈敏度的急劇下降．

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