Диссертация (1098006), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Предполагалось,что структуры с замкнутым магнитным потоком позволят увеличить МИ в пленках.Однако, существенно улучшить МИ эффект не удалось, при этом появилисьнежелательные эффекты существенной нелинейности и неконтролируемости поведенияимпеданса. Поэтому для сенсорных приложений открытые структуры все-таки имеютпреимущество.4.3.5 Результаты по продольному импедансу с использованием аморфныхмагнитных слоев состава Co70.2Fe7.8B22 и CoSiBПредставляет интерес заменить ферромагнитные NiFe слои аморфным сплавов,чтобы увеличитьотношение проводимостей внутреннего и внешних слоев.163Использовались магнитомягкие аморфные сплавы Co70.2Fe7.8B22 и CoSiB. Аналогичныерезультаты были получены другими группами с использованием аморфных слоев [63-64,266,269-270].Типичные размеры пленок были: толщина слоев- 0.5 m, ширина - 50 m .Поперечная анизотропия индуцировалась в процессе напыления, а также усиливаласьдополнительным отжигом.Длина сенсорного элемента может быть увеличена прииспользовании серпантинных конфигураций, как показано на Рисунке 4.22.Рисунок 4.22.
Конфигурация пленочного элемента и его вид в плоскости.Для аморфных пленок не удается получить эффективное поле анизотропии ниже10 Э, но МИ отношение достигает 250% на частотах порядка 50 МГц, как видно изРисунке 4.23. Это значение более чем в 4 раза выше, чем для NiFe/Au мультислоев.Снижение МИ отношенияпри увеличении частоты уже обусловлено влияниемимпеданса измерительной ячейки, как обсуждалось выше. Также, уменьшениечувствительности с увеличением частоты связано с проблемами калибровки, котораястановится очень существенной на высоких частотах для длинных образцов.МИ характеристики имеют два симметричных пика, что характерно дляпоперечной анизотропии.
При увеличении частоты пики смещаются в область болеевысоких полей, что обусловлено влиянием релаксационных процессов, а такжеразбросом осей анизотропии.164240250f(МГц):f(МГц):50200406030120Z/Z(%)Z/Z(%)16020020801507010010405010100(а)(б)0-60-40-20020Магнитное поле, Hex (Э)4060-60-40-200204060Магнитное поле, Hex (Э)Рисунок 4.23. МИ характеристики пленок Co70.2Fe7.8B22/Cu/Co70.2Fe7.8B22сгеометрией, представленной на Рисунке 4.22 при различных частотах: 1 - 40MHz (a), 50 100MHz (б).При использовании аморфных слоев CoSiB и Au внутреннего слоя удалосьзначительно снизить эффективное поле анизотропии и разброс осей анизотропии.
Врезультате наблюдаются очень узкие МИ характеристики. Для пленок шириной 100 mи длиной 5 мм достигается рекордная чувствительность порядка 40%/Э на частоте 60МГц (Рисунок 4.24). Однако если ширина пленки снижена до 50 m, МИ отношение ичувствительность падают.165Рисунок 4.24 МИ характеристики пленок CoSiB/Au шириной 100µь и длиной 5мм при различных частотах: 1 - 40MHz (a), 50 - 100MHz (б).4.3.6 Исследование влияния ширины пленки на МИПри уменьшении ширины пленки и сохранении неизменной магнитнойструктуры МИ снижается за счет протекания потока через внутренний немагнитныйслой. Конечно, могут происходить и изменения в магнитной структуре пленки. Данныйраздел посвящен исследованию МИ в RF sputtered NiFe/Au/NiFe мультислоев с шириной20-200 m, толщины всех слоев равны 0.5 m [257,271].
При ширине пленки 20 mнаблюдаетсязначительноеснижениеМИотношения.Полученныерезультатыдостаточно хорошо описываются разработанной теоретической моделью.Для характеризации магнитной структуры, проводились магнетооптические(Керр) исследования верхнего Ni-Fe магнитного слоя.
Эти измерения проводились прииспользовании подмагничивающего поля частотой 10 Гц , направленного вдоль длиннойоси пленки, при комнатной температуре. Для пленки шириной 100 микрон наблюдаласьнаклонная кривая намагниченности с небольшим гистерезисом, типичная дляпоперечной анизотропии (Рисунок 4.25).порядкаЭффективное поле анизотропии HK было8 Э. Однако при ширине в 20 микрон петля гистерезиса изменяется,обнаруживая гистерезис, то есть ось анизотропии направлена под некоторым углом (неравным 90 градусов) к длинной оси пленки.166Рисунок 4.25. Кривые намагниченности верхнего NiFe слоя шириной 100 и 20микрон, длиной 2 мм, полученные с помощью измерений эффекта Керра.Рисунок 4.26. Полевые зависимости абсолютной величины импеданса для пленокNiFe/Au/NiFe для различных значений ширины.Толщина отдельного слоя – 0.
5микрон, длина- 5 мм. Частота измерений – 250 МГц.На Рисунке 4.26 представлены полевые зависимости абсолютной величиныимпеданса для мультипленок с различной шириной. МИ характеристики имеют двапика, наблюдаемых при поле Hp ≈ 11Э, что несколько выше поля анизотропии.
Видно,что МИ пик для пленок шириной 200 микрон значительно шире, что может быть связано167с большим разбросом осей анизотропии. Интересно отметить, что чувствительностьоказывается наибольшей для пленок шириной 50 микрон- 30 %/Э в интервале полей 810 Э.Полевые зависимости импеданса для пленок шириной 20 микрон имеютдополнительные пики и гистерезис в области малых полей, что связано с отклонениеманизотропии от поперечного направления.На Рисунке 4.27 представлено поведение относительного изменения импеданса счастотой для пленок различной ширины. Для относительно небольших частот (меньше100 МГц) МИ отношение практически совпадает для пленок шириной 50-200 m. Такоеповедение соответствует выводам теории, так как ширина больше критического размера.При увеличении частоты, МИ отношение широких пленок начинает уменьшаться, но этосвязано с проблемами калибровки.
В случаеb = 50m MI отношение достигает 148 %при 350 MHz. Это также подтверждает, что при такой ширине пленки имеет меньшийразброс осей анизотропии. Для пленок шириной 20 микрон МИ отношение небольшоена низких частотах (меньше 3% на частоте 100 МГц), но достигает значений порядка70% на частотах больших 400 МГц. Это соответствует выводам теории.Рисунок 4.27.
Максимальное изменение импеданса в зависимости от частоты дляпленок NiFe/Au/NiFe различной ширины.зависимости для пленок b=50м и 20м.Для сравнения, даны теоретические168Выводы главыВ данной главе теоретически и экспериментально исследован МИ эффект в трехслойныхсистемах ферромагнетик/метал (Cu,Au,Ag)/ ферромагнетик, в которых проводимостьвнутреннего слоя значительно выше проводимости ферромагнитных слоев.Преждевсего, следует отметить, что относительные изменения импеданса могут быть оченьбольшими (сотни процентов) в широком интервале частот для относительно тонкихпленок (порядка микрона), если проводимость внутреннего слоя значительно превышает(10-50 раз) проводимость магнитных слоев.
Наибольшее изменение импедансанаблюдалось при использовании аморфных CoFeSiB слоев, так как отношениепроводимостейувеличиваетсядо50.Приэтомбыладостигнутарекорднаячувствительность изменения импеданса порядка 40%/Э на частоте 60 МГц в системахCoSiB/Au/ CoSiB общей толщины 1.5 микрона, шириной 100 микрон и длиной 5 мм.Анализ показал, что существует критическая ширина, которая зависит отчастоты, толщин слоев и магнитной проницаемости, которая определяет протеканиемагнитного потока через немагнитный слой. Если ширина пленки сравнима или меньшеэтого критического параметра, то этот процесс приводит к значительному падению МИотношения (динамический размагничивающему эффект). Это явление аналогичноснижению эффективности индуктивных записывающих головок.169Глава 5Асимметричный и недиагональный магнитоимпедансИнтенсивные исследования в области МИ в большой степени обусловленныпотенциалом применения этого эффекта для создания сверхчувствительных сенсорныхэлементов.
Одним из важнейших параметров сенсорных систем является линейность.Между тем, характеристики диагонального МИ не являются линейными и не зависят отнаправления магнитного поля. Это может вызвать сложности для конструированиясенсорных систем. Линейность в определеном интервале полей достигается за счетсдвига рабочей точки в линейную область с помощью дополнительного магнитногополя . Если два элемента с противоположно направленными полями соеденены вдифферинциальной схеме, то можно получить выходной сигнал, близкий к линейному вобласти нулевого внешнего поля.
Использование дополнительного поля может бытьнежелательно. Это связанно с увеличением расхода энергии, а в некоторых случаях, сусложнением конструкции за счет дополнительных катушек. Обратим внимание на то,чтовоздействиедополнительногополяприводиткасимметричностиМИхарактеристик. То есть для формирования линейного отклика в окрестности нулевогополя оказывается важным получение ассиметричного МИ эффекта по отношению квнешнему полю . В этой главе рассматриваются два основных механизма полученияассиметричного МИ (АМИ): «статический» за счет определенной конфигурациистатической намагниченности и «динамический» за счет смешивания диагональных инедиагональных компонент тензора поверхностного импеданса.
Также, в этой главеболее подробно исследуется недиагональный МИ. Асимметричный МИ, обусловленныйоднонаправленной анизотропией и полем сдвига, возникающими в кристаллическихповерхностных слоях, подробно исследовался в [272-274]. Мы также не рассматриваемвозможность асимметрии за счет обменных взаимодействий [275], так как с нашейточки зрения этот вклад не существенен.При высоких частотах, соответствующих сильному скин-эффекту, распределениетока в магнитном проводнике и, соотвнетственно, импеданс зависят от направлениястатическойнамагниченности.Следовательно,полевыезависимостиимпедансасвязанны с кривыми статической намагниченности.
Как было показано в предыдущихглавах, в случае циркулярной анизотропии в проводе или попречной анизотропии в170пленках, диагональная компонента импеданса имеет два симметричных максимума при ≅ ± , чтосоответствуетнасыщениювпродольномнаправлении.Можнопредположить, что асимметричное намагничивание приведет к соответствующейассиметрии импедансных характеристик. Это было продемонстрированно для провода сгеликоидальной анизотропией[86,87,276-279], а также для трехслойной пленки соскрещенной анизотропией [280-283] в присутствие дополнительного тока . Заметим,что в этом случае все же требуется дополнительное постоянное воздействие.
Ноиспользование для этого тока, а не поля, практически более удобно. Асимметричноенамагничивание может быть также осуществлено с помощью дополнительных слоев измагнитногоматериаласозначительнобольшейкоэрцитивностью,создающегопостоянное подмагничивающее поле.АМИ может быть получен с помощью дополнительного высокочастотногомагнитного поля hex [285-288], которое по величине соответствует полю возбуждения, тоесть не приводит к дополнительным затратам энергии.
Такое поведение, оказывается,связанно с высокочастотными перекрестными процессами намагничивания, например,возбуждения циркулярной намагниченности продольным магнитным полем. Такойпроцесс хорошо известен в низкочастотной области-Matteucei effect [289]- генерациянапряжения на проводе с помощью продольного поля.
Или возбуждение продольнойнамагниченности циркулярным полем (Inverse Wiedemann [290-291]), но это требуетгеликоидальной анизотропии. В высокочастотной области перекрестные члены связанныс гиротропией вращательных процессов намагниченности (тензор проницаемости). Сувеличением частоты, вклады в напряжение за счет hex и тока i становится сравнимыми,и характер зависимости напряжения от H ex становится асимметричным. В терминахматрицыповерхностногоимпедансаэтосоответствуетвкладунедиагональнойкомпоненты в напряжение, измеряемое на МИ элементе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
