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      利用GM I效應(yīng)表征FeCuNbSiB薄帶的磁結(jié)構(gòu)

      2013-02-05 07:59:06范曉珍方允樟
      長春大學(xué)學(xué)報 2013年2期
      關(guān)鍵詞:薄帶張應(yīng)力非晶

      范曉珍,方允樟

      (浙江師范大學(xué) a.數(shù)理與信息工程學(xué)院;b.LED芯片研究中心,浙江 金華 321004)

      自1992年Mohri等人[1]發(fā)現(xiàn)GMI效應(yīng)以來,人們就意識到這是一種對磁結(jié)構(gòu)敏感的物理效應(yīng)。Phan等人[2]通過對FeSiBCuNb非晶帶退火溫度和GMI效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn),隨著退火溫度的變化,F(xiàn)eSiBCuNb非晶帶各向異性場的大小可由GMI曲線來確定,并且建立了材料軟磁性和GMI效應(yīng)的相互關(guān)系,提出通過GMI曲線和磁滯回線得到各向異性場大小是一致的。Ciureanu等人[3]在對高頻(10-6GHz)非晶絲GMI效應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn),根據(jù)GMI效應(yīng)曲線的峰值估算出飽和磁化強度Ms和用VSM測量的結(jié)果非常接近。用鐵磁共振(FMR)解釋的GMI理論模型中,Menard等人[4-5]推導(dǎo)出非晶絲的一些重要參數(shù),如旋磁比、各向異性場和飽和磁化強度等。

      隨著對GMI效應(yīng)機理認(rèn)識的逐步深入,越發(fā)顯現(xiàn)出將GMI效應(yīng)作為材料磁結(jié)構(gòu)研究的一種新型工具的優(yōu)越性,因而將GMI效應(yīng)作為一種磁結(jié)構(gòu)的研究工具將具有重要的研究意義。本研究小組[6]首次提出根據(jù)GMI效應(yīng)來分析磁性材料內(nèi)部磁結(jié)構(gòu),該方法主要是在建立理想化的純橫向易磁化結(jié)構(gòu)和純縱向易磁化結(jié)構(gòu)GMI效應(yīng)曲線模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)矢量正交分解原理,將磁性材料的實際易磁化矢量分解成橫向和縱向易磁化分量,采用橫向和縱向易磁化分量所對應(yīng)的GMI效應(yīng)曲線疊加的方法擬合GMI效應(yīng)曲線。根據(jù)擬合得到的解疊子譜特征,獲知材料內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)組成及各組成部分的特征參量。本文主要介紹了利用GMI效應(yīng)分析材料磁結(jié)構(gòu)的方法并結(jié)合磁力顯微鏡法(簡稱MFM法)來分析540℃不同應(yīng)力退火下Fe基合金薄帶的內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)組成。

      1 FeCuNbSiB薄帶540℃不同應(yīng)力退火實驗制備方法和GMI效應(yīng)

      1.1 FeCuNbSiB薄帶540℃應(yīng)力退火實驗制備方法

      Fe基非晶合金經(jīng)過單輥快淬法得到寬度為1±0.1mm、厚度為28±1μm的薄帶后,截取20cm對其進(jìn)行退火處理。將截取好的20cm的Fe基非晶薄帶,用自制的應(yīng)力退火裝置,薄帶的一端用夾具夾住固定在樣品架上,另一頭用夾具將其和鐵絲的一頭同時夾住,而鐵絲的另一頭懸掛砝碼,從而使薄帶受到沿軸向的張應(yīng)力作用。然后將裝有非晶帶的應(yīng)力退火裝置放入退火爐的恒溫區(qū)中,抽真空然后用氮氣將退火爐洗氣三次。最后在流量為0.08m3/h、氣壓為0.04MPa氮氣保護(hù)下,由熱電偶采樣的自動控溫儀控制溫度,以固定的升溫時間(120分鐘)升至540℃,再保溫60分鐘,張應(yīng)力大小可以通過所加砝碼的重量進(jìn)行調(diào)節(jié)。外加張應(yīng)力σ大小為:

      m為所加砝碼的質(zhì)量,d為薄帶的寬度,h為薄帶的厚度。

      1.2 FeCuNbSiB薄帶540℃不同應(yīng)力退火下的GMI效應(yīng)

      圖1是Fe基合金薄帶在540℃退火溫度下分別加0MPa、171MPa、356MPa、570MPa張應(yīng)力的GMI曲線,驅(qū)動頻率為400kHz。從圖中可得,不加應(yīng)力時,GMI比值達(dá)最大,隨著張應(yīng)力的增大,GMI比值減小,橫向各向異性場增大,到570MPa出現(xiàn)了明顯的“平臺”。

      圖1 Fe基非晶帶540℃不同張應(yīng)力退火的GMI效應(yīng)曲線

      2 FeCuNbSiB薄帶540℃不同應(yīng)力退火的MFM分析

      圖2a所示為Fe基納米晶薄帶540℃不加應(yīng)力的斷口MFM磁力顯微圖,由微小的、易磁化方向隨機分布的疇組成;圖2b為加了171MPa樣品的磁力顯微圖,由圖可知,出現(xiàn)了顆粒單疇,并出現(xiàn)片狀疇;圖2c為加了356MPa樣品的磁力顯微圖,與前兩者相比較,發(fā)現(xiàn)片狀疇的長度和寬度都增大,并有少量的顆粒單疇;圖2d為加了570MPa樣品的MFM磁力顯微圖,發(fā)現(xiàn)顆粒單疇減少,且形成的片狀疇變得更長、更寬。因為MFM是根據(jù)樣品的表面形貌進(jìn)行二次掃描而得到磁疇結(jié)構(gòu)信息,所以樣品的內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)還是無從得知。

      圖2 張應(yīng)力退火Fe基合金薄帶斷口的MFM磁力圖

      3 FeCuNbSiB薄帶540℃不同應(yīng)力退火的GMI曲線磁結(jié)構(gòu)分析

      根據(jù)本小組提出的用GMI曲線來表征材料磁結(jié)構(gòu)的方法[6]對Fe合金薄帶540℃加不同應(yīng)力的磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,而此方法具體建模過程及擬合各特征參量物理意義這里不再贅述。對Fe合金薄帶540℃不同應(yīng)力退火的GMI曲線進(jìn)行擬合分析,圖3和圖4分別為Fe合金薄帶540℃不加應(yīng)力退火和加570MPa的GMI實驗曲線和擬合曲線對比圖及擬合解疊圖。

      表1是對圖1的Fe基合金薄帶的GMI實驗曲線進(jìn)行擬合后的得到的特征參量值。根據(jù)本小組[6]所定義的各擬合特征參量的物理意義,從表1可得,F(xiàn)e基合金薄帶在540℃分別加0MPa、171MPa、356MPa、570MPa時,隨著應(yīng)力的增大,橫向易磁化分量1和橫向易磁化分量2的整齊度增大;橫向易磁化分量1和橫向易磁化分量2對應(yīng)的巨磁阻抗比值下降;橫向易磁化分量1和橫向易磁化分量2的各向異性場增大;縱向易磁化結(jié)構(gòu)對應(yīng)的巨磁阻抗比值逐漸減小;縱向易磁化結(jié)構(gòu)的整齊度卻增大。

      圖3 不加應(yīng)力的GMI實驗曲線和擬合曲線對比圖及擬合解疊圖

      圖4 加570MPa應(yīng)力的LDGMI實驗曲線和擬合曲線對比圖及擬合解疊圖

      表1 Fe基合金薄帶540℃不同張應(yīng)力退火的磁結(jié)構(gòu)擬合的各特征參量值

      圖5的P1對應(yīng)于橫向易磁化分量1所占比例,P2對應(yīng)于橫向易磁化分量2所占比例,PL對應(yīng)于縱向易磁化結(jié)構(gòu)所占比例。把P1定義為材料的橫向易磁化結(jié)構(gòu)比例,P2定義為形狀各向異性比例,PL為縱向易磁化結(jié)構(gòu)比例,可見,隨著應(yīng)力的增加,橫向易磁化結(jié)構(gòu)接近線性增大,從49%增大到70%,形狀各向異性略微增大,基本不變(22%-23%),而縱向易磁化結(jié)構(gòu)接近線性減小,從29%減小到7%。Kraus等人的研究表明[7],540℃張應(yīng)力退火的Fe基納米晶薄帶中能感生出橫向的易磁化結(jié)構(gòu),并且隨張應(yīng)力的增大,橫向的易磁化結(jié)構(gòu)越明顯,使得縱向(沿薄帶軸向)為難磁化方向,因此薄帶在縱向驅(qū)動方式下的GMI效應(yīng)隨張應(yīng)力的增大而明顯減小。這說明通過用GMI效應(yīng)表征磁結(jié)構(gòu)的方法和實驗結(jié)果一致,且可得到各特征參量值,如可得到隨著應(yīng)力的增加,橫向易磁化結(jié)構(gòu)的各向異性場Hk1從110A/m增大到735A/m如圖6所示,發(fā)現(xiàn)隨著張應(yīng)力的增加,Hk1幾乎是線性增加的,這和張建強等人[8]研究的全程張應(yīng)力退火感生的橫向磁各向異性場跟軸向應(yīng)變之間是線性相關(guān)的結(jié)論對應(yīng);還可得形狀各向異性場Hk2從108 A/m變化到650 A/m等特征參量。

      圖5 特征參量P1、P2、PL隨張應(yīng)力變化關(guān)系圖

      圖6 特征參量HK1隨張應(yīng)力變化關(guān)系圖

      4 結(jié)論

      利用GMI效應(yīng)來表征FeCuNbSiB薄帶540℃加不同張應(yīng)力退火的磁結(jié)構(gòu),并結(jié)合MFM觀測法,得到該樣品具有橫向易磁化結(jié)構(gòu)和縱向易磁化結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu),隨著應(yīng)力的增大,橫向各向異性場呈線性增大,這和前人所研究的結(jié)果相一致;另外可得到目前儀器所無法得到的信息:隨著應(yīng)力的增大,橫向易磁化結(jié)構(gòu)分量的整齊度也逐漸增大,橫向易磁化結(jié)構(gòu)分量所對應(yīng)的巨磁阻抗比值逐漸減小;形狀各向異性分量的整齊度逐漸增大,形狀各向異性分量所對應(yīng)的的巨磁阻抗比值逐漸減小;縱向易磁化結(jié)構(gòu)分量的整齊度逐漸增大,縱向易磁化結(jié)構(gòu)分量所對應(yīng)的巨磁阻抗比值逐漸減小。所以該方法也是對傳統(tǒng)磁結(jié)構(gòu)表征方法的一個有益補充。

      [1] K Mohri,T Kohzawa,K Kawashima,et al.Magneto-induced effect in amorphouswires[J].IEEE Trans Magn,1992(28):3150.

      [2] Phan MH,Peng HX,Wisnom MR,et al.Effect of annealing on the microstructure and magnetic properties of Fe-based nanocompositematerials[J].Composites:Part A,2006(37):191-196.

      [3] Ciureanu P,Britel D,et al.High frequency behavior of softmagnetic wires using the giantmagnetoimpedance effect[J].Appl Phys,1998(83):6563-6565.

      [4] Menard D,Britel M,Ciureanu P,et al.Giantmagne to impedance in a cylindricalmagnetic conductor[J].Appl Phys,1998(84):2805-2814.

      [5] Menard D,Melo LGC,Brittel MR,et al.Modeling the magnetoimpedance in anisotropic wires[J].Appl Phys,2000(87):4801-4803.

      [6] 方允樟,范曉珍.基于巨磁阻抗效應(yīng)表征材料磁結(jié)構(gòu)的模型[J].浙江師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,34(1):1-5.

      [7] Kraus L,Zaveta K,Heezko O,etal.Magnetic anisotropy in as-quenched and stress-annealed amorphous and nanoerystalline Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9alloy[J].Magn Magn Mater,1992,112(l-3):275-277.

      [8] 張建強.應(yīng)力感生磁各向異性的介觀機理研究[D].金華:浙江師范大學(xué),2010.

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