結(jié)合自旋設(shè)備利用磁控濺射制備了Ni₈₀Fe₂₀/SiO₂/Cu 復(fù)合結(jié)構(gòu)絲，固定Cu 絲直徑為60 微米，SiO₂厚度為3.75 微米，通過控制濺射時間改變鐵磁層厚度。研究了厚度對材料磁阻抗效應(yīng)等磁性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)Ni₈₀Fe₂₀ 厚度為 2.55 微米時，復(fù)合結(jié)構(gòu)絲對外場靈敏度可達121%/Oe。

一、引言

　　巨磁阻抗(GMI)效應(yīng)是指鐵磁材料的交流阻抗在外加直流磁場的作用下會發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。自1992 年由日本科學(xué)家Mohri 等在Co基非晶絲中發(fā)現(xiàn)以來，在物理機理上和實際應(yīng)用上都引起人們極大的關(guān)注。由于GMI 效應(yīng)具有靈敏度高，響應(yīng)快，飽和磁場低等優(yōu)點，使得GMI效應(yīng)在磁傳感器上有很好的應(yīng)用前景。

　　近年來，人們不僅在不同軟磁材料組成的勻質(zhì)絲、條帶、薄膜發(fā)現(xiàn)較大的GMI 效應(yīng)外，還在復(fù)合結(jié)構(gòu)絲和三明治薄膜中觀察到GMI 效應(yīng)。與勻質(zhì)材料相比，復(fù)合結(jié)構(gòu)材料中的GMI 效應(yīng)表現(xiàn)出兩個主要特點：第一是GMI 效應(yīng)顯著增強；另外就是在比較低的頻率下就可以觀察到明顯的MI 變化，所以這種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料更有利于實現(xiàn)傳感器等敏感器件的微型化和實用性。

　　目前制備復(fù)合結(jié)構(gòu)絲方法可分為物理方法和化學(xué)方法兩種，物理方法有冷拉和磁控濺射，化學(xué)方法有電鍍和化學(xué)鍍。磁控濺射方法制備復(fù)合絲，需要同時細絲自旋以鍍層均勻。

　　本文基于磁控濺射技術(shù)制備了不同鐵磁層厚度的復(fù)合結(jié)構(gòu)細絲，并研究了厚度對材料磁性能影響。

二、實驗

　　Ni₈₀Fe₂₀/Cu 和 Ni₈₀Fe₂₀/SiO₂/Cu 復(fù)合結(jié)構(gòu)絲利用磁控濺射室溫制得。制備前，60 微米Cu絲先后浸入丙酮和10%稀鹽酸中去除附著在銅絲表面的油脂和氧化物，每次均用去離子水清洗干凈。濺射過程中，銅絲以每分鐘120 周速度自旋，已得到鍍層均勻。本底真空為 2×10^-4Pa，濺射SiO2 和 Ni80Fe20 過程，壓強分別為0.8 Pa 和0.65 Pa，濺射功率分別為70W 和230W ，對應(yīng)濺射速率為43.75nm/min 和12.5 nm/min。維持絕緣層厚度3.75 微米不變，控制濺射時間得到不同厚度的復(fù)合結(jié)構(gòu)絲。

　　樣品形貌和厚度利用SEM 測量，利用振動樣品磁強計測量了樣品的磁滯回線，磁阻抗利用HIOKI3532LCR 阻抗分析儀測試，測量頻率從100Hz 到120MHz。外加直流磁場由Helmholtz線圈提供，磁場范圍為0～120Oe。為減少地磁場的影響，Helmholtz 線圈的磁場方向應(yīng)與地磁場垂直。阻抗比的變化定義為：

　　其中，  Z H (_ext)為外加磁場為ext H時的阻抗值。

三、結(jié)果與討論

　　圖一(a)是Ni80Fe20/Cu 的SEM 照片，其中鐵磁層厚度為0.9 微米，可以看出樣品表面相當(dāng)光滑完整，圖一(b-d)是Ni₈₀Fe₂₀/SiO₂/Cu 復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的SEM 照片，其中SiO₂的厚度為3.75 微米，鐵磁層Ni₈₀Fe₂₀ 的厚度分別為2.1、2.55 和3微米，圖中看出鐵磁層表面存在很多晶粒而不平滑，隨著厚度增加，晶粒減小，趨于平滑。這主要是由于絕緣層的存在使得晶格類型失配導(dǎo)致，隨著濺射時間增加，腔體內(nèi)溫度升高，層間附著力降低，而且“厚層” Ni₈₀Fe₂₀是在“薄層” Ni₈₀Fe₂₀上生長的晶格匹配較好，故而隨厚度增加，表面趨于光滑。

圖一 復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的SEM 照片

　　圖2(a)是Ni₈₀Fe₂₀/SiO₂/Cu 復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的磁滯回線，2(b)是矯頑力和鐵磁層厚度的對應(yīng)關(guān)系曲線。圖中可以看出當(dāng)Ni₈₀Fe₂₀ 厚度為0.9 和3.9 微米時，鐵磁層磁結(jié)構(gòu)趨于軸向，對應(yīng)的矯頑力較大軟磁性能也較差。其它樣品磁結(jié)構(gòu)則趨于環(huán)向，對應(yīng)的矯頑力也小，厚度為2.55 微米對應(yīng)的矯頑力最小，有望獲得最佳軟磁特性。

　　圖3(a)是不同鐵磁層厚度Ni₈₀Fe₂₀/SiO₂/Cu 復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的磁阻抗效應(yīng)曲線，3(b)是曲線上升段對外加磁場的靈敏度。可以看出最大阻抗比和磁場靈敏度隨鐵磁層厚度增加先增大后減小。最大阻抗比出現(xiàn)在Ni₈₀Fe₂₀  厚度為2.55 微米樣品，阻抗比和靈敏度分別高達655.65% 和121%/Oe。這些結(jié)果與前面磁滯回線測試結(jié)果一直，隨著Ni₈₀Fe₂₀ 厚度增加，環(huán)向磁結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生導(dǎo)致環(huán)向動態(tài)磁導(dǎo)率增加，進而增大阻抗比。另一方面，由于安培定律，厚度增加，使得作用在鐵磁層的感應(yīng)磁場減小，這會減小動態(tài)磁化，兩方面競爭的結(jié)果就是在固定絕緣層厚度時，存在最佳鐵磁層厚度。

　　圖4(a)是Ni80Fe20/SiO2/Cu復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的頻譜圖，圖4(b)分別標(biāo)出了相應(yīng)的起始頻率f0和特征頻率fmax 與鐵磁層厚度的依賴關(guān)系。眾所周知，起始頻率發(fā)生在趨膚深度剛好與鐵磁層厚度想當(dāng)時，對于環(huán)向結(jié)構(gòu)細絲來講，將會在外場與各向異性場想當(dāng)時。從圖中看出f0 和fmax均隨鐵磁層厚度先減小后增加。最小值發(fā)生在厚度為2.55 微米樣品。最近報道復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的巨磁阻抗效應(yīng)仍起源于趨膚效應(yīng)。正是鐵磁層和導(dǎo)電層之間的相互作用增強了趨膚效應(yīng)，使得GMI 最大值增大且頻率向低端移動。

　　圖4不同鐵磁層厚度樣品的磁阻抗頻譜圖及特征頻率與鐵磁層厚度關(guān)系而針對復(fù)合結(jié)構(gòu)絲，至今仍沒有趨膚深度的表達式，但我們可以猜測其仍為單質(zhì)材料趨膚深度的某種函數(shù)，可以表達為：

　　式中μΦ 是鐵磁層中動態(tài)環(huán)向磁導(dǎo)率， σ 是電導(dǎo)率，ω 是驅(qū)動電流的角頻率�！　∵@樣特征頻率可以粗略地表示為

　　其中 d 是復(fù)合結(jié)構(gòu)絲直徑， μΦS 是飽和場120Oe下的飽和磁導(dǎo)率。

　　圖3中我們還可以看出，動態(tài)環(huán)向磁導(dǎo)率μΦ 和μΦS 隨鐵磁層厚度先增大后減小。根據(jù)公式(2)和(3)可知起始頻率和特征頻率隨厚度有相反趨勢，如圖4 所示。

四、結(jié)論

　　制備了Ni80Fe20/SiO2/Cu 復(fù)合結(jié)構(gòu)絲，并利用SEM、VSM、GMI 等測試手段研究了鐵磁層厚度與材料形貌結(jié)構(gòu)及磁性能關(guān)系，得到了最佳厚度，并得到了靈敏度高達121％/Oe 的敏感元件。