《武汉工程大学学报》 2020年05期
581-584
出版日期：2021-01-29
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
CoNi镀层长度对软/硬磁微丝微波磁性的影响
巨磁阻抗效应（giantm agnetoimpedance effect，GMI）是指软磁材料的交流阻抗随外加磁场变化而发生显著变化的效应。GMI效应的产生原因主要是由于其具有特殊的竹节状磁畴结构。采用熔融拉丝法制备玻璃包覆合金微丝过程中，进行快速淬火处理时，合金微丝的表面先于中心部分凝结，在圆周方向形成压缩应力，中心部分受牵引力的作用形成轴向张力。在淬火残余内应力和退磁能的共同作用下，合金微丝内部形成特有的核~壳（core~shell）磁畴结构，也就是所谓的竹节状磁畴结构。由于玻璃包覆合金微丝具有灵敏度高、快速响应、非接触、适合低温等诸多优点，很适合将其应用到弱磁传感器的研制上，受到各相关领域学者的极大关注［1-3］。当玻璃包覆合金微丝接入电路后，由于驱动电流频率过高，电路会存在电感和电容效应。因此，有研究者会在元件两端接入电容和电感，使合金微丝在LC共振条件下工作，进而显著提高软磁材料的巨磁阻抗效应。 但是，人为接入电容影响了元件的小型化，电极和接地形成的杂散电容又影响了元件的抗干扰性［4-6］。本文在玻璃包覆合金微丝的玻璃外层，利用磁控溅射方法溅射一层非磁性黄金层，然后在黄金层外电镀一层CoNi硬磁层。通过控制CoNi镀层的长度，一方面让CoNi镀层和合金微丝之间构成不同参数的圆柱形电容，改变LC共振参数，探讨LC共振对微波段复合结构微丝的巨磁阻抗效应的影响；另一方面探讨了CoNi镀层的长度对复合微丝磁特性的影响［7-9］。1 实验部分使用熔融拉丝法制备了具有零磁致伸缩系数的Co59.1Fe14.8Si10.2B15.9玻璃包覆非晶合金微丝，其中，微丝内径为12 μm，总直径为25 μm。然后，在玻璃包覆层外用磁控溅射的方法溅射厚度约为300 nm的黄金层。利用电流密度为12 mA/cm2的电流在黄金镀层上电镀Co90Ni10的镀层，通过控制电镀时间，控制CoNi镀层的厚度，制备出CoNi镀层厚度为5 μm，总直径为35 μm的样品。截取不同的样品部位，制备CoNi镀层长度L=2，3，4，5 mm，总长度为5 mm的GCM/CoNi微丝。图1所示为GCM/CoNi微丝结构图［10-12］。[玻璃包覆层][黄金镀层][CoNi镀层][AC][L1][L2]图1 GCM/CoNi微丝结构图Fig. 1 Structure diagram of GCM/CoNi microwire样品电阻谱是在矢量网络分析仪（Agilent， model E8362B）中进行测量，测量频率为0.1~14 GHz。测量阻抗过程中，外加静磁场Ha由亥姆赫兹线圈产生，外加静磁场磁场强度范围为0~160 kA/m，外加静磁场沿着微丝轴向方向［13］。为了研究双相磁性微丝的高频特性，用刀片刮去样品其中一端的玻璃层、黄金镀层，用导电银胶接入电路，样品另外一端，用导电银胶直接连接CoNi镀层进入电路，称之为核壳连接（CS）。2 结果与讨论2.1 巨磁阻抗效应巨磁阻抗[MI]由公式（1）计算［14］：[MI=Z(H)-Z(0)Z(0)] （1）从GCM/CoNi微丝的阻抗谱可以计算出不同CoNi镀层长度下的MI谱，不同CoNi镀层长度L=2，3，4，5 mm样品的MI谱的最大值分别出现频率f=4.2，2.8，2.5，1.6 GHz处。可以明显看出，在CoNi镀层和合金微丝之间构成的圆柱形电容，随着CoNi长度的增加，电容值增加，改变了LC共振的条件，MI最大值对应的频率逐渐向低频段移动［15-17］。图2显示的是GCM/CoNi微丝频率f=4.2，2.8，2.5，1.6 GHz时候的巨磁阻抗曲线。从图2中可以看出，MI最大值比较接近，均为300%~325%之间。但是，CoNi镀层长度为5 mm样品的MI最大值出现在外加磁场为0 kA/m处，随着CoNi镀层长度的减小，MI最大值开始向高外磁场移动，当CoNi镀层长度为2 mm时，MI的最大值出现在外加磁场为15 kA/m处。[0 20 40 60 80 100 120 140 160H / （kA/m）][35030025020015010050][MI / %][L=2 mm，f=4.2 GHzL=3 mm，f=2.8 GHzL=4 mm，f=2.5 GHzL=5 mm，f=1.6 GHz]图2 不同CoNi镀层长度下GCM/CoNi微丝分别在4.2，2.8，2.5，1.6 GHz处的MI曲线Fig. 2 MI curves of GCM / CoNi microwires with different CoNi lengths at 4.2， 2.8， 2.5 and 1.6 GHz 这是因为随着CoNi镀层长度的增加，合金微丝在CoNi镀层退磁能的作用下。轴向磁畴体积增加，环向磁畴体积减小，轴向各向异性场增强。此时，磁矩在轴向磁场的作用下，很难发生环向偏转，磁损耗的峰值出现在外加磁场为0 kA/m处。当CoNi镀层长度为2 mm时，此时，环向磁畴体积最大，随着外加磁场增强，磁矩开始由环向逐渐向轴向偏转，当外加磁场接近环向各向异性场的时候，磁损耗出现峰值，同样的MI出现峰值，MI峰值对应的外加磁场为15 kA/m处。因此，随着CoNi镀层长度的减小，MI峰值所对应的外加磁场也逐渐由0 kA/m增加到15 kA/m。2.2 铁磁共振图3（a）（b）（c）（d）分别显示的是CoNi镀层长度L=2，3，4，5 mm的电阻谱。从图中可以看出，当CoNi镀层长度为2 mm时，电阻谱只有1个峰FMR0，FMR0是由于复合结构微丝的铁磁共振引起的。随着CoNi镀层长度的增加，电阻谱逐渐出现两个峰FMR0和FMR1。因此，随着CoNi镀层长度的增加，CoNi镀层和合金微丝构成的圆柱形电容值逐渐增加，LC共振现象逐渐增强，导致FMR1峰出现。其次，FMR0峰值随着CoNi镀层长度的增加，在高频段，样品的阻值逐渐减小。铁磁共振的主要损耗是磁矩在一定偏转角度下进行运动引起的。由于CoNi镀层长度的增加，环向磁畴体积减小，磁矩由轴向向环向偏转较难，大部分磁矩偏离共振位置，只有小部分磁矩处于共振位置，导致损耗下降。在微波条件下，由于趋肤效应，导致电流主要分布在合金微丝的表面，趋肤深度远远小于合金微丝的直径，使得铁磁共振现象发生时，合金微丝的铁磁共振效应可以等效于薄膜的铁磁共振现象。因此，对于薄膜的Kittel的共振条件也同样适用在此处，用来分析和解释合金微丝的铁磁共振现象［18-20］。Kittel公式如式（2）：[frγ2π=(H+Hk)(H+Hk+4πMs)?(H+Hk)4πMs] （2）其中，fr- 铁磁共振频率，γ- 旋磁比，[Ms]-饱和磁化强度，Hk -各向异性场。通过公式（2）可以发现，由于等效磁场H等于外加磁场Ha和各向异性场Hk的和，而且外加磁场远远大于各向异性场Hk。因此，用外加磁场Ha代替H+Hk，公式（2）可以进一步简化为公式（3）：[fr2=γ2MsπHa] （3）则当铁磁共振发生时，通过合金微丝的电流频率的平方与外加磁场近似具有线性关系。根据实验结果分析，可以估算出合金微丝的饱和磁化强度4πMs约为12 Gs。[20 40 60 80 100[Ha] / （kA/m）][140120100806040200][f2 / GHz2][L=2 mmL=2 mmL=2 mmL=2 mm]图4 铁磁共振峰值点频率平方和外加磁场关系曲线Fig. 4 Relationship curves between square of peak frequency of ferromagnetic resonance and applied magnetic field3 结 论通过测量GCM/CoNi核壳连接方式下的样品的阻抗值，分析发现：1）通过增加复合结构微丝的CoNi镀层长度，可以增加复合结构微丝等效电路的电容值，进而改变复合微丝的LC共振条件，导致MI最大值所对应的频率从低频向高频段移动。2）通过分析样品的MI曲线，发现CoNi镀层长度的增加，削弱了环向各向异性场，导致MI曲线的峰值对应的外场逐渐向低场移动。3）通过分析样品的铁磁共振，发现CoNi镀层长度的增加，增强了轴向各向异性场，导致铁磁共振损耗被削弱。