巨磁阻抗效应.ppt

巨磁阻抗效应Giant magneto-impedance 巨磁阻抗效应，简称GMI(Giant magneto-impedance)，是指某些材料在通以一定频率的交变电流时，其交流阻抗随外加轴向磁场迅速变化的现象，常见的这种材料为Co基非晶丝等。它来源于磁感应(Magneto-inductive)，最早可追溯到20世纪30年代，但由于当时材料和应用领域的限制，GMI的应用前景并不明朗，在当时和以后的几十年里未引起人们注意。 GMI的发现 1992年，日本名古屋大学的K．Mohri（毛利佳年雄）等在CoFeSiB软磁非晶丝中发现了GMI效应，即非晶丝在交变电流激发下，其阻抗值随沿丝轴方向施加的外磁场的变化而发生显著变化，阻抗变化率ΔZ／Z0在几奥斯特(Oe)磁场作用下可达50％，比金属多层膜Fe／Cu或Co／Ag在低温、高磁场强度下观察到的巨磁电阻效应(GMR)高一个数量级，自此这一现象引起了广泛关注。 ΔZ／Z0一般定义为(ZH-Z0)／Z0，其中Z0、ZH分别表示无外磁场和外加磁场下软磁材料的交流阻抗，其比值的大小表示材料对磁场变化的敏感程度。 GMI效应的特点 灵敏度高、响应快、温度稳定、无磁滞等 在低场范围(1Oe左右)，阻抗随磁场增加而增大，其灵敏度约为20％／Oe-100％／Oe，而在高场1Oe左右)范围，阻抗随磁场增加而急剧减小，最后趋于饱和，饱和场约10Oe，磁阻抗最大变化率为100％以上。 GMI效应的物理本质还不是非常清楚，但是较为普遍接受的观点认为GMI效应的出现是在足够高频率下趋肤效应的结果。 趋肤效应：交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大的现象。趋肤效应使导体的有效电阻增加。频率越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。 当交流电流通过导体时由于趋肤效应，趋肤深度 式中 为丝的环向磁导率， 为电流角频 率， 为电导率。 外磁场可以影响材料内部的等效场，使材料的有效磁导率发生变化，从而导致材料的趋肤深度发生变化，而趋肤深度变化意味着驱动电流流过样品的有效面积发生了变化，从而引起样品的有效阻抗发生变化，最后导致巨磁阻抗效应的产生。 非晶态合金(金属玻璃） 一种没有原子三维周期性排列的金属或合金固体。它在超过几个原子间距范围以外，不具有长程有序的晶体点阵排列。原子在三维空间呈拓扑无序状排列，不存在长程周期性，但在几个原子间距的范围内，原子的排列仍然有着一定的规律，因此可以认为非晶态合金的原子结构为“长程无序，短程有序”。通常定义非晶态合金的短程有序区小于1．5nm，即不超过4-5个原子间距。 (a)晶态 (c)位置无序 (b)成分无序 (d)拓扑无序 和普通晶态金属与合金相比，非晶态金属与合金具有较高的强度、良好的磁学性能和抗腐蚀性能等，通常又称之为金属玻璃或玻璃态合金。可部分替代硅钢、玻莫合金和铁氧体等软磁材料，且综合性能高于这些材料。 非晶态的产生 金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一但金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金。可见，产生非晶态合金的技术关键之一，就是如何快速冷却的问题。 形成非晶态合金的过程是：液态金属一过冷液态金属一非晶态合金 非晶态合金是由熔融的液态金属经快速冷却而形成，晶态合金是由熔融的液态金属以较慢的速度冷却，形成核并长大而得到。因此，非晶态材料与晶态材料相比有两个最基本的特点： 1、原子排列不具有周期性 2、宏观上处于非热平衡的亚稳态。 非晶态合金在宏观上处于非热平衡的亚稳态。亚稳是指在同样外界条件下，非晶态合金比相应晶态的能量高。温度高于或等于熔点的液态金属，其内部处于平衡态。从自由能观点来看，当温度低于熔点时，在没有结晶的情况下过冷，此时体系的自由能将高于相应的晶态金属，故呈亚稳态。 非晶态固体的物理性质同晶体有很大差别，这同它们的原子结构、电子态以及各种微观过程有密切联系。 非晶合金由于其独特的无序结构，并兼有一般金属和玻璃的特性，使得它在物理、化学及机械性能上表现出一系列优异的特性——很高的耐腐蚀性、抗磨性、较好的强度和韧性、理想的磁学性能，如Fe基非晶合金是非晶软磁合金中饱和磁感最高的