非晶微丝磁畴调控与巨磁阻抗效应相关性9787502495732

1  绪论

  1.1  本书背景及研究目的和意义

  1.2  非晶微丝的GMI效应

  1.3  非晶微丝的磁畴结构

  1.4  非晶微丝磁畴结构与GMI效应的相关性

  1.5  本书主要研究内容

2  实验材料及研究方法

  2.1  实验材料及制备方法

  2.2  组织结构表征

  2.3  电化学处理分析

  2.4  磁性能分析

3  应力对微丝磁畴结构与GMI性能的影响

  3.1  引言

  3.2  拉应力下GMI性能和磁畴结构

  3.3  扭转应力作用对微丝GMI性能和磁畴结构的影响

  3.4  冷拔对微丝GMI性能和磁性能的影响

  3.5  机械抛光对微丝畴结构的影响

  3.6  本章小结

4  电化学作用对微丝磁畴结构与GMI性能的影响

  4.1  引言

  4.2  等间距电镀Ni对微丝磁畴结构与GMI效应的影响

  4.3  螺旋微电镀Ni对微丝磁畴与GMI效应的影响

  4.4  电解抛光对微丝磁畴与GMI效应的影响

  4.5  本章小结

5  微丝磁畴结构调制及其与GMI性能的关系

  5.1  引言

  5.2  直流焦耳与抛光调制微丝磁畴结构与GMI性能

  5.3  阶梯式焦耳(SJA)调制微丝畴结构与GMI性能

  5.4  低温焦耳热(CJA)调制微丝畴结构与GMI性能

  5.5  熔体抽拉Co基非晶微丝磁畴结构与GMI性能的对应关系

  5.6  本章小结

1绪论

1.1 本书背景及研究目的和意义

磁性微丝也称为“磁性微米线”，非晶微丝可应用在很多领域，其软磁性能的优越性，以及对外磁场的敏感度，使其在传感器、地磁导航、电磁屏蔽、磁记录等多方面得到实际应用（1-3]。传感器应用方面，磁性微丝由于具有独特的巨磁阻抗(giant magneto-impedance，GMI）效应而受到国际学术界广泛的关注。所谓巨磁阻抗效应是指磁性材料的交流阻抗随着外加磁场的微小变化而发生显著改变的现象[1]。这一现象最早由日本名古屋大学的K.Mohri教授等于1992年在CoFeSiB软磁非晶丝中发现。此后，人们在非晶薄膜、玻璃包裹非晶丝、纳米晶合金带材料中相继发现了巨磁阻抗效应[45]。基于巨磁阻抗效应的GMI传感器作为新一代传感器的代表，与霍尔（Hall）传感器、磁通门（fluxgate）磁力计、超导量子干涉仪（SQUIDs）、巨磁电阻（GMR）传感器等相比，具有微型化、灵敏度高、响应能力和抗干扰能力强、功耗低、性能稳定等诸多优点，在地磁导航、微磁探测等国防领域表现出强大的技术优势和竞争能力6-7]。

目前，GMI传感器和基于GMI效应的巨应力传感器（GSI）的开发已成为研究的热点问题，并在自行火炮、导弹等军事背景上逐渐扩大其应用范围[89]。与非晶薄带、磁性薄膜、纳米晶微丝、电沉积复合丝相比[10-13]，磁性微米丝不但具有长程无序的非晶态结构，同时具有良好的几何对称性、较小的磁滞损耗和矫顽力、负或近零磁致伸缩系数、高的磁导率等优点，是更适于GMI传感器用的新型磁敏感材料[14-16]。

GMI效应通常会受到材料化学成分、几何形状（直径、长度）、测量参数（激励电流幅值、频率、外磁场）、应力状态、环境温度等诸多因素的影响，但最关键的因素还是在于磁性微米丝磁畴结构的分布（1]。现有研究表明：巨磁阻抗效应的产生与丝材趋肤效应密切相关，磁畴结构和磁各向异性是决定非晶丝GMI性能优劣的根本原因（17-18)。Chizhik等人较早地利用磁光克尔效应观察并证实了Co-Fe基非晶丝特殊“芯-壳”磁畴结构的存在（18]，即壳层部分易磁化方向为沿圆周方向，芯部易磁化方向为丝材轴向。通过外加环向磁场沿易磁化方向调控磁畴的分布，可有效调整表面环向磁畴的形核与转动，进而改善GMI效应。因此环向分布的磁畴结构有利于获得优异GMI效应的观点，目前在业界获得了较为广泛的认同（1）。

欲使丝材具有表面环向分布的磁畴结构，须通过一定的调制处理方法对微米丝磁畴结构加以调控。最近几年，国际上多个研究团队对熔体抽拉丝、玻璃包裹丝等进行了多种形式热处理调制工艺（真空退火、磁场退火、电流退火、应力退火、激光退火等）的探索性研究（1.9），获得了大量有价值的研究结果。经过适当调制处理后的微丝，在付诸GMI效应传感器应用之前，应有效解决诸如GMI效

应的温度特性、GMI效应输出信号稳定性、微丝连接与封装方法、CMI传感器探头特征等方面的问题，这些也属此领域当前的研究热点问题。

总之，作为微磁传感器应用的高性能敏感材料，磁性微米丝已经显示了非常好的应用潜力，但仍存在基础理论上的盲区和技术上的瓶颈。就该技术领域总体框架而言，关于磁性微丝的调制处理、磁畴的结构特征及GMI效应的改善途径等问题，当属此领域的核心内容。围绕这3个方面尽管已经取得了前述的许多重要结果，但还有一些基本问题和事实仍有待于进一步研究和澄清。这些问题包括：（1)关于磁性微丝的GMI效应调制机制。各种磁性微丝，不论是来自内旋水纺法、玻璃包覆法，还是熔体抽拉法，其制备态丝材均须经一定的调制处理以改善其磁学性能，特别是GMI特性，才能满足磁敏传感器的需求。但迄今为止，关于各种调制方法是通过怎样的“调制机制”才形成优异的GMI特性方面，一直缺乏清晰合理的解释。如目前多数学者认同“环向分布的磁畴有利于获得优异的GMI效应”的观点，然而在众多的单一或复合调制处理方法中，各种因素究竟怎样起作用而促进环向磁畴的形成并改善GMI效应的，目前还难以说清楚。

揭示这一机制，不仅有利于深入理解GMI效应的形成本质，更可以在应用层面上对调制方法的优化和新型调制方法的引入起指导作用。现有的调制方法中，电流退火被认为是最适合于磁性非晶丝的处理方式之一（20）。因电流会产生环向磁场，而微丝表面又具有环向的磁畴分布，因此这种环向磁畴结构似乎应该是来自电流产生的环向电磁场的作用，显然该理论需要实验来验证。磁力显微镜测试结果已经显示，即使制备态的微丝，也存在类似环向分布的磁畴结构，如图1-1(a）所示。经过电流退火处理，环向磁畴结构发生了“条纹密度”“宽窄”等方面的改变，如图1-1（b)（(c)所示。因此，环向磁畴结构是完全来自电流退火处理，还是兼有其他因素影响，例如包括微丝几何形状方面的影响等，这是值得深入研究的“调制机制”相关问题。