三明治結(jié)構(gòu)多層膜巨磁阻抗效應(yīng)研究.pdf

1、本文研究了三明治結(jié)構(gòu)多層膜巨磁阻抗效應(yīng)。 巨磁阻抗（Giant Magneto-Impedance，簡(jiǎn)記為GMI）效應(yīng)是指材料的交流阻抗隨外加磁場(chǎng)的改變而發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。巨磁阻抗（GMI）傳感器比普通磁敏傳感器的靈敏度高，并且無(wú)磁滯、響應(yīng)快，在弱磁傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。巨磁阻抗效應(yīng)一般出現(xiàn)在軟磁絲、薄帶和薄膜中，其中薄膜GMI傳感器由于具有批量生產(chǎn)以及與半導(dǎo)體電路集成的兼容能力，這就大大降低了生產(chǎn)成本，因此研究軟磁薄膜材

2、料中的巨磁阻抗效應(yīng)具有重要的實(shí)用價(jià)值。 研究表明，上下兩層軟磁薄膜層中間夾一高電導(dǎo)率的金屬層的三明治結(jié)構(gòu)多層膜在相對(duì)較低頻率下就能獲得很大的GMI效應(yīng)，在高靈敏磁傳感器和磁記錄技術(shù)等方面具有十分誘人的應(yīng)用前景。 系統(tǒng)研究了CoFeSiB和NiFe單層膜以及多層膜的制備及其巨磁阻抗效應(yīng)與外加磁場(chǎng)、電流頻率、器件參數(shù)、偏置磁場(chǎng)等的關(guān)系。主要研究成果如下： 1、采用射頻磁控濺射法結(jié)合MEMS工藝制備了CoFeSiB單層

3、膜以及曲折狀三明治結(jié)構(gòu)CoFeSiB/Cu/CoFeSiB多層膜，研究表明，濺射態(tài)的條狀單層CoFeSiB薄膜中的GMI效應(yīng)較弱，只有約4％，而曲折狀三明治結(jié)構(gòu)CoFeSiB/Cu/CoFeSiB多層膜的GMI效應(yīng)則有較大的提高（約18.6％），呈現(xiàn)出典型的巨磁阻抗效應(yīng)變化趨勢(shì)，說(shuō)明了曲折狀三明治結(jié)構(gòu)多層膜的優(yōu)越性。 2、曲折狀三明治結(jié)構(gòu)CoFeSiB/Cu/CoFeSiB多層膜中的Cu夾層寬度和厚度對(duì)其GMI效應(yīng)有很大影響。當(dāng)

4、Cu層寬度較小時(shí)，縱向GMI效應(yīng)最大，而當(dāng)Cu層寬度超過(guò)CoFeSiB鐵磁層寬度的一半并隨著Cu層寬度越來(lái)越接近CoFeSiB鐵磁層寬度時(shí)，縱向GMI效應(yīng)逐漸降低；而與鐵磁層厚度在同一數(shù)量級(jí)的Cu層厚度對(duì)多層膜的縱向GMI效應(yīng)影響不大，但對(duì)橫向GMI效應(yīng)有較大影響，當(dāng)Cu層厚度超過(guò)鐵磁薄膜厚度的2倍時(shí)，橫向GMI效應(yīng)減弱。 3、采用電鍍工藝結(jié)合MEMS工藝制備了曲折狀NiFe單層膜以及曲折狀三明治結(jié)構(gòu)NiFe/Cu/NiFe多層

5、膜，研究表明，在電鍍態(tài)的曲折狀NiFe單層膜中獲得了較大的GMI效應(yīng)，在頻率9MHz、磁場(chǎng)為2.4kA/m時(shí)，縱向GMI最大值達(dá)到9％，并且在低頻、低場(chǎng)下就呈現(xiàn)較大GMI效應(yīng)，顯示曲折狀設(shè)計(jì)的優(yōu)越性；曲折狀三明治結(jié)構(gòu)NiFe/Cu/NiFe多層膜也大大提高了NiFe薄膜的GMI效應(yīng)，對(duì)于電鍍態(tài)NiFe多層膜，其縱向GMI效應(yīng)在2MHz，1.6kA/m時(shí)可以達(dá)到67％，是單層膜的7倍多，且最佳頻率更低，證明了曲折狀三明治結(jié)構(gòu)對(duì)提高薄膜的G

6、MI效應(yīng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 4、三明治結(jié)構(gòu)NiFe/Cu/NiFe多層膜中薄膜厚度和導(dǎo)電夾層的寬度對(duì)其GMI效應(yīng)存在顯著影響，厚度較厚的樣品可以獲得更大的GMI效應(yīng)，而厚度較薄的樣品則可獲得更好的頻率和磁場(chǎng)特性；Cu層寬度接近于NiFe鐵磁層寬度的一半時(shí)，多層膜樣品的GMI效應(yīng)最大。 5、磁場(chǎng)退火不僅能保持NiFe多層膜樣品中的磁各向異性，而且可以提高薄膜的軟磁性能，從而大大提高了樣品的GMI效應(yīng)，如經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)退火后，NiF

7、e多層膜的縱向GMI效應(yīng)在1MHz，2.4kA/m時(shí)提高到了86.7％，這對(duì)GMI效應(yīng)的實(shí)用化具有重要意義。 6、通過(guò)外加線圈對(duì)樣品施加一個(gè)縱向直流偏置磁場(chǎng)可在NiFe/Cu/NiFe多層膜樣品中觀察到非對(duì)稱巨磁阻抗效應(yīng)，這對(duì)于提高巨磁阻抗效應(yīng)傳感器在零場(chǎng)附近的靈敏度和線性度具有重要價(jià)值，但偏置磁場(chǎng)并不是越大越好，在低場(chǎng)下可以觀察到明顯的非對(duì)稱GMI（AGMI）效應(yīng)，而高的偏置磁場(chǎng)則大大削弱了樣品的GMI效應(yīng)。 7、研究