巨磁阻抗效应

巨磁阻抗效应简介
由于巨磁阻抗效应在磁记录头和传感器中的巨大应用前景，非晶丝和带中的巨磁阻抗效应 (Giant Magneto-impedance GMI)的研究在最近几年引起了广泛的关注。

本文将简要介绍最近几年来有关巨磁阻抗效应理论的研究概况，并综述巨磁阻抗材料的研究进展。

GMI 效应与在外磁场作用下软磁导体的交流(AC)阻抗的变化密切相关。

可以在经典电动力学的理论框架下予以解释。

众所周知，当射频电流流过导体时，在导体的横截面上其电流分右并不均匀。

由于趋肤效应，电流主要集中在导体表面。

电流密度从表面到内部的变化，可用趋肤深度表示：ωμρ/2=∂ 式中，ω是射频电流角频率，ρ是导体的电阻率，μ是材料的磁导率。

在非铁磁材料中， 与频率和外加直流场无关，而铁磁材料的磁导率不但与频率、AC 磁场幅度有关，而且还与其它参数有关。

如外加直流场的大小与方向、机械应变、温度等。

GMI 效应的起源主要就在于软磁材料的磁导率与外加直流场密切相关。

由于电流流过导体时能产生圆周方向或切向的磁场(对丝称圆周方向，对带称切向)，具有圆周礁导率的材料是实际应用最感兴趣。

非晶或纳米晶台金软磁材料的磁导率可由感生各向异性和一定的磁畴结构得到有效的控制实验 结果和理论分析都证证实材料具有切向各向异性有利于获得显著的GMI 效应。

GMI 的理论分析对更好地理解现有实验结果及指导研究具有显著的GMI 效应的新材料有着重要的意义在实际铁磁材料中的趋肤效应比非铁磁材料的趋肤效应更复杂。

基于趋肤效应的理论模型要描述GMI 效应的各种现象是困难的。

目前，提出的几种GMI 效应的理论的主要任务都是寻找有效切向磁导率的近似公式。

以描述在轴向AC 电流的激励下特定磁畴结构的响应。

畴壁位移和磁畴转动均对磁导率有贡献。

准静态模型就考虑了畴壁位移和礁畴转动由于这些模 型没有考虑与磁化强度快速运动的动态效应只有在低频情况下应用。

从理论上考虑受 涡流阻尼的畸壁运动对GMI 的影响，发现随激励频率的增加，涡流对畴壁运动的阻尼增加，对磁导率的贡献就主要以磁畴转动为主。

磁畴结构的观察表明在高于1MHz 时，畴壁几乎是静止不动的。

所以，在高频情况下，只考虑磁畴转动的GMI 理论是合理而方便的。

在高频对更完善的理论模型是要考虑动态效应的。

即要建立在Maxwell 方程和 Landau-Lifshitz 动力学方程的同时求解的基础上。

实际上要精确求解这两个方程是不可能的，但是如果将 Landau-Lifshitz 方程线性化。

并忽略交换作用，与交流磁化有关的磁导率张量就可求得，这样 Maxwell 方程就可以利用磁导率张量在合适的坐标系统下求解。

通过同时求解 Maxwell 方程和线性Landau-Lifshitz 方程研究了具有轴向和圆周方向的磁各向异性的非晶丝的GM1效应。

对于具有圆周方向的磁各向异性一当外加直流场小于各向异性场时。

磁化强度的方向不平行于外加直流场的方向。

Maxwell 方程的解就不能用单一的电磁波传播模式和标量阻抗 z 表示，必须引入具有纵向z 和切向z 的阻抗张量。

在上面提到的GMI 模型中，交换作用都被忽略了。

由于交换耦合作用迫使近邻电子的自旋方向平行排列，对趋肤效应具有反作用，能增强电磁辐射的穿入深度。

铁磁材料中交换耦
合作用对趋肤效应的影响已用铁磁共振理论研究。

40年前提出的理论方法可用于GMI效应的研究，在柱状磁性导体的GMI效应研究中最先引入交换耦合作用，但是他们忽略了磁各向异性。

研究表明在微波频段，GMI峰等于普通铁磁共振峰，交换耦合作用项仅稍微改变了GMI曲线的高度和形状，该模型预测GMI峰与实验结果一致。

巨磁阻抗材料的研究进展
1、非晶磁性材料
人们首先是在非晶磁性材料中发现GMI效应的。

总结起来讲，已开展的工作为研究具有不同组分、不同形状的非晶材料的GMI效应。

试图从各种不同的角度说明GMI效应的起因、应用条件；在这之中，很多研究人员都非常关注磁场退火或应力退火感生的各向异性对GMI效应的影响。

发现感生各向异性对阻抗与外场的关系曲线形状有极大的影响，从而极大地影响了GMI效应的灵敏度和应用范围。

目前，尚没有获得大而灵敏的样品的理想形状的说法，非晶丝、带之间最基本的差别就在于它们的切向各向异性。

至于在实际应用时，是选择丝还是带，这完全取决于具体应用环境。

下面就简述非晶丝和带在最近的研究结果。

1．1非晶丝
尽管在程多磁场传感器中已开始应用非晶丝中的GMI效应来制作，但是磁阻抗的许多特点还不是很明了特别是感生和内察各向异性的问题，目前还没有给出合理的解释。

例如，研究发现利用电流退火的非晶丝对外磁场其灵敏度有很大的提高，而扭转的非晶丝却显示出令人感兴趣的双稳态特性。

再如表面晶化的非晶丝或软磁纤维由于感生了特殊的各向异性，它们显示出不同的GMI响应特点。

为了系统研究磁弹各向异性对GMI效应的影响。

具有正和负磁致伸缩系数的非晶丝的GMI效应的影响，发现外加应力显著地改韭了阻抗的场频特性，指出这些变化可以在考虑一定张力下圆磁化过程来解释。

1．2 非晶带
自从GMI效应发现以来，非晶薄带中的GMI效应也得到了广泛的研究。

研究的重点除感生各向异性对GMI效应的影响外，还注意到了其切向GMI效应。

研究发现切向GMI效应与纵向GMI效应有相同的数量级，但对切向GMI效应要考虑其退磁场才能解释观察到的结果。

研究发现，在非晶薄带中出现GMI效应的最佳条件是：软磁性能好，并进行适当的热处理以感生台适的各向异性。

另外，样品的长度对GMI教应也有很大的影响。

2、纳米晶磁性材料
GMI效应首先在非晶材料中发现，观察到GMI效应的一个基本前提条件是材料的软磁性能好。

在非晶材料中由于不存在磁晶各向异性，使得材料具有很好的软磁特性，并且其磁化过程主要是由磁弹性对总能量的贡献决定的。

事实上研究结果已证明只有当材料的磁致伸缩系数。

λ≈0时，GMI效应才最显著。

纳米晶磁性材料具有优异的软磁性能，理应能发现显著的GMI 效应。

纳米晶丝研究的样品最初是非晶的，然后在不同温度下退火处理1h，正如所料，随着非晶丝的软磁性能变好，GMI比值增大，出现GMI比值最大值对应的处理温度是非晶丝的纳米晶化温度。

纳米晶带通过在不同温度下热处理改变微观结构，也研究了
纳米晶薄带的GMI效应。

研究结果与纳米晶丝的结果类似，只不过效应没有那么显著而已。

3、GMI效应的动态特性----阻抗后效效应
最近，在非晶软磁丝带中发现一个新而令人感兴趣的现象，就是当材料中的磁畴分布突然改变时，其阻抗会出现弛豫。

该弛豫是在指直流场加在样品上一定时间后，去掉直流场同时观察其阻抗与时间的关系。

已经证明，阻抗与时间的关系是准对数关系。

有人将该弛豫效应称为磁阻抗后效磁阻抗后效与激励电流频率和幅度密切相关。

从目前的情况来看，巨磁阻抗效应的理论研究还主要集中在宏观层次上的研究，远没有巨磁阻效应的理论研究。

可喜的是已有学者注意到了这一点，Machado等从电流线畸变的观点，即认为垂直于电流方向的磁畴使电流线畸变和拉动，来解释GMI效应，而不是传统的趋肤效应观点。

从微观结构上讲，畴散射对GMI效应有重要的影响。

我们认为，对GMI效应的理论研究不仅应该从宏观的经典电磁理论出发来研究，也应该从微观结构层次研究，这样也许更有助于人们发现更多具有良好GMI效应的新材料。