摘要：  通过直流溅射法在Co基非晶薄带(Co66Fe4NiSi15B14)上制备不同厚度的CoFe薄膜层，观察其巨磁阻抗效应(GMI)在120kHz~3MHz频率范围内随外加磁场的变化。实验结果显示：在Co基非晶薄带上涂覆CoFe薄膜，可以提高薄带的GMI效应。研究发现，当趋肤效应显著时材料表面粗糙度对GMI效应有较大影响。通过在Co基非晶薄带表面镀膜的方式降低样品表面粗糙度，减小表面退磁场的影响，并且闭合样品磁通回路，从而提高样品GMI效应。

关键字：  直流溅射，Co基非晶薄带，GMI效应，趋肤效应

1  引言
1992年，Mohri等[1]在CoFeSiB软磁非晶细丝中发现了巨磁阻抗(GMI)效应，即当对非晶丝通以交流电流时，细丝两端感生的交流电压随着沿丝纵向所施加的一个很小外磁场的变化而灵敏变化。巨磁阻抗效应具有灵敏度高、响应速度快、非接触性测量、敏感元件体积小等特点，为开发新型电流传感器提供可能。目前对GMI效应传感器的研究侧重于对敏感元件性能的研究上，如何提高材料的GMI效应是研究的重点。
研究发现，趋肤效应显著时材料表面粗糙度对GMI效应有较大影响[2][3][4]。粗糙表面产生退磁场以及表面不规则度大于趋肤深度，都将导致GMI效应的减小。Amalout[5]采用物理抛光与化学腐蚀方式，得到表面粗糙度较小的样品，减小了材料有效磁各向异性，增加了材料的软磁性能。Laurita[6]，Peksoz等[7][8]研究了不同涂敷层(Co，ZnO)对薄带GMI效应影响，发现趋肤效应显著时，薄带表面微小变化都将会对材料GMI效应产生影响，粗糙表面产生的退磁场将影响材料GMI效应，表面涂敷层使样品形成闭合磁路，也提高了样品GMI效应。
本文通过在Co66Fe4NiSi15B14表面涂覆不同厚度的CoFe薄膜层，来研究表面镀膜对薄带GMI效应的影响。
2 实验方法
实验使用的非晶带材是上海世路特种金属材料公司生产的Co66Fe4NiSi15B14，薄带宽2mm、厚度25μm、长度10mm。采用直流溅射法在薄带上涂覆CoFe薄膜，靶材为采用传统陶瓷工艺制备的CoFe。钴铁薄膜的制备工艺条件如下：背底真空3×10-5Pa，溅射功率30W，溅射时间分别为：30min、40min、50min，制备的钴铁薄膜厚分别约为：300nm、400nm、500nm，在本文中分别用样品1、样品2、样品3代替。
材料的表面形貌采用Digital Instruments公司的Nanoscope Ⅲ原子力显微镜进行。GMI效应测量系统由Agilent 4285A阻抗分析仪配以亥姆霍兹线圈(Helmholtz Coil)等组成，采用四点法测量样品阻抗，激励电流沿带轴方向，直流磁场施加于样品轴向，样品夹具与测试仪之间用同轴电缆连接[9]。为避免地磁场干扰，直流磁场方向与地磁场垂直，测试时交流幅值保持在10mA。测量结果表示成GMI%随外加直流磁场的变化曲线，表达式为：
              (1)
其中ΔZ/Z、Z(Hex)及Z(Hmax)分别为巨磁阻抗比、任意磁场Hex下的巨磁阻抗以及最大磁场下的巨磁阻抗。
3 结果与讨论
如图1所示为Co基薄带未镀膜与镀膜样品的表面形貌图。其中，图1(a)为未镀膜的Co基薄带表面形貌，由于制备工艺等原因，其表面并不光滑，出现了条纹状裂痕；图1(b)、(c)、(d)为镀不同膜厚后Co基薄带表面形貌，可以看出随着膜厚的增加，薄带表面的平整度由好变差，400nm时薄带表面的平整度最好。这是因为在镀膜过程中原子沉积在样品表面，填充条纹裂痕，使得薄带表面变得平整，但随着溅射时间进一步增加，样品表面产生大量中心高、四周低的颗粒状突起，难以通过表面扩散消除，因此表面粗糙度增加。通过AFM可以得出镀膜前和镀膜后Co基薄带表面粗糙度的平均值Ra及均方根值RMS分别为：(a)17.34nm、23.1nm；(b)16.8nm、23nm；(c)11.1nm、14.2nm；(d)14.8nm、18.1nm。
图2为在室温下测得的镀膜前后样品的磁滞回线，从磁滞回线可以得到镀膜前后样品的饱和磁化强度(Ms)和矫顽力(Hc)的大小。其中，未镀膜样品：88emu/cm3、3.94Oe，样品1：121.25emu/cm3、4.21Oe，样品2：116.64emu/cm3、4.22Oe，样品3:115.15emu/cm3、4.23Oe。可以认为在Co基薄带表面镀CoFe薄膜并没有改善薄带的软磁性能。
图3(a)为镀膜前后样品的GMI%与激励频率的关系曲线，可以看出随着频率的升高镀膜与未镀膜样品的GMI%都先增大后减小。对于未镀膜的薄带在频率为800kHz时巨磁阻抗比达到最大为46.2%，对于镀400nm膜厚的薄带在频率为1.5MHz时巨磁阻抗比达到最大为65%。这是因为：在低频下，由畴壁位移和磁畴转动贡献的磁导率，使材料GMI效应达到最大；频率继续增加，畴壁位移由于涡流阻尼而钉扎，对磁导率贡献主要来自于磁畴转动，导致GMI效应减小。
比较图3(a)中的四条曲线可以发现，当频率较低时，未镀膜样品的GMI%高于镀膜样品；而随着频率的升高，镀膜样品的GMI%大于未镀膜样品，且随频率的变化更加的显著。从图2的磁滞回线可知，未镀膜样品的软磁性能要好于镀膜之后的样品，所以在频率较低时未镀膜样品的GMI%更大些；而当频率升高后，镀膜样品的GIM%较之未镀膜样品得到了提高，并且随着薄带表面粗糙度的减小，薄带的GMI%越显著。这可能是由于未镀膜样品的粗糙表面突起不平，局部形成了回路磁场，从而使表面退磁场增加，导致GMI效应的减小，并且在高频下这种现象更为明显；通过在薄带表面镀CoFe薄膜层则降低了表面粗糙度，减小表面退磁场的影响，并且闭合样品磁通回路，因而提高了样品GMI效应。[#page#]
图3中(b)、(c)分别给出了在0.3~2.5MHz频率下未镀膜与镀膜厚为400nm的Co基非晶薄带的GMI%与外加磁场的变化曲线。通过比较图3中(b)、(c)可以看出当激励电流的频率达到一定时，镀CoFe薄膜的Co基非晶薄带GMI%得到了显著的提高。
3 结论
通过在10mm×2mm×25μm 的Co基非晶薄带上镀CoFe薄膜层，研究镀膜样品与未镀膜样品GMI效应随激励电流频率和外加磁场强度的关系，以及膜厚对非晶薄带GMI效应的影响。研究发现，频率较高时有CoFe薄膜层的样品与未镀膜样品相比，GMI效应得到了改善，并且随着膜厚的增加样品的GMI%先增加后减小。对于膜厚为400nm的样品，在激励频率1.5MH时样品最大GMI比值65%，而未镀膜样品为38.7%，提高近30%。通过AFM观测样品表面形貌，发现镀膜后样品的表面粗糙度较镀膜前得到了明显的减小，表面更加的平整。
通过研究发现，趋肤效应显著时材料表面粗糙度对GMI效应有较大影响，由于粗糙表面突起不平，局部会形成回路磁场，从而使表面退磁场增加。在薄带表面镀膜降低了表面粗糙度，减小表面退磁场的影响，并且闭合样品磁通回路，因而提高了样品GMI效应。

参考文献
[1] Mohri K.，Kawashima K，Yoshida，H.， et al. Magneto-inductive effect(MI effect) in Amorphous Wires. IEEE Trans. Magn.，1992，28(5):3150-3152
[2] KRAUS L. GMI modeling and material optimization. Sens. Actuators A.， 2003，106:187-194
[3] Anurag Chaturvedi， Tara Dhakal， Sarath Witanachchi， et al. Correlation between magnetic softness，sample surface and magnetoimpedance in Co69Fe4.5X1.5Si10B15(X=Ni，Al，Cr) amorphous ribbons.Physica B.，2010，405:2836-2839
[4] Anh-Tuan Le， Chon-Oh Kim， Nguyen Chau， et al. Soft magnetic properties and giant magneto-impedance effect of Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=1-5) alloys.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2006，307:178-185
[5] F. Amalou， M. A. M. Gijis. Giant magnetoimpedance of chemically thinned and polished magnetic amorphous ribbons. J. Appl. Phys.，2001，90(7): 3466-3470
[6] Nicholas Laurita， Anurag Chaturvedi，M.H. Phan， et al. Enhanced giant magnetioimpedance effect and field sensitivity in Co-coated soft ferromagnetic amorphous ribbons. J. Appl. Phys.， 2011，109(7):07C706/3
[7] Ahmet Peksoz， Yunus Kaya， Asili Ayten Taysioglu， et al. Giant magneto-impedance effect in diamagnetic organic thin film coated amorphous ribbons. Sens. Actuators A. 2010，159: 69-72
[8] Asli AYTEN Taysiolu， Yunus Kayas. Ahmet Peksoz. Et al. Giant Magneto-Impedance Effect in Thin Zinc Oxide Coated on Co-Based(2705X) Amorphous Ribbons. IEEE Trans. Magn.，2010，46(2): 405-407
[9] 钟智勇，张怀武，刘颖力，等.应力作用下电流退火对钴基非晶薄带的巨磁阻抗效应的影响研究. 功能材料， 2002，33(3):258-259