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复合结构丝的磁性及机理研究

陈德禄  
【摘要】:巨磁阻抗效应(GMI)具有灵敏度高、快速响应等特点,受到广泛关注,可以用于磁性目标检测、无损探伤、弱磁场测量等等。Fe基、Co基、Ni-Fe等软磁合金的GMI效应相继被研究,复合结构材料随即被发现具有更好的GMI效应和更低的特征频率,含绝缘层复合结构材料的GMI效应则进一步增强。复合结构材料常见的制备方法有磁控溅射、电镀/化学镀等,制备好的样品经电流退火、磁场退火等使材料的GMI效应进一步优化。本文率先提出在材料制备过程中,对基底材料同时施加诱导电流的方法,分别采用电流化学镀、磁控溅射法制备出具有高磁场灵敏度的复合结构丝。同时,假定复合结构丝中磁性层具有螺旋向的磁畴结构,通过对Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)方程和Maxwell方程组的求解,研究了带绝缘层复合结构丝等的巨磁阻抗效应。本文研究的主要内容有:1.通过对传统化学镀方法的探究发现,当镀液中NaH2PO2H2O为0.30 ml/L,镀液pH值为8.4时,制备时间为1小时,制得的样品具有环向的磁畴结构和较好的阻抗比。在以上述制备条件的基础上,同时在制备过程中对基底铜铍丝施加0~250 mA的诱导电流。诱导电流产生的环向场能促进镀层上环向磁畴结构的生长,诱导电流产生的磁流体动力学效应使镀液中的离子源源不断地补充到镀层表面上,从而增强了化学反应速率。结果表明,诱导电流的变化同时改变了复合结构丝中的等效各向异性场大小和磁畴结构的方向,诱导电流为150 mA时,制得的样品具有最佳的软磁性能及GMI效应。2.采用磁控溅射法,使用自制支架为铜丝施加0-150 mA的直流电流,制备了厚度为520 nm的Ni80Fe20/Cu一系列复合结构丝。诱导电流产生的热量既能提高表面原子活性,促进薄膜生长,又能通过影响材料的自发磁化,降低磁晶各向异性等效场;诱导电流产生的磁场能促进环向磁畴结构的生长。结果表明,随着诱导电流的增加,样品的磁晶各向异性等效场逐渐降低,磁畴结构由环向逐渐转变到纵向,在诱导电流为100mA时,具有最佳的GMI效应3.采用磁控溅射法,固定诱导电流大小为100 mA,制备不同铁磁层厚度的样品。诱导电流产生的感应磁场具有诱导磁结构生长的作用,但随着铁磁层厚度增加而作用减弱;累积的热效应改变了材料的自发磁化,降低了磁晶各向异性等效场。当铁磁层厚度为780nm时,样品具有良好的软磁性能,巨磁阻抗效应达到最强。4.通过求解LLG方程和Maxwell方程组,研究了等效各向异性场大小、磁畴结构方向、铁磁层厚度、铜丝半径等对复合结构丝中的GMI效应的影响。5.使用磁控溅射法制备不同绝缘层(Si02)厚度的Ni80Fe20/SiO2/Cu复合结构丝,当绝缘层厚度为5.25 μm时,样品具有最佳的GMI效应。以不同驱动电流大小,测试复合结构丝的GMI效应,当驱动电流大小为20 mA时,测得的GMI效应最佳。6.采用传统的模型对含绝缘层复合结构丝的GMI效应进行研究,研究了绝缘层厚度对复合结构丝GMI效应的影响,与实验结果有出入。改进模型中,考虑上材料的磁结构,确认了实验的结果,由此可以推断,绝缘层厚度的改变,影响了外层铁磁层的生长,从而造成GMI效应增强。7.采用数值解法,研究了在交流驱动下磁矩的进动。结果表明,在较大的驱动电流时,磁矩的进动较为复杂,表现出高次的谐波形式,意味着传统的电磁场模型仅适用于小电流的条件。要考虑驱动电流或绝缘层厚度等因素对GMI效应的影响时,需要考虑数值求解Landau-Lifshitz-Gilbert方程。


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