FeCuNbSiB薄膜的纵向驱动巨磁阻抗效应＊

何兴伟， 范晓珍， 方允樟， 严维燕， 何 佳， 吴军红， 林根金

(浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华 321004)

FeCuNbSiB薄膜的纵向驱动巨磁阻抗效应＊

何兴伟， 范晓珍， 方允樟， 严维燕， 何 佳， 吴军红， 林根金

(浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华 321004)

采用磁控溅射方法制备了单层FeCuNbSiB薄膜，利用HP4294A型阻抗分析仪测量了经不同温度退火的3种不同厚度FeCuNbSiB薄膜的纵向驱动巨磁阻抗效应.实验结果表明：不同厚度薄膜样品的最佳退火温度均为300℃;经300℃退火的0.8，1.5和3.0 μm厚薄膜样品在40 kHz驱动频率下的最大巨磁阻抗比分别为60.112%，262.529%和400.279%，外场灵敏度分别为1.06%，3.85%和3.03%/(A·m－1).采用纵向驱动模式可以使单层FeCuNbSiB薄膜在低频下呈现对弱场灵敏响应的巨磁阻抗效应.

巨磁阻抗效应;薄膜;纵向驱动;灵敏度

然而，制备三明治薄膜结构需要多次更换掩膜板进行镀膜，制备过程十分烦杂耗时.因此，本文侧重采用纵向驱动的方法［9］研究单层磁性薄膜的巨磁阻抗效应.该方法让电流流向薄膜样品的外绕导电线圈，相比三明治结构中依靠更多电流流经导电层以降低电阻的方法更加有效，因而能获得更大的巨磁阻抗效应.

1 实验

用射频溅射法在单晶硅(100)衬底上制备FeCuNbSiB薄膜样品，靶材的组分是Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9.靶材和衬底均用水冷.本底真空为5×10－4Pa，溅射功率为150 W，溅射过程中氩气工作气压为0.8 Pa，溅射速率为 0.2 nm/s.

样品的厚度由台阶仪测量得到，本实验采用厚度分别为 0.8，1.5 和3.0 μm 的3 批样品.所有样品的长度和宽度分别为24 mm和3 mm.将样品在真空环境中分别以200，250，300，400，500 ℃退火，保温1 h 后自然冷却至室温.其中，500℃退火后的样品膜层发生卷曲并从硅片上脱落，其余温度退火样品及铸态样品用XRD(Cu Kα)进行了晶体结构分析，均没有发现明显的晶化，样品仍处于非晶态.

将退火后的样品进行纵向驱动巨磁阻抗效应的测量，其具体装置如图1所示［10］.将薄膜样品置入驱动线圈(直径d=4 mm，由直径为0.1 mm的漆包线绕制200匝而成)内组成一个等效阻抗元件，再将线圈两端连上HP4294A型阻抗分析仪.阻抗分析仪输出频率为40 Hz～2 MHz，振幅为10 mA的交流驱动电流，在样品的纵向产生一个驱动磁化场.最后通过一对直径为200 mm的亥姆霍兹线圈沿样品长轴方向施加直流外磁场，以测量不同外场下等效阻抗元件的阻抗变化.为了减小地磁场的影响，直流外磁场的方向与地磁场的方向垂直.

图1 纵向驱动巨磁阻抗效应测量系统示意图

定义巨磁阻抗比为

式(1)中，Z(Hex)和Z(Hmax)分别表示在任意外磁场和最大外磁场时所对应的阻抗.

定义巨磁阻抗的灵敏度为

式(2)中：(ΔZ/Z)max为最大巨磁阻抗比;ΔH为巨磁阻抗比曲线的半高宽.

2 结果与讨论

图2为1.5 μm厚FeCuNbSiB薄膜在300℃退火后的纵向驱动巨磁阻抗比随驱动电流频率的变化.由图2可以看出，其巨磁阻抗比随着频率的增加先增大后减小，在40 kHz时达到最大值262.53%.可见，采用纵向驱动模式可以使单层FeCuNbSiB薄膜在低频下获得较大的巨磁阻抗效应.图3为1.5 μm厚FeCuNbSiB薄膜的最大巨磁阻抗比随不同温度退火的变化曲线.由图3可以看出：铸态及退火温度不高于200℃的样品没有体现出显著的巨磁阻抗比，当退火温度高于250℃后，样品均能体现出较大的巨磁阻抗比;退火温度为300℃时，可以获得最佳的巨磁阻抗效应，因为磁控溅射沉积的铸态薄膜一般具有较多的缺陷，软磁性能较差，需要进一步的退火进行改善.当退火温度足够高时，能促使缺陷运动，从而减少组织缺陷，消除残余内应力，继而明显改善材料的磁性能［11］.但是，由于Si衬底与FeCuNbSiB薄膜之间存在晶格不匹配和热膨胀系数不一致等问题，过高温度的退火使膜层结构有序化，导致常温时衬底与膜层的界面之间存在很大的应力［12］，反使软磁性能下降，甚至会导致膜层的脱落.

图2 300℃退火后1.5 μm厚FeCuNbSiB 薄膜的巨磁阻抗比随频率的变化

图3 1.5 μm厚FeCuNbSiB薄膜的最大巨 磁阻抗比随不同温度退火的变化

图4给出了1.5 μm厚FeCuNbSiB薄膜在频率为40 kHz时的巨磁阻抗比随外场的变化.FeCuNbSiB薄膜的巨磁阻抗比随外磁场的增加而减小，并呈单峰状.巨磁阻抗比在200 A/m下就已达到饱和，300℃退火样品灵敏度可以达到3.85%/(A·m－1).

图5给出了不同厚度的FeCuNbSiB薄膜最大巨磁阻抗比与退火温度的关系.就同一退火温度而言，巨磁阻抗比随着膜厚的增加而增加.同时，不同膜厚样品的最佳退火温度均在300℃，没有明显区别.图6比较了3种厚度的薄膜在300℃退火后的巨磁阻抗随外磁场的变化，所取的频率为40 kHz.随着薄膜厚度的增加，巨磁阻抗比逐渐增大，这是由于薄膜厚度的增加可以增大趋肤效应对阻抗变化的贡献［13］，从而使巨磁阻抗效应增强.

图6中薄膜巨磁阻抗比曲线的半高宽和灵敏度如图7所示.随着薄膜厚度的增加，巨磁阻抗曲线的半高宽由0.8 μm 时的56.78 A/m，逐渐增加到3.0 μm 时的132.0 A/m.这可能是由于随着膜厚的增加，垂直膜面磁化要克服的静磁场可能会减小，从而导致垂直各向异性场增大［14-15］，因而需要更大的外磁场使之向面内轴向饱和磁化.样品厚度为0.8 μm时，巨磁阻抗外场灵敏度为1.06%/(A·m－1);样品厚度增加到1.5 μm时，其巨磁阻抗外场灵敏度增加到3.85%/(A·m－1);但当样品厚度增加到3.0 μm时，其巨磁阻抗外场灵敏度有所降低，为3.03%/(A·m－1).由式(2)可知，当巨磁阻抗效应的增大倍数比半高宽的增大倍数大时，外场灵敏度会增加，反之，外场灵敏度则会减小.

图4 不同温度退火1.5 μm厚FeCuNbSiB薄膜的巨磁阻抗比随外场的变化曲线(f=40 kHz)

图5 不同厚度的FeCuNbSiB薄膜最大 巨磁阻抗比与退火温度的关系

图6 300℃退火后不同厚度薄膜的巨磁阻抗随外磁场的变化曲线(f=40 kHz)

图7 薄膜的巨磁阻抗曲线的半高宽和 灵敏度与厚度的关系(f=40 kHz)

3 结语

本文采用纵向驱动模式测量了单层FeCuNbSiB薄膜的巨磁阻抗效应，得出以下2个结论：

1)不同厚度的薄膜样品在退火温度高于250℃后，均能体现出显著的巨磁阻抗效应;最佳退火温度均为300℃.

2)随着薄膜厚度的增加，样品巨磁阻抗曲线的半高宽和最大巨磁阻抗比均逐渐变大，但1.5 μm厚薄膜样品的外场灵敏度最高，达到3.85%/(A·m－1).

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The longitudinally driven giant magneto-impedance effect of FeCuNbSiB films

HE Xingwei， FAN Xiaozhen， FANG Yunzhang， YAN Weiyan，HE Jia， WU Junhong， LIN Genjin

(College of Mathematics，Physics and Information Engineering，Zhejiang Normal University，Jinhua Zhejiang 321004，China)

FeCuNbSiB single-layer films were prepared by magnetron sputtering.An HP4294A impedance analyzer was used to measure the curves of longitudinally driven giant magneto-impedance.Films with three kinds of thickness were annealed under different temperatures.The results showed that the best annealing temperature was 300℃ for samples with different thickness.At a driven frequency of 40 kHz for the samples annealed at 300 ℃，the maximum giant magneto-impedance effect of the samples with thickness of 0.8，1.5 and 3.0 μm was 60.112%，262.529%and 400.279%，respectively.The sensitivity was 1.06%，3.85%and 3.03%/(A·m－1)，respectively.The longitudinally driven giant magneto-impedance effect of FeCuNbSiB single-layer films showed a high sensitivity to weak field in the low frequency range.

giant magneto-impedance effect;film;longitudinally driven;sensitivity

O482.5

A

0 引言

2012-01-09

国家自然科学基金资助项目(50871104);浙江省新苗人才计划项目(2007G60G2030074)

何兴伟(1987－)，男，浙江瑞安人，硕士研究生.研究方向：磁性功能材料.

方允樟.E-mail：fyz@zjnu.cn

1001-5051(2012)03-0295-05

(责任编辑 杜利民)

文章编号：1001-5051(2010)04-0471-05

Mohri等［1］在FeCoSiB非晶丝中观察到巨磁阻抗效应(GMI)后，又对CoFeB薄膜展开了研究，在驱动电流频率为80 MHz下观察到了40%的巨磁阻抗效应［2］.巨磁阻抗软磁薄膜因其在制备上与集成电路工艺具有兼容性而在传感器等工程领域具有广阔的应用前景［3］.但是相比非晶丝(或非晶薄带)，薄膜的巨磁阻抗效应存在外场灵敏度低［～0.1%/(A·m1)］和所需驱动电流频率高(～100 MHz)等缺点［4］.因而，Mohri课题组又设计了三明治薄膜［4］，即铁磁层/导电金属层/铁磁层(F/M/F)结构.中间导电层是电流的主要通路以减小交流电流的阻力，而外包裹的磁层能形成闭合回路以减小漏磁.理论计算结果表明，通过调整CoFeB磁层与Cu导电层的厚度，最大阻抗比将达到470%，外场灵敏度将达到0.63%/(A·m－1).此后，三明治薄膜结构的巨磁阻抗效应在实验方面得到了深入研究［5-8］.文献［6］报道，FeCuNbSiB/Cu/FeCuNbSiB三明治薄膜在驱动电流频率为13 MHz时，横向巨磁阻抗效应可以达到80%.