关键词 fesib/cu/fesib夹心薄膜 巨磁阻抗效应 磁各向异性
一、引言
巨磁阻抗(giant magnetoimpedance,gmi)效应是指非晶丝中通过交流电流时，频率从lkhz到几mhz范围内,在一小的直流磁场作用下，材料的交流阻抗随外加磁场的变化而灵敏变化的现象。这一效应最早是由mohri等1于1992年在cofesib非晶丝中发现的，其后发展到fe基非晶丝和薄带，现在已扩展到夹心薄膜中。已经探明，非晶丝和薄带中巨磁阻抗效应的来源归于某些特殊的磁畴结构和较强的趋肤效应。在膜厚为1～4μm的单层铁磁薄膜中，出现大巨磁阻抗效应的频率在80mhz以上(2,3)，这时趋肤效应非常强烈。夹心薄膜中的巨磁阻抗效应也有报道(4,7)，其出现大巨磁阻抗效应的频率低于20mhz，且远大于单层膜中的巨磁阻抗效应。然而，夹心薄膜中巨磁阻抗效应产生的机理仍不十分清楚。实验表明，夹心薄膜中的巨磁阻抗效应与夹心薄膜的磁结构、薄膜的尺寸等有很大的关系。目前报道的夹心薄膜中，铁磁层通常为磁致伸缩系数为零的软磁薄膜，这里报道了由具有正磁致伸缩系数的非晶fesib薄膜构成的fesib/cu/fesib多层中的巨磁阻抗效应。
二、实验
首先采用磁控溅射方法在玻璃基片上研究了fesib薄膜的最佳制备条件，合金靶的成分为fe77.5si7.5b15.开始溅射之前，基底真空为8×10-7torr，最佳制备条件：溅射ar气压为5×10-2torr和溅射功率为600w，且在溅射过程中沿薄膜的横向施加约16ka/m的磁场。由此制备的大块尺寸(26mm×72mm)fesib薄膜具有横向单轴磁各向异性。在大块fesib薄膜的最佳制备条件下，采用金属掩膜方法制备fesib/cu/fesib夹心薄膜.首先采用金属掩膜在玻璃上制备第一层fesib薄膜，然后采用另一金属掩膜制备cu薄膜，其次采用金属掩膜制备第三层fesib薄膜。夹心薄膜是由一带有两扩展电极引线的cu层和外面包围的fesib薄膜构成的.cu层的长度和宽度分别为28mm和0.8mm，厚度为2μm。fesib薄膜的尺寸为22mm×3mm×1.8mm。采用电感耦合等离子体(inductively coupled plasma，icp)对薄膜的成分进行分析，测试结果与合金靶的成分趋于一致.采用hp4194a阻抗相位分析仪测量夹心薄膜的磁阻抗，交流电流的幅值恒定为10ma，频率为100khz～40mhz。在阻抗测量过程中，薄膜的纵向与地磁场垂直，沿薄膜的纵向或横向施加一直流磁场，分别测试纵向和横向磁阻抗。磁阻抗效应大小(mi比)定义为：【z(h)一z(0)】/z(0)，其中【z(h)和z(0)】分别为在外加磁场下和未加磁场的磁阻抗。磁阻抗比可为正值或负值，正负值是指在外加磁场下，夹心薄膜的磁阻抗大于或小于无磁场时的阻抗。
采用ldj model-10000b—h回线仪测量fesib薄膜的软磁磁性。fesib薄膜的饱和磁感应强度的约1.5t，是用振动样品磁强计vsm测量的。
三、实验结果和讨论
图1给出了大块fesib薄膜的横向和纵向的磁滞回线。可以看出，大块fesib薄膜具有明显的磁各向异性，薄膜的易轴沿fesib薄膜的横向。易轴和难轴的矫顽力分别为56a/m和40a/m。由于b-h回线仪的分辨率有限，无法准确给出夹心薄膜fesib/cu/fesib的磁滞回线。
图2示出了不同频率下fesib/cu/fesib夹心薄膜中巨磁阻抗效应与外加磁场ha之间的关系。其中磁场和交流电流均沿薄膜的纵向。由图可以看出，曲线关于ha=0对称，在磁场约+1600a/m和-1600a/m附近出现峰值，是典型的纵向巨磁阻抗效应特征谱，这可由旋转磁化模型来解释掰。由经典的电磁学理论可知，高频电流通过导体时由于趋肤效应而主要集中在表面，电流密度向导体内部呈指数衰减，趋肤深度为δ=(p/π+μ)1/2，因导体的阻抗与趋肤深度有关，因而阻抗强烈依赖于电流频率f、有效磁导率?的变化。对于具有横向磁各向异性的铁磁薄膜，交流磁导率将随外加磁场的增大而增大，当磁场ha=hk(等效磁各向异性场)时磁导率达到最大值，然后又随磁场的增大而下降，这是纵向巨磁阻抗效应的来源。
由图2可看出，在不同的频率下，磁阻抗比首先随磁场的增大而增大，在某一磁场hp下磁阻抗比达到正的最大值，然后又随磁场的增大而下降，在磁场较大时磁阻抗比为负值。例如在频率3mhz和磁场1600a/m下，磁阻抗比的最大值为17.2％，为各频率中的最高者。在频率5mhz、磁场相对较大时，夹心薄膜中存在较大的负磁阻抗比；例如在ha=9600a／m时，磁阻抗比为-9％。另外，还可以看出，对于不同的频率，出现磁阻抗比最大值的磁场hp(主要由磁各向异性场决定)也不同。在10mhz以下hp约1600a/m，在15和20mhz时hp约2000a/m，当频率大于30mhz时hp约2400a/m，远大于磁致伸缩系数近为零的薄膜的hp。理想情况下，如果软磁薄膜具有很好的横向单轴磁各向异性，在不同的频率下出现磁阻抗比最大值的磁场是相同的，近似等于磁各向异性场。而在fesib/cu/fesib夹心薄膜中，不同频率下出现磁阻抗比最大值的磁场hp不同及在磁场较大时存在负的磁阻抗比，这意味着夹心薄膜的软磁性能并不理想，或者说夹心薄膜的易轴并没有完全沿薄膜的横向。在早期发表的文章中【3】，如果磁阻抗比采用本文的定义，则磁阻抗比的最大值通常为正值，且远大于负的磁阻抗比。磁场较大时样品中存在较大的负磁阻抗比，可能与fesib薄膜中易轴的取向，即易轴偏离薄膜横向的角度有关。
(待续)