单层膜的巨磁阻抗(GMI)效应
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4 外磁场方向对单层膜 GMI 效应的影响
一般意义的巨磁阻抗效应是指驱动电流方向 与外磁场方向平行时的阻抗变化现象 此时的 GMI 效应称为纵向巨磁阻抗效应 当外加磁场与驱动 电流方向相垂直时试样所表现出的 GMI 效应则称 为 横 向 巨 磁 阻 抗 效 应 Sommer 等 人[5] 首 先 在 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 非晶薄膜中发现了横向巨磁阻 抗效应 如图 5 所示 横向 GMI 效应的薄膜有效 磁化率的曲线形状为单峰 完全不同于纵向 GMI 效应的双峰 因为巨磁阻抗效应取决于材料的有 效磁化率 所以横向巨磁阻抗效应的曲线形状与 纵向巨磁阻抗的也完全不同[5] 需要特别指出的 是 横向 GMI 效应的有效磁化率是指沿样品纵向 的磁化率 目前对于横向 GMI 效应的物理本质尚 不十分清楚
磁性材料及器件 2002 年 6 月
图 3 与图 2 对应的样品的 GMI 曲线
退火的样品的横向各向异性更加明显 图 3 为与 图 2 中样品相对应的 GMI 效应曲线 从图 3 可以 看出 交流磁场退火的样品具有最强的 GMI 效 应 而具有最强的横向各向异性的样品则几乎观 察不到 GMI 效应 该研究者认为这可能是畴结构 稳定化造成的 因为稳定的磁畴会导致磁化困难 即降低薄膜的横向有效磁导率 从而弱化其巨磁 阻抗效应
2 感生各向异性对单层膜 GMI 效应的影响
目前 具有巨磁阻抗效应的薄膜大多是非晶 态 所以其本身并不具有磁晶各向异性 但是通 过在制备过程中或随后的热处理过程中采用一些 工艺手段 可以在薄膜中获得较强的感生各向异 性[2] 在巨磁阻抗效应的实验和测试中 交变电 流和外加磁场通常都沿着薄膜样品的长度方向 即
其中 Rdc 为薄膜的直流电阻 k=(1 j)/ m a/2
为薄膜的厚度
当沿薄膜纵向外加一磁场 Hex 后 薄膜的横 向磁导率 会发生变化 由 1 式和 2 式可
知 薄膜的趋肤深度 m 便会发生相应的变化 进 而阻抗 Z 也会发生相应的变化 这便是所谓的巨
磁阻抗现象[11] 由此可见 理论计算巨磁阻抗效应
Key words giant magneto-impedance effect single-layer film skin effect
1 引言
自从巨磁阻抗 GMI 效应被发现以来[1] 因 为其在传感器及磁记录领域内具有很好的应用前 景 所以科学工作者对其展开了广泛的研究 从材 料的形态上区分 具有巨磁阻抗效应的材料可分为 丝状 带状和薄膜状三种 后者又可分为单层膜和 多层膜两种 目前 对于单层膜的实验研究与观察 很少 这可能是因为薄膜样品不易制备 且测试条 件要求较高的缘故 影响单层膜 GMI 效应的因素 很多 下面主要讨论感生各向异性 驱动电流频率 及外加磁场方向对薄膜 GMI 效应的影响
21
图 5 (a)纵向巨磁阻抗效应与(b)横向巨磁阻抗效应[5]
图 4 Ef f 曲线 (a) f 100MHz (b) f 400MHz[4]
逐渐增强并且在某一频率达到最大值 当频率继 续增高时 横向磁导率对外加磁场变得不敏感 所以 GMI 效应开始下降[4] 如果将研究的频率范 围扩展的话 如图 4b 所示 则 GMI 效应与驱动 电流频率呈现复杂的曲线关系 薄膜的 GMI 效应 在 300MHz 左右将出现第二个最大值 出现第二 个峰值的原因目前尚不清楚
综述与动态
单层膜的巨磁阻抗 GMI 效应
董承远 陈世朴 上海交通大学 材料科学与工程学院 上海 200030
摘 要 巨磁阻抗软磁薄膜因为在制备上与集成电路工艺具有兼容性而在传感器等工程领域具有广阔的
应用前景 综述了单层膜的研究现状 着重讨论了横向各向异性 驱动电流和外加磁场方向对巨磁阻抗效应的
影响 并且从理论上讨论了 GMI 效应的物理本质
压的变化估算出 如图 1 所示 这充分说明薄膜中 的横向感生各向异性有利于获得显著的 GMI 效应
Garcia 等人[2]在研究钴基非晶薄膜的感生各 向异性对 GMI 效应的影响时采用两种不同的方法 获得感生各向异性 一种方法是在溅射制膜时将 基片弯曲 这样当薄膜制备完成后 其内部存在 有压应力 压应力与 CoFeB 非晶膜负的磁致伸缩 效应相耦合便会产生横向各向异性 第二种方法 是将薄膜在横向直流或交流磁场下退火 图 2 为 不同处理状态下的薄膜样品的磁畴结构 从图 2 中可以清楚地看到制备态的样品具有纵向各向异 性 交流磁场下退火的样品具有螺旋状的各向异 性 而应力处理的样品和直流磁场下退火的样品 则具有横向各向异性 相比较而言 直流磁场下
纵向 而与此垂直的样品宽度方向则称为 横 向 一般认为 薄膜中具有横向各向异性有利 于获得显著的巨磁阻抗效应[3]
Uchiyama 等人[4]在(CoFe)80B20 非晶薄膜中采 用以下三种热处理工艺以获得了不同的各向异 性 1 在 16kA/m(200 Oe) 10Hz 的旋转磁场下 退火 1h 退火温度为 250 2 在 1 的基础 上在 5.6kA/m(70 Oe)的横向磁场下退火 3 在
5 单层膜巨磁阻抗效应的物理本质
从理论上讲 薄膜的巨磁阻抗效应可以利用 电动力学和铁磁学进行比较有效的解释 薄膜的 趋肤深度可以表示为[9]
22
δ m = 2 / ωσµψ
1
其中 为电流圆频率 为电导率
为薄
膜的横向磁导率 而薄膜的阻抗则可以表示为[10]
Z = Rdc· jkacoth(jka)
(2)
关键词 巨磁阻抗效应 Fra Baidu bibliotek层膜 趋肤效应
中图分类号 O484.4 3
文献标识码 A
文章编号 1001-3830(2002)03-0020-04
Giant Magneto-Impedance (GMI) Effect of Single-layer Film
DONG Cheng-yuan CHEN Shi-pu Materials Science and Engineering College, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China
组便会得出薄膜的横向有效磁导率与外加磁场及
其它参量之间的关系 Ciureanu 等人[12]和 Kraus[13,14]
进行了上述的理论推导并得出了与实验比较符合
的结果
6 问题与展望
因为巨磁阻抗效应从发现至今还不到十年时 间 所以目前对它的研究仅仅处于起步阶段 其 中单层膜的研究更是因为在工艺和测试上存在巨 大的困难而进展缓慢 但是因为薄膜的制备与集 成电路工艺具有兼容性 所以具有巨磁阻抗效应 的软磁薄膜在传感器等工程领域具有广阔的应用 前景 这导致科学工作者对它的研究仍将继续深
[7] Beach R S, Berkowitz A E. J Appl Phys, 1994,76
6209-6213. [8] Tejedor M, Hernando B, Sanchez M I, et al. J Magn
Magn Mater, 1996,152 191-195. [9] Landau L D, Lifshitz E M. Electrodynamics of
[4] Uchiyama T, Mohri K, Panina LV, et al. IEEE Trans Magn, 1995,31 3182-3184.
[5] Sommer R L, Chien C L. Appl Phys Lett, 1995,67 3346-3348.
[6] YU Jin-qiang, ZHOU Yong, CAI Bing-chu, et al. J Magn Magn Mater, 2000,213 32-36.
的关键在于建立薄膜的横向磁导率与外加磁场的函
数关系
众所周知 技术磁化过程存在两种机制 即
畴壁移动和磁化矢量旋转 当频率很高时 由于
涡流损耗使畴壁移动迅速衰减 而磁化强度矢量
的旋转则居于主导地位[11] 基于以上的考虑 求
解 Maxwell 方程组和 Landau-Lifshitz-Gilbert 方程
[2] Garcia D, Munoz J L, Kurlyandskaya G, et al. J Magn Magn Mater, 1999,191 339-344.
[3] Panina L V, Mohri K, Uchiyama T. Physica A, 1997,241 429-438.
Sommer 等人[5]及 YU Jin-qiang 等人[6]研究了 铁基非晶薄膜的横向各向异性对 GMI 效应的影 响 提出了与钴基非晶薄膜类似的结论
3 驱动电流频率对单层膜 GMI 效应的影响
驱动电流频率对薄膜的 GMI 效应会产生强烈 的影响 选择合适的频率会获得非常显著的 GMI 效应 一般而言 非晶丝[7] 和非晶带 [8]在频率为 1MHz 左右的交变电流驱动下就可获得非常明显 的 GMI 效应 而非晶薄膜要想获得最大的 GMI 效应 其驱动电流的频率须在 100MHz 左右[4] 图 4 为厚度为 4 m 左右的钴基非晶膜的驱动电 流频率对 GMI 效应的影响[4] 图 4a 为图 4b 的低 频段部分放大图 图中 Hex=1kA/m(12.5Oe)的曲线 与 Hex=0 的曲线之间的纵坐标差可表征其 GMI 效 应的大小 从图 4a 可以看出 在 f 100MHz 时 薄膜的 GMI 效应随着频率的增大而增大 并在 f=80 100MHz 左右达到最高值 一般认为 薄 膜的趋肤深度与薄膜厚度大致相当时 薄膜具有 最大的 GMI 效应 随着频率的增高 薄膜的趋肤 深度减小 逐渐接近薄膜的厚度 所以 GMI 效应
收稿日期 2001-07-10 作者通信 200061 上海市普陀区管弄路 251 弄 1 号 505 室 Tel 021-62932558
20
J Magn Mater Devices Vol 33 No 3
图 1 退火薄膜的 GMI 效应[4]
图 2 不同样品的磁畴结构 (a)制备态 (b)应 力处理态 (c)300 交流磁场处理态 (d)300 直流磁场处理态[2]
J Magn Mater Devices Vol 33 No 3
入下去 目前对于单层膜巨磁阻抗效应的物理本 质仍不十分清楚 解决这一问题的关键在于建立 能清晰和有效描述磁导率与外磁场之间关系的物理 模型 而这一工作无疑具有很大的难度和挑战性
参考文献
[1] Mohri K, Kohzawa T, Kawashima K, et al. IEEE Trans Magn, 1992,28 3150-3152.
1 的基础上在电流强度为 50mA 的直流下退 火 经过工艺 1 的热处理后 薄膜在制备过程 中获得的不确定的磁各向异性可完全被消除 经 过工艺 2 3 的热处理后 在薄膜中则可以 形成横向磁各向异性 图 1 为这三种热处理条件 下非晶薄膜的巨磁阻抗效应曲线 其中 驱动电 流的幅值为 15mA 频率为 80MHz 而纵坐标 Ef 为样品两端的电压值 从图 1 可以看出 采用后两 种热处理制度的非晶薄膜的 GMI 效应远远大于第 一种热处理制度 最大的磁阻抗比可达 8%/Oe 因 为驱动电流保持不变 所以阻抗的变化可以通过电
Abstract GMI films are sure to be widely used in the field of sensors for its compatibility with IC technology.
This paper summaries the studies of GMI effect of single-layer film, in particular discussing the influences of transversal anisotropy, frequency of driving current and the direction of applied field on GMI effect. The origin of giant magneto-impedance effect of single-layer film is also introduced in terms of theory.
一般意义的巨磁阻抗效应是指驱动电流方向 与外磁场方向平行时的阻抗变化现象 此时的 GMI 效应称为纵向巨磁阻抗效应 当外加磁场与驱动 电流方向相垂直时试样所表现出的 GMI 效应则称 为 横 向 巨 磁 阻 抗 效 应 Sommer 等 人[5] 首 先 在 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 非晶薄膜中发现了横向巨磁阻 抗效应 如图 5 所示 横向 GMI 效应的薄膜有效 磁化率的曲线形状为单峰 完全不同于纵向 GMI 效应的双峰 因为巨磁阻抗效应取决于材料的有 效磁化率 所以横向巨磁阻抗效应的曲线形状与 纵向巨磁阻抗的也完全不同[5] 需要特别指出的 是 横向 GMI 效应的有效磁化率是指沿样品纵向 的磁化率 目前对于横向 GMI 效应的物理本质尚 不十分清楚
磁性材料及器件 2002 年 6 月
图 3 与图 2 对应的样品的 GMI 曲线
退火的样品的横向各向异性更加明显 图 3 为与 图 2 中样品相对应的 GMI 效应曲线 从图 3 可以 看出 交流磁场退火的样品具有最强的 GMI 效 应 而具有最强的横向各向异性的样品则几乎观 察不到 GMI 效应 该研究者认为这可能是畴结构 稳定化造成的 因为稳定的磁畴会导致磁化困难 即降低薄膜的横向有效磁导率 从而弱化其巨磁 阻抗效应
2 感生各向异性对单层膜 GMI 效应的影响
目前 具有巨磁阻抗效应的薄膜大多是非晶 态 所以其本身并不具有磁晶各向异性 但是通 过在制备过程中或随后的热处理过程中采用一些 工艺手段 可以在薄膜中获得较强的感生各向异 性[2] 在巨磁阻抗效应的实验和测试中 交变电 流和外加磁场通常都沿着薄膜样品的长度方向 即
其中 Rdc 为薄膜的直流电阻 k=(1 j)/ m a/2
为薄膜的厚度
当沿薄膜纵向外加一磁场 Hex 后 薄膜的横 向磁导率 会发生变化 由 1 式和 2 式可
知 薄膜的趋肤深度 m 便会发生相应的变化 进 而阻抗 Z 也会发生相应的变化 这便是所谓的巨
磁阻抗现象[11] 由此可见 理论计算巨磁阻抗效应
Key words giant magneto-impedance effect single-layer film skin effect
1 引言
自从巨磁阻抗 GMI 效应被发现以来[1] 因 为其在传感器及磁记录领域内具有很好的应用前 景 所以科学工作者对其展开了广泛的研究 从材 料的形态上区分 具有巨磁阻抗效应的材料可分为 丝状 带状和薄膜状三种 后者又可分为单层膜和 多层膜两种 目前 对于单层膜的实验研究与观察 很少 这可能是因为薄膜样品不易制备 且测试条 件要求较高的缘故 影响单层膜 GMI 效应的因素 很多 下面主要讨论感生各向异性 驱动电流频率 及外加磁场方向对薄膜 GMI 效应的影响
21
图 5 (a)纵向巨磁阻抗效应与(b)横向巨磁阻抗效应[5]
图 4 Ef f 曲线 (a) f 100MHz (b) f 400MHz[4]
逐渐增强并且在某一频率达到最大值 当频率继 续增高时 横向磁导率对外加磁场变得不敏感 所以 GMI 效应开始下降[4] 如果将研究的频率范 围扩展的话 如图 4b 所示 则 GMI 效应与驱动 电流频率呈现复杂的曲线关系 薄膜的 GMI 效应 在 300MHz 左右将出现第二个最大值 出现第二 个峰值的原因目前尚不清楚
综述与动态
单层膜的巨磁阻抗 GMI 效应
董承远 陈世朴 上海交通大学 材料科学与工程学院 上海 200030
摘 要 巨磁阻抗软磁薄膜因为在制备上与集成电路工艺具有兼容性而在传感器等工程领域具有广阔的
应用前景 综述了单层膜的研究现状 着重讨论了横向各向异性 驱动电流和外加磁场方向对巨磁阻抗效应的
影响 并且从理论上讨论了 GMI 效应的物理本质
压的变化估算出 如图 1 所示 这充分说明薄膜中 的横向感生各向异性有利于获得显著的 GMI 效应
Garcia 等人[2]在研究钴基非晶薄膜的感生各 向异性对 GMI 效应的影响时采用两种不同的方法 获得感生各向异性 一种方法是在溅射制膜时将 基片弯曲 这样当薄膜制备完成后 其内部存在 有压应力 压应力与 CoFeB 非晶膜负的磁致伸缩 效应相耦合便会产生横向各向异性 第二种方法 是将薄膜在横向直流或交流磁场下退火 图 2 为 不同处理状态下的薄膜样品的磁畴结构 从图 2 中可以清楚地看到制备态的样品具有纵向各向异 性 交流磁场下退火的样品具有螺旋状的各向异 性 而应力处理的样品和直流磁场下退火的样品 则具有横向各向异性 相比较而言 直流磁场下
纵向 而与此垂直的样品宽度方向则称为 横 向 一般认为 薄膜中具有横向各向异性有利 于获得显著的巨磁阻抗效应[3]
Uchiyama 等人[4]在(CoFe)80B20 非晶薄膜中采 用以下三种热处理工艺以获得了不同的各向异 性 1 在 16kA/m(200 Oe) 10Hz 的旋转磁场下 退火 1h 退火温度为 250 2 在 1 的基础 上在 5.6kA/m(70 Oe)的横向磁场下退火 3 在
5 单层膜巨磁阻抗效应的物理本质
从理论上讲 薄膜的巨磁阻抗效应可以利用 电动力学和铁磁学进行比较有效的解释 薄膜的 趋肤深度可以表示为[9]
22
δ m = 2 / ωσµψ
1
其中 为电流圆频率 为电导率
为薄
膜的横向磁导率 而薄膜的阻抗则可以表示为[10]
Z = Rdc· jkacoth(jka)
(2)
关键词 巨磁阻抗效应 Fra Baidu bibliotek层膜 趋肤效应
中图分类号 O484.4 3
文献标识码 A
文章编号 1001-3830(2002)03-0020-04
Giant Magneto-Impedance (GMI) Effect of Single-layer Film
DONG Cheng-yuan CHEN Shi-pu Materials Science and Engineering College, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China
组便会得出薄膜的横向有效磁导率与外加磁场及
其它参量之间的关系 Ciureanu 等人[12]和 Kraus[13,14]
进行了上述的理论推导并得出了与实验比较符合
的结果
6 问题与展望
因为巨磁阻抗效应从发现至今还不到十年时 间 所以目前对它的研究仅仅处于起步阶段 其 中单层膜的研究更是因为在工艺和测试上存在巨 大的困难而进展缓慢 但是因为薄膜的制备与集 成电路工艺具有兼容性 所以具有巨磁阻抗效应 的软磁薄膜在传感器等工程领域具有广阔的应用 前景 这导致科学工作者对它的研究仍将继续深
[7] Beach R S, Berkowitz A E. J Appl Phys, 1994,76
6209-6213. [8] Tejedor M, Hernando B, Sanchez M I, et al. J Magn
Magn Mater, 1996,152 191-195. [9] Landau L D, Lifshitz E M. Electrodynamics of
[4] Uchiyama T, Mohri K, Panina LV, et al. IEEE Trans Magn, 1995,31 3182-3184.
[5] Sommer R L, Chien C L. Appl Phys Lett, 1995,67 3346-3348.
[6] YU Jin-qiang, ZHOU Yong, CAI Bing-chu, et al. J Magn Magn Mater, 2000,213 32-36.
的关键在于建立薄膜的横向磁导率与外加磁场的函
数关系
众所周知 技术磁化过程存在两种机制 即
畴壁移动和磁化矢量旋转 当频率很高时 由于
涡流损耗使畴壁移动迅速衰减 而磁化强度矢量
的旋转则居于主导地位[11] 基于以上的考虑 求
解 Maxwell 方程组和 Landau-Lifshitz-Gilbert 方程
[2] Garcia D, Munoz J L, Kurlyandskaya G, et al. J Magn Magn Mater, 1999,191 339-344.
[3] Panina L V, Mohri K, Uchiyama T. Physica A, 1997,241 429-438.
Sommer 等人[5]及 YU Jin-qiang 等人[6]研究了 铁基非晶薄膜的横向各向异性对 GMI 效应的影 响 提出了与钴基非晶薄膜类似的结论
3 驱动电流频率对单层膜 GMI 效应的影响
驱动电流频率对薄膜的 GMI 效应会产生强烈 的影响 选择合适的频率会获得非常显著的 GMI 效应 一般而言 非晶丝[7] 和非晶带 [8]在频率为 1MHz 左右的交变电流驱动下就可获得非常明显 的 GMI 效应 而非晶薄膜要想获得最大的 GMI 效应 其驱动电流的频率须在 100MHz 左右[4] 图 4 为厚度为 4 m 左右的钴基非晶膜的驱动电 流频率对 GMI 效应的影响[4] 图 4a 为图 4b 的低 频段部分放大图 图中 Hex=1kA/m(12.5Oe)的曲线 与 Hex=0 的曲线之间的纵坐标差可表征其 GMI 效 应的大小 从图 4a 可以看出 在 f 100MHz 时 薄膜的 GMI 效应随着频率的增大而增大 并在 f=80 100MHz 左右达到最高值 一般认为 薄 膜的趋肤深度与薄膜厚度大致相当时 薄膜具有 最大的 GMI 效应 随着频率的增高 薄膜的趋肤 深度减小 逐渐接近薄膜的厚度 所以 GMI 效应
收稿日期 2001-07-10 作者通信 200061 上海市普陀区管弄路 251 弄 1 号 505 室 Tel 021-62932558
20
J Magn Mater Devices Vol 33 No 3
图 1 退火薄膜的 GMI 效应[4]
图 2 不同样品的磁畴结构 (a)制备态 (b)应 力处理态 (c)300 交流磁场处理态 (d)300 直流磁场处理态[2]
J Magn Mater Devices Vol 33 No 3
入下去 目前对于单层膜巨磁阻抗效应的物理本 质仍不十分清楚 解决这一问题的关键在于建立 能清晰和有效描述磁导率与外磁场之间关系的物理 模型 而这一工作无疑具有很大的难度和挑战性
参考文献
[1] Mohri K, Kohzawa T, Kawashima K, et al. IEEE Trans Magn, 1992,28 3150-3152.
1 的基础上在电流强度为 50mA 的直流下退 火 经过工艺 1 的热处理后 薄膜在制备过程 中获得的不确定的磁各向异性可完全被消除 经 过工艺 2 3 的热处理后 在薄膜中则可以 形成横向磁各向异性 图 1 为这三种热处理条件 下非晶薄膜的巨磁阻抗效应曲线 其中 驱动电 流的幅值为 15mA 频率为 80MHz 而纵坐标 Ef 为样品两端的电压值 从图 1 可以看出 采用后两 种热处理制度的非晶薄膜的 GMI 效应远远大于第 一种热处理制度 最大的磁阻抗比可达 8%/Oe 因 为驱动电流保持不变 所以阻抗的变化可以通过电
Abstract GMI films are sure to be widely used in the field of sensors for its compatibility with IC technology.
This paper summaries the studies of GMI effect of single-layer film, in particular discussing the influences of transversal anisotropy, frequency of driving current and the direction of applied field on GMI effect. The origin of giant magneto-impedance effect of single-layer film is also introduced in terms of theory.