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   摘要：研究了非晶FeSiB/Cu/FeSiB夾心薄膜在100kHz～40MHz范圍內(nèi)的巨磁阻抗效應(yīng)(其大小用磁阻抗比表示).當(dāng)磁場(chǎng)和交流電流沿薄膜的縱向時(shí)，磁阻抗比隨磁場(chǎng)的增大而增強(qiáng)，在磁場(chǎng)約1600A/m下達(dá)到最大值，然后隨磁場(chǎng)的增大而下降到負(fù)的磁阻抗比。在頻率3MHz、磁場(chǎng)1600A/m時(shí)磁阻抗比達(dá)到最大值17.2％。磁阻抗比的最大值及負(fù)的磁阻抗比與夾心薄膜中磁各向異性軸的取向有關(guān)。另外，當(dāng)磁場(chǎng)施加在薄膜的橫向時(shí)，薄膜表現(xiàn)出負(fù)的磁阻抗比．在頻率3MHz、磁場(chǎng)5600A/m時(shí)，磁阻抗比達(dá)-13.4％。    關(guān)鍵詞    FeSiB/Cu/FeSiB夾心薄膜 巨磁阻抗效應(yīng) 磁各向異性一、引言    巨磁阻抗(Giant magnetoimpedance,GMI)效應(yīng)是指非晶絲中通過(guò)交流電流時(shí)，頻率從lkHz到幾MHz范圍內(nèi),在一小的直流磁場(chǎng)作用下，材料的交流阻抗隨外加磁場(chǎng)的變化而靈敏變化的現(xiàn)象。這一效應(yīng)最早是由Mohri等1于1992年在CoFeSiB非晶絲中發(fā)現(xiàn)的，其后發(fā)展到Fe基非晶絲和薄帶，現(xiàn)在已擴(kuò)展到夾心薄膜中。已經(jīng)探明，非晶絲和薄帶中巨磁阻抗效應(yīng)的來(lái)源歸于某些特殊的磁疇結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的趨膚效應(yīng)。在膜厚為1～4μm的單層鐵磁薄膜中，出現(xiàn)大巨磁阻抗效應(yīng)的頻率在80MHz以上(2,3)，這時(shí)趨膚效應(yīng)非常強(qiáng)烈。夾心薄膜中的巨磁阻抗效應(yīng)也有報(bào)道(4,7)，其出現(xiàn)大巨磁阻抗效應(yīng)的頻率低于20MHz，且遠(yuǎn)大于單層膜中的巨磁阻抗效應(yīng)。然而，夾心薄膜中巨磁阻抗效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理仍不十分清楚。實(shí)驗(yàn)表明，夾心薄膜中的巨磁阻抗效應(yīng)與夾心薄膜的磁結(jié)構(gòu)、薄膜的尺寸等有很大的關(guān)系。目前報(bào)道的夾心薄膜中，鐵磁層通常為磁致伸縮系數(shù)為零的軟磁薄膜，這里報(bào)道了由具有正磁致伸縮系數(shù)的非晶FeSiB薄膜構(gòu)成的FeSiB/Cu/FeSiB多層中的巨磁阻抗效應(yīng)。二、實(shí)驗(yàn)    首先采用磁控濺射方法在玻璃基片上研究了FeSiB薄膜的最佳制備條件，合金靶的成分為Fe77.5Si7.5B15.開始濺射之前，基底真空為8×10-7Torr，最佳制備條件：濺射Ar氣壓為5×10-2Torr和濺射功率為600w，且在濺射過(guò)程中沿薄膜的橫向施加約16kA/m的磁場(chǎng)。由此制備的大塊尺寸(26mm×72mm)FeSiB薄膜具有橫向單軸磁各向異性。在大塊FesiB薄膜的最佳制備條件下，采用金屬掩膜方法制備FeSiB/Cu/FeSiB夾心薄膜.首先采用金屬掩膜在玻璃上制備第一層FeSiB薄膜，然后采用另一金屬掩膜制備Cu薄膜，其次采用金屬掩膜制備第三層FeSiB薄膜。夾心薄膜是由一帶有兩擴(kuò)展電極引線的Cu層和外面包圍的FeSiB薄膜構(gòu)成的.Cu層的長(zhǎng)度和寬度分別為28mm和0.8mm，厚度為2μm。FeSiB薄膜的尺寸為22mm×3mm×1.8mm。采用電感耦合等離子體(inductively coupled plasma，ICP)對(duì)薄膜的成分進(jìn)行分析，測(cè)試結(jié)果與合金靶的成分趨于一致.采用HP4194A阻抗相位分析儀測(cè)量夾心薄膜的磁阻抗，交流電流的幅值恒定為10mA，頻率為100kHz～40MHz。在阻抗測(cè)量過(guò)程中，薄膜的縱向與地磁場(chǎng)垂直，沿薄膜的縱向或橫向施加一直流磁場(chǎng)，分別測(cè)試縱向和橫向磁阻抗。磁阻抗效應(yīng)大小(MI比)定義為：【Z(H)一Z(0)】/Z(0)，其中【Z(H)和Z(0)】分別為在外加磁場(chǎng)下和未加磁場(chǎng)的磁阻抗。磁阻抗比可為正值或負(fù)值，正負(fù)值是指在外加磁場(chǎng)下，夾心薄膜的磁阻抗大于或小于無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的阻抗。    采用LDJ Model-10000B—H回線儀測(cè)量FeSiB薄膜的軟磁磁性。FeSiB薄膜的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的約1.5T，是用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)VSM測(cè)量的。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論    圖1給出了大塊FeSiB薄膜的橫向和縱向的磁滯回線?？梢钥闯?，大塊FeSiB薄膜具有明顯的磁各向異性，薄膜的易軸沿FeSiB薄膜的橫向。易軸和難軸的矯頑力分別為56A/m和40A/m。由于B-H回線儀的分辨率有限，無(wú)法準(zhǔn)確給出夾心薄膜FeSib/Cu/FeSiB的磁滯回線。    圖2示出了不同頻率下FeSiB/Cu/FeSiB夾心薄膜中巨磁阻抗效應(yīng)與外加磁場(chǎng)Ha之間的關(guān)系。其中磁場(chǎng)和交流電流均沿薄膜的縱向。由圖可以看出，曲線關(guān)于Ha=0對(duì)稱，在磁場(chǎng)約+1600A/m和-1600A/m附近出現(xiàn)峰值，是典型的縱向巨磁阻抗效應(yīng)特征譜，這可由旋轉(zhuǎn)磁化模型來(lái)解釋掰。由經(jīng)典的電磁學(xué)理論可知，高頻電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)由于趨膚效應(yīng)而主要集中在表面，電流密度向?qū)w內(nèi)部呈指數(shù)衰減，趨膚深度為δ=(p/π+μ)1/2，因?qū)w的阻抗與趨膚深度有關(guān)，因而阻抗強(qiáng)烈依賴于電流頻率f、有效磁導(dǎo)率?的變化。對(duì)于具有橫向磁各向異性的鐵磁薄膜，交流磁導(dǎo)率將隨外加磁場(chǎng)的增大而增大，當(dāng)磁場(chǎng)Ha=Hk(等效磁各向異性場(chǎng))時(shí)磁導(dǎo)率達(dá)到最大值，然后又隨磁場(chǎng)的增大而下降，這是縱向巨磁阻抗效應(yīng)的來(lái)源。      由圖2可看出，在不同的頻率下，磁阻抗比首先隨磁場(chǎng)的增大而增大，在某一磁場(chǎng)HP下磁阻抗比達(dá)到正的最大值，然后又隨磁場(chǎng)的增大而下降，在磁場(chǎng)較大時(shí)磁阻抗比為負(fù)值。例如在頻率3MHz和磁場(chǎng)1600A/m下，磁阻抗比的最大值為17.2％，為各頻率中的最高者。在頻率5MHz、磁場(chǎng)相對(duì)較大時(shí)，夾心薄膜中存在較大的負(fù)磁阻抗比；例如在Ha=9600A／m時(shí)，磁阻抗比為-9％。另外，還可以看出，對(duì)于不同的頻率，出現(xiàn)磁阻抗比最大值的磁場(chǎng)HP(主要由磁各向異性場(chǎng)決定)也不同。在10MHz以下HP約1600A/m，在15和20MHz時(shí)HP約2000A/m，當(dāng)頻率大于30MHz時(shí)HP約2400A/m，遠(yuǎn)大于磁致伸縮系數(shù)近為零的薄膜的HP。理想情況下，如果軟磁薄膜具有很好的橫向單軸磁各向異性，在不同的頻率下出現(xiàn)磁阻抗比最大值的磁場(chǎng)是相同的，近似等于磁各向異性場(chǎng)。而在FeSiB/Cu/FeSiB夾心薄膜中，不同頻率下出現(xiàn)磁阻抗比最大值的磁場(chǎng)HP不同及在磁場(chǎng)較大時(shí)存在負(fù)的磁阻抗比，這意味著夾心薄膜的軟磁性能并不理想，或者說(shuō)夾心薄膜的易軸并沒(méi)有完全沿薄膜的橫向。在早期發(fā)表的文章中【3】，如果磁阻抗比采用本文的定義，則磁阻抗比的最大值通常為正值，且遠(yuǎn)大于負(fù)的磁阻抗比。磁場(chǎng)較大時(shí)樣品中存在較大的負(fù)磁阻抗比，可能與FeSiB薄膜中易軸的取向，即易軸偏離薄膜橫向的角度有關(guān)。(待續(xù))