磁致伸缩/压阻块状复合材料的磁阻性能研究*

贾艳敏, 马江平， 王 朗， 王梦双， 罗雯姝

(浙江师范大学 数理与信息工程学院,浙江 金华 321004)

0 引 言

磁电阻效应是指导体或半导体在磁场作用下其电阻值发生变化的现象[1].1988年，法国学者Baibich等[2]首次在Fe/Cr多层薄膜中发现了巨磁电阻效应，引起了世界各国的高度重视.目前，已被研究的磁性材料的磁电阻效应大致可以分为：由磁场直接引起的正常磁电阻、与技术磁化相联系的各向异性磁电阻、掺杂稀土氧化物中的庞磁电阻、磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻及隧道磁电阻等[3-4].

在过去的二十多年中,随着金属多层膜和颗粒膜中巨磁电阻及稀土氧化物中庞磁电阻的发现，磁电子学得到了很大的发展.由磁电阻材料构成的磁电子学新器件已广泛应用在光学器件、门控设备、气体检测等方面，具有巨大的应用前景[5-7].

现阶段对于磁电阻材料的研究和应用多集中在单相磁电阻材料上，关于单相磁电阻材料的研究已较为成熟[8-10].单相磁电阻材料主要采用的是多层膜的结构，这就对磁电阻材料的制备条件和工艺提出了较高的要求.但是，如果采用其他功能材料进行复合，获得复合磁电阻材料，将会极大简化磁电阻材料的制备工艺，降低材料的制作成本.然而，目前关于复合磁电阻材料的研究尚处于刚起步阶段，相关的报道甚少.

本文主要针对复合磁电材料的磁电阻性能，采用Terfenol-D磁致伸缩材料和压阻材料进行复合，获得复合磁电阻材料,并研究了复合磁电阻材料在一定变化磁场内的磁电阻效应.

1 实验部分

1.1 磁致伸缩材料(Terfenol-D)的磁致伸缩系数测试

一般测量磁致伸缩系数都是采用非平衡电桥的方法，但由于受温度、磁电阻效应等因素的影响,电路中会出现较严重的漂移现象,导致测量难以准确进行.为了克服这种缺点,笔者采用光学干涉方法测量磁致系数[11].

把待测磁致伸缩材料(Terfenol-D)样品沿最易磁化的〈112〉晶向切割成尺寸为12.0 mm×3.0 mm×0.5 mm的材料，将样品放置在螺线管轴线位置,螺线管长约12 cm,样品所在处为均匀磁场.样品一端粘贴1个小平面镜,镜面与样品长度方向垂直,另一端与螺线管固连.在光学平台上搭建迈克尔孙干涉仪光路，光源为氦氖激光器,波长为632.8 nm.动镜为与待测样品固连的平面镜,接收装置为光电计数器.当螺线管线圈中通过电流I时,其轴线处磁感应强度B=μ0nL,样品在磁场作用下其长度将发生变化,从而引起干涉条纹级数的改变.设样品的伸缩量为ΔL，条纹级数的改变量为ΔK，则由迈克尔孙干涉仪原理可知，ΔL=ΔKλ/2，所以样品的磁致伸缩系数α=ΔL/L=ΔKλ/(2L).

1.2 磁致伸缩/压阻复合磁电阻材料的制备

图1 磁致伸缩/压阻复合磁阻材料结构图

图1所示为磁致伸缩/压阻复合磁阻材料的结构图.将Terfenol-D磁致伸缩合金沿〈112〉晶向切割成12.0 mm×3.0 mm×0.5 mm的材料备用.使用激光切片机将〈100〉晶向的p型单晶硅片切割成15.0 mm×4.0 mm的材料备用.先将Terfenol-D合金和单晶硅片的粘接面用蘸取无水乙醇的脱脂棉擦干净表面.待粘接面无水乙醇挥发干后，采用502胶水将Terfenol-D合金与单晶硅的粘接面粘牢.等粘接面的502胶水完全固化后，在单晶硅片的另一面用室温导电银胶做好2个电极.

1.3 磁致伸缩/压阻/薄膜复合磁电阻材料的制备

图2所示为磁致伸缩/压阻/钽薄膜复合磁阻材料的结构图.将Terfenol-D磁致伸缩合金沿〈112〉晶向切割成12.0 mm×3.0 mm×0.5 mm的材料备用.使用激光切片机将〈100〉晶向的p型单晶硅片切割成15.0 mm×4.0 mm的材料备用.采用超高真空多功能磁控溅射设备(型号：JGP450；厂家：中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司)在p型单晶硅一面溅射一层200 nm厚的钽薄膜(钽靶材直径70 mm，纯度99.95%;厂家：深圳天源表面技术开发有限公司).具体溅射薄膜的工艺参数如表1 所示.将溅射好钽薄膜的p型硅片与Terfenol-D合金用502胶水粘接牢固后，采用室温导电银胶在钽薄膜的表面引出2个测试电极.

图2 磁致伸缩/压阻/薄膜复合磁阻材料的结构图

工作压强/Pa沉积时间/min工作功率/W膜厚/nm2.43060200

1.4 复合磁电阻材料磁阻性能的测试

采用电输运测量系统(型号：ET9000；厂家：北京东方辰景科技有限公司)测试复合磁电阻材料的磁阻性能.在测试磁致伸缩/压阻复合磁电阻材料时，测试磁场方向与复合磁电阻材料长度方向一致，范围是0～0.40 T，设定温度为288 K，磁场步进值为0.04 T，测试电流为100 μA.测试磁致伸缩/压阻/薄膜复合磁电阻材料时，测试磁场方向与复合磁电阻材料长度方向一致，磁场范围为0～0.01 T，设定温度为288 K，磁场步进值为0.001 T，测试电流为100 μA.

2 实验结果与讨论

2.1 复合磁电阻材料的工作原理

众所周知，复合材料的乘积效应可以实现不同材料之间的性能耦合.在两相复合材料中，如果一相材料的性能是由A到B，另一相材料的性能是由B到C，那么2种材料复合将会实现从A相到C相[12].

要使磁阻复合材料能面向实际应用，一般要求磁阻复合材料的磁阻转换系数足够高.由乘积效应可知，要想获得大磁阻效应，必须分别选择单相效应大的铁磁相和压阻相，并调整两相之间适当的体积比，以及实现两相之间良好的耦合[13-14].因此，对于铁磁相而言，必须选择磁致伸缩效应大的铁磁材料；对于压阻相而言，需选用压阻系数大的材料.同时，为了保证复合材料的体电阻率比较大，要求铁磁相的体电阻率要大.一般来说,铁磁相的体电阻率要比压阻相的体电阻率小2个数量级，磁阻复合材料的体电阻率主要由电阻率较小的铁磁相决定，故要设法提高铁磁相的体电阻率.混合比对磁阻复合材料磁阻转换系数的影响也是不容忽视的.为了能够获得最大的磁阻转换系数，压阻相与铁磁相必须选择最佳比值.

2.2 磁致伸缩材料的磁致伸缩系数随磁场的变化规律

图3所示为Terfenol-D的磁致伸缩系数随磁场强度的变化曲线.Terfenol-D沿<112>方向切割，磁场施加的方向与<112>方向平行.当外加磁场为0～1.6×105A·m-1时，Terfenol-D沿<112>方向的磁致伸缩系数随磁场强度的增大而增大.当磁场强度大小超过1.6×105A·m-1时，Terfenol-D沿<112>方向的磁致伸缩系数基本不变.这是因为:磁场强度在0～1.6×105A·m-1时，Terfenol-D的形变主要在长度方向;当磁场强度大于1.6×105A·m-1时，Terfenol-D的形变主要是体积形变[15].

图3 Terfenol-D的磁致伸缩系数随磁场强度变化图

2.3 磁致伸缩/压阻复合磁电阻材料的磁阻性能

图4 硅片的电阻率随磁场强度变化曲线

图4所示为磁致伸缩/压阻复合磁电阻材料的单晶硅层的电阻率随磁场强度的变化曲线.从图4可以看出，随着磁场强度的增大，单晶硅层的电阻率呈增大的趋势.磁场从0.1 T增加到0.4 T,单晶硅的电阻率由125.26 Ω·m增加到125.43 Ω·m.这是因为:当磁场强度增大时，Terfenol-D样品的纵向磁致伸缩系数也随之增大.对于压阻材料单晶硅而言，由于其与Terfenol-D固定约束的作用，Terfenol-D受磁场而产生的纵向应变会通过粘接层传递给单晶硅层，导致单晶硅的晶格产生形变.单晶硅中的载流子从一个能谷向另一个能谷散射，引起了载流子迁移率发生变化，扰动了载流子的纵向和横向平均量，最终导致硅的电阻率发生变化[16].

2.4 磁致伸缩/压阻/薄膜复合磁电阻材料的磁阻性能

图5所示为磁致伸缩/压阻/薄膜复合磁电阻材料的钽薄膜层电阻率随磁场强度的变化曲线.由图5可以看出，在0～0.01 T的磁场强度时，随着磁场强度的增大，钽薄膜的电阻率也呈现出增大的趋势.磁场从0 增加到0.01 T时，膜的电阻率由7 479.504 Ω·m增加到7 504.518 Ω·m.

图5 钽薄膜电阻率随磁场强度变化曲线

与Terfenol-D/单晶硅复合磁电阻材料单晶硅层电阻率的变化相比，Terfenol-D/单晶硅/钽薄膜复合磁电阻材料钽薄膜层的电阻率对磁场变化响应更快.

这是由于薄膜的伸缩系数比硅片好，通过将硅片产生的应变传递到薄膜，薄膜会产生较大的形变，因此引起的电阻率变化也将会较明显.

3 结 论

应用复合材料的乘积效应，将磁致伸缩材料和压阻材料进行复合，制备出复合磁电阻材料，并研究了复合磁电阻材料在外界磁场环境中电阻率的变化.结果表明，磁电阻复合材料在一定的磁场变化范围内，其电阻率大小有较明显的变化.其中，Terfenol-D/单晶硅/钽薄膜复合磁电阻材料的磁场在0～0.01 T时，钽薄膜的电阻率有非常明显的变化.复合磁电阻材料具有较灵敏的磁电阻效应，且制备简单，材料比较容易获得，价格低廉，在传感器件及磁存储器件上有着十分广阔的应用前景.