納米尺度磁性材料的研究進(jìn)展

納米尺度磁性材料的研究進(jìn)展

1納米晶軟磁合金的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料的研究日益深入，應(yīng)用也越來越廣泛。目前，磁性材料的研究已經(jīng)深入到納米標(biāo)準(zhǔn)。1988年，yashnav等人首先在鐵基非晶基的基礎(chǔ)上添加了少量銅和鋯，并在適當(dāng)?shù)臏囟认峦ㄟ^金屬化加熱后獲得了性能優(yōu)良的軟磁合金（直徑約10nm），后來被稱為納米晶軟磁合金。除了具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低儲存溫度和晶化溫度、低導(dǎo)電性和低鐵損失外，納米晶軟磁合金具有優(yōu)點。此外，它還具有高導(dǎo)率、低磁速擴(kuò)展系數(shù)、低抗疲勞力和低鐵損失，此外，它還具有良好的綜合軟磁性。后來，利用納米磁性材料開發(fā)了抗電磁干燥器、大磁干燥傳感器、磁性頭等，取得了令人滿意的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。2電磁屏蔽性能低在現(xiàn)代戰(zhàn)場上,信息戰(zhàn)對于戰(zhàn)爭成敗和走向起著重要作用,電磁脈沖彈和微波彈是破壞信息暢通和安全的兩大武器,比核武器的破壞力更強(qiáng).由于它們可以定向攻擊目標(biāo),同時摧毀人員和軍事設(shè)備,造成戰(zhàn)場上各軍兵種武器系統(tǒng)間電磁干擾(EMI),對敵方武器系統(tǒng)性能和可靠性將造成強(qiáng)有力的干擾,并可能導(dǎo)致敵方獲取信息不準(zhǔn)確、無法探測目標(biāo)、引信過早點火、飛機(jī)飛行失控和制導(dǎo)武器失靈等結(jié)果.因此,電磁戰(zhàn)已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要組成部分,安全穩(wěn)定的電子系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為參戰(zhàn)雙方的命脈.為屏蔽電磁干擾的危害,就必須要求裝載電氣與電子設(shè)備的方艙具有很好的電磁屏蔽性能.低頻磁場屏蔽的機(jī)理是利用高磁導(dǎo)率材料所具有的低磁阻特性,使磁場通過磁阻小的通路而不擴(kuò)散到周圍空間去,從而起到磁場屏蔽的作用,如圖1所示.高頻時,磁材料的磁性損耗很大,導(dǎo)致磁導(dǎo)率下降,其屏蔽是利用良導(dǎo)體中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場總是抵消原磁場變化的原理實現(xiàn)的.電磁戰(zhàn)中,為了保護(hù)自己的設(shè)備免受敵方的電磁干擾破壞,往往需要安裝一些抗電磁干擾器件(如濾波器,可以濾去有害頻段的電磁波).目前,鐵基納米晶軟磁材料制作的抗電磁干擾器件,具有更強(qiáng)的抗飽和能力、更大的電感量、更高的品質(zhì)因素、更小的體積和高效節(jié)能等特點,廣泛地應(yīng)用于通訊設(shè)備、精密測控設(shè)備和計算機(jī)設(shè)備等.3巨磁抗效應(yīng)和磁傳感器的應(yīng)用前景展望材料的交流阻抗隨外加直流磁場的改變而變化的特性稱為磁阻抗效應(yīng).1992年K.Mohri首先在Co基非晶絲中觀察到這種現(xiàn)象,即在幾個奧斯特磁場下材料的阻抗變化高達(dá)50%,比金屬多層膜Fe/Cu或Co/Ag在低溫、高場下觀察到的巨磁阻效應(yīng)還要高一個數(shù)量級.隨后人們還發(fā)現(xiàn)如果適當(dāng)控制鐵基納米微晶材料的磁結(jié)構(gòu)和電流驅(qū)動方式,可以觀察到更顯著的巨磁阻抗效應(yīng),并且在熱穩(wěn)定性和性價比上優(yōu)于Co基非晶,具有更強(qiáng)的競爭力.在高靈敏度磁敏傳感器和磁記錄讀頭等方面有著良好的應(yīng)用前景.迄今為止,在已發(fā)現(xiàn)的具備巨磁阻抗效應(yīng)的眾多類型中,以縱向驅(qū)動Fe基納米晶巨磁阻抗效應(yīng)的磁阻抗比值為最大.目前,納米巨磁阻抗材料在磁敏傳感器中的應(yīng)用已引起人們的廣泛關(guān)注.這種材料的特性是在磁場變化范圍的兩端,其阻抗隨磁場變化較為平緩,而在中間區(qū)域磁場的微小變化將會引起阻抗很大的變化,當(dāng)我們適當(dāng)改變材料磁結(jié)構(gòu),調(diào)整材料的橫向磁各向異性的大小,可以移動中間區(qū)域的位置和寬度,并且頻率不同時,其阻抗隨磁場變化的斜率也是不同的.磁敏傳感器正是利用此種材料阻抗隨外磁場顯著變化的特性,把巨磁阻抗材料構(gòu)成一個磁敏電感直接用作為振蕩器元件,并以脈沖的方式輸出.我們可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)電路元件參數(shù),使傳感器工作在對外界磁場變化最為敏感并且呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系的位置.它的基本構(gòu)成為反相器、磁敏材料、以及少數(shù)的電子元件組成的一個調(diào)頻振蕩器,輸出脈沖信號,且輸出信號的頻率會隨磁場發(fā)生靈敏的變化.與傳統(tǒng)的磁敏傳感器相比,它不僅結(jié)構(gòu)簡單,而且具有高靈敏度、便于數(shù)字化測量等優(yōu)點,尤其在弱磁場、磁橫向測量方面有十分誘人的應(yīng)用前景.4高效的磁頭存儲巨磁電阻效應(yīng)(GMR)是一種由極薄的納米水平的強(qiáng)磁性和非磁性的金屬材料疊層而成的人工晶格中,能夠用外部磁場使它的電阻發(fā)生很大變化的現(xiàn)象.這種效應(yīng)被應(yīng)用于硬盤讀出磁頭,進(jìn)一步加深了納米技術(shù)實用化的進(jìn)程,2007年法國科學(xué)家阿爾貝·費爾(AlbertFert)和德國科學(xué)家彼得·格林貝格爾(PeterGrünberg)因發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻”效應(yīng)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎.早在1957年發(fā)現(xiàn)的各向異性磁電阻效應(yīng)是由于電子自旋-軌道耦合產(chǎn)生的,通常只在1%～2%之間,信息被存儲在硬盤微小的磁化區(qū),通過記錄磁場變化的讀出磁頭讀出.硬盤越小,各個磁化區(qū)的面積也越小,磁化的程度也越弱.因此如果要在一硬盤中存儲更多信息,就需要更為靈敏的讀出磁頭.基于巨磁電阻效應(yīng)原理制成的讀出磁頭,可以將細(xì)小的磁場變化轉(zhuǎn)換成不同的電阻,使讀出磁頭產(chǎn)生不同的電流,而電流是讀出磁頭的信號.目前利用GMR效應(yīng)來制成GMR磁頭主要是使用自旋閥結(jié)構(gòu).其工作原理為,當(dāng)磁場作用于磁頭時,自旋閥的自由層磁化強(qiáng)度方向發(fā)生變化,從而引起磁頭電阻的變化.電阻的變化通過磁頭的電流讀出.自由層和釘扎層被非磁性金屬層隔開,通過反鐵磁層的交換耦合,釘扎層的磁矩被釘扎在某一固定方向,自由層磁矩隨信號場變化而翻轉(zhuǎn),自旋閥總的電阻變化與磁場線性響應(yīng).采用“巨磁電阻”技術(shù)的磁頭靈敏度有了很大提高,硬盤存儲密度也大大增加,單位存儲容量的成本明顯降低.1997年第1個應(yīng)用“巨磁電阻”技術(shù)的讀出磁頭問世,電腦硬盤的存儲能力隨之與日俱增.如今,內(nèi)置上百G(1G約為1000M)容量的硬盤已成為電腦的標(biāo)準(zhǔn)配置.隨著這項技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,硬盤的塊頭越來越小,信息存儲量越來越大,價格快速下跌.此外,裝配這種高靈敏度磁頭的硬盤近幾年在個人便攜式媒體播放器上也大顯身手.2001年,美國蘋果公司推出第一代硬盤式音樂播放器,轟動全球.今天,蘋果公司的新一代iPod播放器容量高達(dá)160G,存儲空間與其他同類產(chǎn)品相比占相當(dāng)大的優(yōu)勢.將GMR技術(shù)衍生的TMR(隧道磁阻效應(yīng)磁金屬/半導(dǎo)體多層膜)技術(shù)和自旋電子學(xué)應(yīng)用于靜態(tài)隨機(jī)存儲器(MRAM)技術(shù),以取代目前計算機(jī)隨機(jī)存儲器(RAM)中所使用的動態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)技術(shù).MRAM利用磁場存儲數(shù)據(jù),不像用電容儲存數(shù)據(jù)的DRAM那樣關(guān)閉電源后會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失,所以日后的計算機(jī)將有可能不需要在開機(jī)后等待將系統(tǒng)程序從硬盤調(diào)入緩存,可以像電視機(jī)一樣,即開即用.5納米磁薄膜的制備今后,納米磁性材料的開發(fā)應(yīng)用,將會在以下幾個方面得到發(fā)展:第一,納米晶軟磁合金,進(jìn)一步在電力電子變壓器件系統(tǒng)應(yīng)用.第二,復(fù)合磁性薄膜應(yīng)用,當(dāng)工作頻率高于1MHz,厚度小于5μm時,通過晶化法獲得的納米晶合金難以滿足要求,需要利用復(fù)合法制備的磁性薄膜,它可以應(yīng)用于超高頻領(lǐng)域.(1)利用納米晶鐵磁薄膜和非磁性薄膜交替鍍膜的方法制備多層調(diào)制膜,可以形成高磁電阻效應(yīng),制成高靈敏傳感器和計算機(jī)磁頭.(2)將納米晶的金屬軟磁顆粒彌散鑲嵌在高電阻非磁性材料中,構(gòu)成兩相組織的納米顆粒薄膜,這種薄膜最大特點是電阻率高,稱為巨磁阻效應(yīng)材料,在100MHz以上的超高頻段顯示出優(yōu)良的軟磁特性.(3)納米晶軟磁材料粉末與