非晶软磁材料的巨磁阻抗效应研究

发布时间：2017-06-02 06:15

  本文关键词：非晶软磁材料的巨磁阻抗效应研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为传感器中一支重要的分支,磁性传感器在现代人类社会中扮演着极为重要的角色,其应用几乎覆盖了人类日常生活以及工业生产中的每一个角落,诸如交通运输、移动通信、空间磁场勘测、目标检测、军事以及生物医疗等。目前,常见的磁性传感器主要包括磁通门、霍尔传感器、巨磁电阻传感器、超导量子干涉仪等。但是,由于受到自身性能、使用范围、性价比等因素的影响,上述磁性传感器的发展潜力受到了一定的限制。于是,人们渴望出现一种新型的磁性传感技术能够替代传统的磁性传感技术来满足未来社会发展的需要。直到20世纪90年代,巨磁阻抗效应(Giant magneto-impedance effect,简称GMI effect)的发现才为这一希冀带来了新的曙光。目前,GMI效应的研究对象从最初的Co基非晶丝材料逐渐扩展到了非晶薄带、薄膜、多层膜和复合结构丝等多种不同的软磁材料体系。在现有的GMI材料体系中,非晶态软磁合金材料具有极为优异的软磁性能和良好的GMI效应,是现今GMI效应研究中最为重要的材料体系。本文中,我们基于Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9和Co_(65)Ni_2Fe_4Si_(15)B_(14)两种非晶软磁薄带材料,一方面,研究不同处理方法对非晶薄带材料GMI效应的影响,并尝试在合适的处理条件下提升材料的GMI效应以及相应的磁场灵敏度;另一方面,基于GMI效应,直接利用具有较高磁场灵敏度的非晶薄带样品对磁性纳米颗粒产生的磁信号进行了探测,进而探索GMI效应在弱磁场探测以及生物传感方面的潜在应用价值。本文的主要研究内容如下:1.基于Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9非晶带,我们分别采用直流焦耳热退火和快速磁场热退火方式对其进行处理。首先,我们研究了电流幅值以及通电时间对Fe基非晶带GMI效应的影响。结果发现,合适的直流焦耳热处理可以有效地增强Fe基非晶带的GMI效应,这一现象可以归因于非晶带横向磁导率的增加以及其软磁性能的改善。此外,快速热退火处理也可以改善非晶带的GMI效应,但这种效果并不明显。当在退火过程中沿着非晶带的横向施加一磁场时,非晶带的GMI效应会得到进一步地改善,这主要来源于样品横向磁导率的增大。2.利用电化学沉积方法在Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9非晶带表面包覆FeCo薄膜,从而制备出了FeCo/非晶带/FeCo的三明治结构样品,并研究了非晶带表面FeCo薄膜厚度对样品GMI效应的影响。结果发现,在FeCo薄膜厚度较小时,三明治结构样品可以获得明显高于制备态Fe基非晶带的GMI效应。而且随着FeCo薄膜的增加,三明治结构样品的GMI效应会明显地减小并逐渐趋于稳定。这一结果说明适当厚度的磁性层包覆可以有效地增强Fe基非晶带的GMI效应。3.基于Co_(65)Ni_2Fe_4Si_(15)B_(14)非晶带,我们分别研究了拉应力、样品尺寸以及样品几何结构对其GMI效应的影响。首先,在轴向拉应力作用下,非晶带的GMI效应会有一定程度的增强,并且随着所施加拉应力的增大,非晶带GMI效应的增强也会越明显。其次,样品的尺寸对非晶带的GMI效应有着极为显著的影响。对于条带样品而言,随着宽度的减小,样品的GMI效应会先减小后增大。此外,样品的几何结构对其GMI效应也有着极为显著的影响,我们通过引入“尖角状”结构有效地提高了Co基非晶带在低场下的磁场灵敏度。4.利用激光刻蚀技术在Co_(65)Ni_2Fe_4Si_(15)B_(14)非晶带表面引入了形状各向异性,从而改变非晶带表面退磁场的大小及其分布,在此基础上,我们研究了激光刻蚀方向对Co基非晶带GMI效应的影响。结果表明,通过这一方法可以有效地调控Co基非晶带的GMI效应及其磁场灵敏度。5.基于GMI效应,利用高灵敏度的Co基非晶带样品对Fe_3O_4 纳米颗粒进行探测。结果发现,样品的GMI效应对Fe_3O_4 纳米颗粒的存在极为敏感。在Fe_3O_4 浓度为1μg/m L时,样品最大GMI值的下降最为明显,最大GMI值的变化可达到1.8%。同时,在2 MHz下,随着Fe_3O_4 浓度的增大,非晶带样品最大GMI值的下降会有所减弱。这一研究表明GMI效应可以广泛地用于弱磁场信号的探测。
【关键词】：磁性传感器 巨磁阻抗效应 非晶薄带 磁场灵敏度 Fe3O4纳米颗粒的探测
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O482.54;TP212
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-14
• 第一章 绪论14-37
• 1.1 引言14-15
• 1.2 巨磁阻抗效应的简介15-20
• 1.2.1 什么是巨磁阻抗效应15-16
• 1.2.2 巨磁阻抗效应的起源16-18
• 1.2.3 巨磁阻抗效应的发展历程18-20
• 1.3 非晶薄带的GMI效应研究20-26
• 1.3.1 非晶薄带的结构20-21
• 1.3.2 非晶薄带的成分构成21-22
• 1.3.3 应力处理22-23
• 1.3.4 热退火23-25
• 1.3.5 三明治结构25-26
• 1.4 GMI效应的应用及发展前景26-29
• 1.4.1 地磁场的探测26
• 1.4.2 目标探测26-27
• 1.4.3 应力的检测27-28
• 1.4.5 生物传感技术28-29
• 1.5 本论文的工作内容29-31
• 参考文献31-37
• 第二章 基础知识及理论介绍37-49
• 2.1 非晶态合金材料37-39
• 2.1.1 非晶态合金材料37-38
• 2.1.2 非晶态合金材料的磁畴结构38-39
• 2.2 GMI效应中的基本理论39-42
• 2.3 GMI效应中的单峰和双峰特征42
• 2.4 影响GMI效应的因素42-46
• 2.4.1 交流信号43
• 2.4.2 外磁场43-44
• 2.4.3 偏置信号44
• 2.4.4 温度44-46
• 参考文献46-49
• 第三章 实验仪器和材料的表征方法49-57
• 3.1 实验仪器49-51
• 3.1.1 激光打标机49
• 3.1.2 电化学工作站49-50
• 3.1.3 快速升温磁场热处理炉50-51
• 3.2 样品性能的表征方法51-56
• 3.2.1 X射线衍射仪51
• 3.2.2 扫描电子显微镜51-52
• 3.2.3 振动样品磁强计52-54
• 3.2.5 精密阻抗分析仪54-56
• 参考文献56-57
• 第四章 铁基非晶带的巨磁阻抗效应研究57-73
• 4.1 直流电退火对非晶带GMI的影响57-61
• 4.1.1 Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9非晶带的结构及其磁性57-58
• 4.1.2 直流电退火对非晶带GMI效应的影响58-61
• 4.2 快速磁场热处理对非晶带GMI的影响61-63
• 4.2.1 热处理温度对非晶带GMI效应的影响61-62
• 4.2.2 磁场热处理对非晶带GMI效应的影响62-63
• 4.3 FeCo/非晶带/FeCo三明治结构样品的GMI效应研究63-71
• 4.3.1 样品的制备64-65
• 4.3.2 样品的形貌表征65-66
• 4.3.3 样品结构及磁性表征66-67
• 4.3.4 三明治结构样品GMI效应的研究67-71
• 4.4 本章小结71-72
• 参考文献72-73
• 第五章 钴基非晶带的巨磁阻抗效应研究73-96
• 5.1 应力拉伸对Co基非晶带GMI效应的影响73-76
• 5.1.1 Co_(65)Ni_2Fe_4Si_(15)B_(14)非晶带的结构及其磁性73-74
• 5.1.2 拉应力对Co_(65)Ni_2Fe_4Si_(15)B_(14)非晶带GMI效应的影响74-76
• 5.2 Co基非晶带尺寸对GMI效应的影响76-82
• 5.2.1 不同宽度的非晶带样品的制备76-77
• 5.2.2 Co_(65)Ni_2Fe_4Si_(15)B_(14)非晶带的尺寸对GMI效应的影响77-82
• 5.3 Co基非晶带结构对GMI效应的影响82-88
• 5.3.1 夹角 2θ 对样品的GMI效应的影响82-85
• 5.3.2 条带宽度d对样品GMI效应的影响85-87
• 5.3.3 对称性对样品GMI效应的影响87-88
• 5.4 激光刻蚀对Co基非晶带GMI效应的调控88-94
• 5.4.1 样品的制备与表征88-91
• 5.4.2 表面刻蚀方向对非晶带GMI效应的影响91-94
• 5.5 本章小结94-95
• 参考文献95-96
• 第六章 Co基非晶带对磁性颗粒的探测96-101
• 6.1 磁性颗粒的制备及表征96-97
• 6.1.1 磁性纳米颗粒的制备96
• 6.1.2 磁性纳米颗粒的表征96-97
• 6.2 基于GMI效应的磁性颗粒探测97-99
• 6.2.1 Fe_3O_4 纳米颗粒的检测原理及过程97
• 6.2.2 不同Fe_3O_4 纳米颗粒浓度的检测结果97-99
• 6.3 本章小结99-100
• 参考文献100-101
• 第七章 总结101-103
• 附录 一维L1_0相的FePt磁性纳米纤维的制备及表征103-110
• 1. 一维L1_0相FePt纳米纤维的制备103-104
• 2. 纳米纤维的表征104-108
• 2.1 已煅烧的纳米纤维的结构和形貌表征104-105
• 2.2 FePt纳米纤维的结构和形貌表征105-107
• 2.3 FePt纳米纤维的磁性表征107-108
• 3. 一维FePt纳米纤维的形成机制108
• 参考文献108-110
• 在学期间的研究成果110-111
• 致谢111

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