馬 云， 葉慧群， 李文忠， 金林楓， 嚴維燕， 范曉珍， 方允樟

(浙江師范大學 數(shù)理與信息工程學院,浙江 金華 321004)

Fe76Si7.6B9.5P5C1.9合金帶的縱向巨磁阻抗效應(yīng)*

馬 云， 葉慧群， 李文忠， 金林楓， 嚴維燕， 范曉珍， 方允樟

(浙江師范大學 數(shù)理與信息工程學院,浙江 金華 321004)

利用單輥快淬法制備寬0.35 mm，厚0.033 mm的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶薄帶,具有明顯的縱向巨磁阻抗效應(yīng)，最大磁阻比達到754%.氮氣保護條件下進行熱處理的樣品，最大阻抗比和靈敏度都有明顯提高，440 ℃退火1 h的樣品最大阻抗比達到 1 196%，靈敏度為715%/(A5m-1).

縱向驅(qū)動；非晶組分；非晶薄帶；溫度退火

0 引 言

巨磁阻抗由于其在傳感器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，自1992年被Mohri等[1]發(fā)現(xiàn)以來一直受到關(guān)注.由于巨磁阻抗效應(yīng)與趨膚效應(yīng)有關(guān)，即與材料的磁導率有關(guān)，這就使得具有優(yōu)異軟磁性能的Fe基非晶材料成為首選.在傳統(tǒng)的易于形成非晶的Fe基材料中，大都含有Co，Nb，Mo，Y等元素[2-7]，這些元素或是戰(zhàn)略資源元素，或是稀有元素，它們提高了原材料的成本.最近，Chuntao等[8]發(fā)現(xiàn)了不含以上元素的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9大塊非晶成分，該組分不僅具有良好的非晶形成能力，而且具有良好的軟磁性能，極大地降低了原材料的成本.然而,這種材料的巨磁阻抗效應(yīng)還未見有人研究.本課題組在該組分的鑄態(tài)樣品中發(fā)現(xiàn)了優(yōu)秀的縱向巨磁阻抗性能，通過適當?shù)臒崽幚?，該非晶組分的縱向巨磁阻抗效應(yīng)大大提高，在440 ℃退火后，最大阻抗比達到1 196%，靈敏度為715%/(A5m-1).

1 縱向巨磁阻抗產(chǎn)生的原因及測試原理

巨磁阻抗是指材料的交流阻抗隨外加磁場產(chǎn)生明顯變化的現(xiàn)象.當合金薄帶的長l，寬b，厚d滿足l?b?d時，由麥克斯韋方程可以得出在交流場下樣品的阻抗值Z[9]可表示為

圖1 縱向巨磁阻抗的測量原理

本文重點研究了Fe76Si7.6B9.5P5C1.9的縱向(合金帶的長軸方向)巨磁阻抗效應(yīng)，其測試原理示意圖如圖1所示[10]，將樣品放入連接在HP4294A阻抗分析儀的螺線管中，阻抗儀為螺線管提供的正弦交流電產(chǎn)生沿合金帶軸向的交流的縱向驅(qū)動磁場，同時阻抗儀也測量螺線管兩端的阻抗值.圖1中的直流電源則連接在一對Helmholz線圈A,B上，為樣品提供外加磁場，改變直流電流的大小就可以得到不同大小的外加磁場，從而測得不同外加磁場下的阻抗值.

2 實 驗

用單輥快淬法噴制寬0.35 mm，厚0.033 mm的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶薄帶，氮氣保護環(huán)境中，不同溫度退火1 h，隨爐冷卻到室溫.樣品的縱向阻抗值Z采用HP4294A型阻抗分析儀測得.測量時，截取長度為15 mm的薄帶，放入一個線圈內(nèi)組成一個等效的阻抗元件.用10 mA正弦交流電驅(qū)動線圈，對樣品產(chǎn)生一個縱向的驅(qū)動場.線圈為線徑0.11 mm漆包線繞制成的100匝內(nèi)直徑0.57 mm的螺線管.外加的直流磁場由Helmholz線圈提供，所有實驗數(shù)據(jù)在室溫下獲得.阻抗變化率用以下關(guān)系式得到:

圖2 合金薄帶樣品的DSC曲線

式(2)中,ZHex和ZHmax分別表示任意外加磁場和最大外加磁場下樣品的阻抗值.

3 結(jié)果與討論

圖2為該組分薄帶的DSC曲線.從DSC曲線上可以看出，Tg與Tx的差值較大，樣品具有較好的非晶形成能力.

圖3為鑄態(tài)和不同溫度退火后樣品的XRD曲線.由圖3可以看出：在溫度低于520 ℃時，樣品一直處于非晶狀態(tài)；當溫度高于520 ℃時，開始晶化，有α-Fe(Si)相長出.

圖4為樣品在不同溫度下退火1 h，測量頻率為0.3 MHz的磁阻抗變化曲線，右上角插圖為最大巨磁阻抗比隨退火溫度的變化關(guān)系.隨著退火溫度的升高，阻抗比曲線的頂端由小臺階變成尖銳的單峰形狀，這說明薄帶樣品的縱向易磁化結(jié)構(gòu)得到了提高.因為當驅(qū)動場磁化的方向與樣品的易磁化方向都是縱向的情況下,疇壁移動和磁矩轉(zhuǎn)動都對磁化有很大的貢獻,一旦同樣沿著軸向的外磁場有一個微小的變化,就會對2種運動的磁化產(chǎn)生嚴重的阻礙作用,隨著外場的增加磁導率會急劇下降,致使磁阻抗比隨外磁場表現(xiàn)為迅速下降的變化[10].由圖4插圖中的曲線可以看出，隨著退火溫度的升高，最大阻抗比先略微下降，然后增大，在440 ℃時達到最大值1 196%，即此時材料縱向易磁化結(jié)構(gòu)達到最佳值.當溫度繼續(xù)升高，阻抗比迅速下降，在485 ℃時已出現(xiàn)非對稱的現(xiàn)象[11]，到490 ℃阻抗比趨于零.與其他Fe基材料不同[12]，在納米晶形成之前樣品的阻抗比就已經(jīng)達到了最大；而當非晶開始晶化時，阻抗比已經(jīng)趨于零了.這可能與非晶本身結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)[13]，樣品的磁結(jié)構(gòu)在非晶態(tài)的情況下就發(fā)生了變化[14]，導致了阻抗比的變化.

4 結(jié) 論

通過單輥快淬法制得的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶薄帶具有良好的巨磁阻抗效應(yīng)，其最大阻抗比為754%.在氮氣保護條件下對樣品進行溫度退火，隨溫度升高，樣品最大阻抗比呈先略微下降后增大，最后迅速下降的趨勢.440 ℃退火1 h樣品阻抗比達到最大，在測量頻率為0.3 MHz時，靈敏度和最大阻抗比分別為715%/(A5m-1)和1 196%，均遠遠大于鑄態(tài)樣品.

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LongitudinallydrivenGMIeffectoftheFe76Si7.6B9.5P5C1.9alloyribbon

MA Yun, YE Huiqun, LI Wenzhong, JIN Linfeng,YAN Weiyan, FAN Xiaozhen, FANG Yunzhang

(CollegeofMathematics,PhysicsandInformationEngineering,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China)

The Fe76Si7.6B9.5P5C1.9amorphous ribbons with width of 0.35 mm and the thickness of 0.033 mm were prepared by single roller quenching method. An obvious giant magneto-impendence (GMI) effect was found in samples, with the maximum magneto-impendence ratio of 754%. While the ribbons annealed under the protection of nitrogen, the maximum magneto-impendence ratio increased. When annealed at temperature of 440 ℃ for 1 h, the maximum magneto-impendence ratio of the sample attained to 1 196%, and the sensitivity was 715/(A5m-1).

longitudinally driven; amorphous component; amorphous ribbon; temperature anneal

1001-5051(2011)01-0055-04

O482. 5

A

2010-10-19

國家自然科學基金資助項目(50871104);浙江省新苗人才計劃孵化項目(0962)

馬 云(1985-),男,湖北黃岡人,碩士研究生.研究方向:非晶軟磁材料及傳感技術(shù).

方允樟

(責任編輯 杜利民)