CoNi鍍層長度對軟/硬磁微絲微波磁性的影響

田 斌，夏 航

武漢工程大學 電氣信息學院，湖北 武漢 430205

巨磁阻抗效應（giantm agnetoimpedance effect，GMI）是指軟磁材料的交流阻抗隨外加磁場變化而發生顯著變化的效應。GMI 效應的產生原因主要是由于其具有特殊的竹節狀磁疇結構。采用熔融拉絲法制備玻璃包覆合金微絲過程中，進行快速淬火處理時，合金微絲的表面先于中心部分凝結，在圓周方向形成壓縮應力，中心部分受牽引力的作用形成軸向張力。在淬火殘余內應力和退磁能的共同作用下，合金微絲內部形成特有的核～殼（core～shell）磁疇結構，也就是所謂的竹節狀磁疇結構。由于玻璃包覆合金微絲具有靈敏度高、快速響應、非接觸、適合低溫等諸多優點，很適合將其應用到弱磁傳感器的研制上，受到各相關領域學者的極大關注［1-3］。

當玻璃包覆合金微絲接入電路后，由于驅動電流頻率過高，電路會存在電感和電容效應。因此，有研究者會在元件兩端接入電容和電感，使合金微絲在LC 共振條件下工作，進而顯著提高軟磁材料的巨磁阻抗效應。 但是，人為接入電容影響了元件的小型化，電極和接地形成的雜散電容又影響了元件的抗干擾性［4-6］。

本文在玻璃包覆合金微絲的玻璃外層，利用磁控濺射方法濺射一層非磁性黃金層，然后在黃金層外電鍍一層CoNi 硬磁層。通過控制CoNi 鍍層的長度，一方面讓CoNi 鍍層和合金微絲之間構成不同參數的圓柱形電容，改變LC 共振參數，探討LC 共振對微波段復合結構微絲的巨磁阻抗效應的影響；另一方面探討了CoNi 鍍層的長度對復合微絲磁特性的影響［7-9］。

1 實驗部分

使用熔融拉絲法制備了具有零磁致伸縮系數的Co59.1Fe14.8Si10.2B15.9玻璃包覆非晶合金微絲，其中，微絲內徑為12 μm，總直徑為25 μm。然后，在玻璃包覆層外用磁控濺射的方法濺射厚度約為300 nm 的黃金層。利用電流密度為12 mA/cm2的電流在黃金鍍層上電鍍Co90Ni10的鍍層，通過控制電鍍時間，控制CoNi 鍍層的厚度，制備出CoNi 鍍層厚度為5 μm，總直徑為35 μm 的樣品。截取不同的樣品部位，制備CoNi鍍層長度L=2，3，4，5 mm，總長度為5 mm 的GCM/CoNi 微絲。圖1 所示為GCM/CoNi微絲結構圖［10-12］。

圖1 GCM/CoNi微絲結構圖Fig.1 Structure diagram of GCM/CoNi microwire

樣品電阻譜是在矢量網絡分析儀（Agilent，model E8362B）中進行測量，測量頻率為0.1～14 GHz。測量阻抗過程中，外加靜磁場Ha由亥姆赫茲線圈產生，外加靜磁場磁場強度范圍為0～160 kA/m，外加靜磁場沿著微絲軸向方向［13］。

為了研究雙相磁性微絲的高頻特性，用刀片刮去樣品其中一端的玻璃層、黃金鍍層，用導電銀膠接入電路，樣品另外一端，用導電銀膠直接連接CoNi鍍層進入電路，稱之為核殼連接（CS）。

2 結果與討論

2.1 巨磁阻抗效應

巨磁阻抗MI由公式（1）計算［14］：

從GCM/CoNi 微絲的阻抗譜可以計算出不同CoNi 鍍層長度下的MI 譜，不同CoNi 鍍層長度L=2，3，4，5 mm 樣品的MI 譜的最大值分別出現頻率f=4.2，2.8，2.5，1.6 GHz 處。可 以 明 顯 看 出，在CoNi 鍍層和合金微絲之間構成的圓柱形電容，隨著CoNi長度的增加，電容值增加，改變了LC共振的條件，MI最大值對應的頻率逐漸向低頻段移動［15-17］。

圖2 顯示的是GCM/CoNi 微絲頻率f=4.2，2.8，2.5，1.6 GHz 時候的巨磁阻抗曲線。從圖2 中可以看出，MI 最大值比較接近，均為300%～325%之間。但是，CoNi 鍍層長度為5 mm 樣品的MI 最大值出現在外加磁場為0 kA/m 處，隨著CoNi 鍍層長度的減小，MI 最大值開始向高外磁場移動，當Co-Ni鍍層長度為2 mm 時，MI 的最大值出現在外加磁場為15 kA/m 處。

圖2 不同CoNi鍍層長度下GCM/CoNi微絲分別在4.2，2.8，2.5，1.6 GHz 處的MI曲線Fig.2 MI curves of GCM /CoNi microwires with different CoNi lengths at 4.2，2.8，2.5 and 1.6 GHz

這是因為隨著CoNi 鍍層長度的增加，合金微絲在CoNi鍍層退磁能的作用下。軸向磁疇體積增加，環向磁疇體積減小，軸向各向異性場增強。此時，磁矩在軸向磁場的作用下，很難發生環向偏轉，磁損耗的峰值出現在外加磁場為0 kA/m 處。當CoNi 鍍層長度為2 mm 時，此時，環向磁疇體積最大，隨著外加磁場增強，磁矩開始由環向逐漸向軸向偏轉，當外加磁場接近環向各向異性場的時候，磁損耗出現峰值，同樣的MI 出現峰值，MI 峰值對應的外加磁場為15 kA/m 處。因此，隨著CoNi鍍層長度的減小，MI 峰值所對應的外加磁場也逐漸由0 kA/m 增加到15 kA/m。

2.2 鐵磁共振

圖3（a）（b）（c）（d）分別顯示的是CoNi 鍍層長度L=2，3，4，5 mm 的電阻譜。從圖中可以看出，當CoNi 鍍層長度為2 mm 時，電阻譜只有1 個峰FMR0，FMR0 是由于復合結構微絲的鐵磁共振引起的。隨著CoNi 鍍層長度的增加，電阻譜逐漸出現兩個峰FMR0 和FMR1。因此，隨著CoNi 鍍層長度的增加，CoNi 鍍層和合金微絲構成的圓柱形電容值逐漸增加，LC 共振現象逐漸增強，導致FMR1峰出現。

其次，FMR0 峰值隨著CoNi 鍍層長度的增加，在高頻段，樣品的阻值逐漸減小。鐵磁共振的主要損耗是磁矩在一定偏轉角度下進行運動引起的。由于CoNi鍍層長度的增加，環向磁疇體積減小，磁矩由軸向向環向偏轉較難，大部分磁矩偏離共振位置，只有小部分磁矩處于共振位置，導致損耗下降。

在微波條件下，由于趨膚效應，導致電流主要分布在合金微絲的表面，趨膚深度遠遠小于合金微絲的直徑，使得鐵磁共振現象發生時，合金微絲的鐵磁共振效應可以等效于薄膜的鐵磁共振現象。因此，對于薄膜的Kittel 的共振條件也同樣適用在此處，用來分析和解釋合金微絲的鐵磁共振現象［18-20］。Kittel公式如式（2）：

其中，fr-鐵磁共振頻率，γ-旋磁比，Ms-飽和磁化強度，Hk-各向異性場。通過公式（2）可以發現，由于等效磁場H 等于外加磁場Ha和各向異性場Hk的和，而且外加磁場遠遠大于各向異性場Hk。因此，用外加磁場Ha代替H+Hk，公式（2）可以進一步簡化為公式（3）：

則當鐵磁共振發生時，通過合金微絲的電流頻率的平方與外加磁場近似具有線性關系。根據實驗結果分析，可以估算出合金微絲的飽和磁化強度4πMs 約為12 Gs。

圖4 鐵磁共振峰值點頻率平方和外加磁場關系曲線Fig.4 Relationship curves between square of peak frequency of ferromagnetic resonance and applied magnetic field

3 結 論

通過測量GCM/CoNi 核殼連接方式下的樣品的阻抗值，分析發現：

1）通過增加復合結構微絲的CoNi 鍍層長度，可以增加復合結構微絲等效電路的電容值，進而改變復合微絲的LC 共振條件，導致MI 最大值所對應的頻率從低頻向高頻段移動。

2）通過分析樣品的MI 曲線，發現CoNi 鍍層長度的增加，削弱了環向各向異性場，導致MI 曲線的峰值對應的外場逐漸向低場移動。

3）通過分析樣品的鐵磁共振，發現CoNi 鍍層長度的增加，增強了軸向各向異性場，導致鐵磁共振損耗被削弱。