应力退火感生磁各向异性机理

中国科学 E辑: 技术科学 2008年 第38卷 第3期: 428 ~ 441

http://wendang.chazidian.com http://wendang.chazidian.com 《中国科学》杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS Fe基合金应力退火感生磁各向异性机理的AFM研究

方允樟*, 郑金菊, 施方也, 吴锋民

③①①杨晓红, 满其奎, 叶方敏 ①②①①①②, 孙怀君, 林根金, ①①

① 浙江师范大学数理与信息工程学院, 金华 321004;

② 浙江师范大学物理化学研究所, 金华 321004;

③ 金华职业技术学院, 金华 321000

* E-mail: fyz@http://wendang.chazidian.com

收稿日期: 2006-09-25; 接受日期: 2007-03-02

浙江省自然科学基金(批准号: Y405021)、浙江省科技计划重点项目(编号: 2006C21109)和教育部科学技术研究重点项目(批准号: 204059)资助

摘要 用原子力显微镜(AFM)观测不同外加张应力下540℃退火的Fe基合

金薄带(Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9)断口形貌, 结合X射线衍射谱和纵向驱动巨磁阻

抗效应曲线, 研究Fe基合金薄带张应力退火感生横向磁各向异性场过程中

的应力作用机制. 建立了包裹晶粒方向优势团聚模型, 揭示了包裹晶粒方向

优势团聚与磁各向异性场的关系.

关键词 应力退火 纳米晶 AFM 磁各向异性

Fang等人[1]根据AFM断口观测结果, 提出了自由退火(不外加应力)Fe基合金的三相结构模型. 但自Yoshizawa等人[2]报道FINEMET材料具有优异性能以来, 张应力退火感生横向磁各向异性场的现象由于可以有效地控制材料的性能, 一直受到人们的重视. Kraus等人[3]较早地报道了Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄带张应力退火感生横向磁各向异性场的现象. Herzer[4,5]研究了磁场和张应力退火感生磁各向异性场的现象, 提出了张力回应力(磁弹耦合)理论. Hof-mann等人[6,7]研究了不同退火方式和不同大小张应力退火对感生各向异性的影响, 提出了原子对方向有序理论. Kraus等人[8]和刘静雅等人[9]与Herzer[4,5]和Hofmann等人[6,7]一样, 都是用磁滞回线测量方法研究张应力退火Fe基纳米晶带的磁各向异性. Wang等人[10]等则通过测定不同张应力退火的Fe基纳米晶带在高频纵向驱动场下的巨磁阻抗效应,由相位随外磁场变化的最小值可以很容易地确定材料的横向磁各向异性场Hk, 但他们指出, 要解释相关机理还需进一步的研究. Bensalah等人[11]研究了张应力退火对三明治结构Fe基纳米晶的巨磁阻抗效应有明显的影响, 认为也是由于张应力退火感生了横向磁各向异性所致.

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人们对Fe基非晶材料应力退火现象研究了10多年, 做了大量工作, 但对于磁各向异性场产生的机理众说纷纭, 说法各异, 未能形成共识. 被引用最多, 代表性和影响力较大的是Herzer[5]的张力回应力(磁弹耦合)理论和Hofmann等人[6,7]的原子对方向有序理论, Herzer的研究发现, 应力感生磁各向异性与材料的饱和磁致伸缩系数没有直接的关系, 而只与α-Fe(Si)晶粒的磁致伸缩系数有关, 并且经张应力退火的Fe基纳米晶带有明显的伸长. 因此, 他认为应力感生磁各向异性来源于非晶基体滞弹性形变对α-Fe(Si)晶粒造成了内部拉应力, 从而引起α-Fe (Si)晶粒负的磁致伸缩与非晶基体滞弹性形变引起的应力耦合发生磁弹相互作用. Hof-mann等人[6,7]基于Neel的原子对方向有序模型, 提出除Herzer认为的磁弹相互作用外, α-Fe(Si)纳米晶粒中原子对方向有序机理也是产生应力感生磁各向异性最可能的原因, 但未能说明形成原子对方向有序的机理. 继Herzer和Hofmann理论后, Lachowicz等人[12]在实验的基础上, 提出原子对方向有序才是应力感生磁各向异性的起因, 但同时强调, 该结论需要进一步的实验来验证. Ohnuma等人[13]采用透射X射线衍射技术, 进行了X射线衍射小角扫描测量, 发现沿薄带方向加200 MPa应力退火的Fe73.5Si15.5B7Nb3Cu1薄带的α-Fe(Si)垂直于带轴方向的(310)晶面间隔比平行于带轴方向的(310)晶面间隔大0.2%, 他们认为这是应力感生纳米晶软磁合金磁各向异性的直接证据, 但他们同时说明, 不清楚这种沿应力方向的原子面间距的增大是由于应力退火过程中内应力引起晶格奇变所致, 还是由于原子对方向有序趋向所致.

近期, Flohrer等人[14]和Zeleňáková等人[15]为了获得更多详细的关于张应力退火感生各向异性的信息, 采用了Kerr磁显微技术观察FINEMET材料的磁结构. Flohrer等人[14]为了降低磁致伸缩因素的影响, 选择了饱和磁致伸缩系数接近0 (|λs|<0.2 ppm)的Fe73Cu1Nb3Si16B7为组分的合金薄带作研究对象,发现磁畴结构及在磁化过程的演变行为, 与各向异性常数有密切关系. Zeleňáková等人[15]则对Fe73.5-xCrxCu1Nb3Si13.5B9(x=0~4 at%)纳米晶带的磁畴结构与Cr原子比例X及和张应力的关系进行了研究, 发现随退火过程中外加应力的增大, 与应力方向垂直的磁畴结构越明显, 当X<3时, 张应力退火感生横向的磁畴结构, 当X>3时, 张应力退火感生纵向的磁畴结构. 但他们指出, 欲从微结构上做出解释, 还需进一步的实验和理论研究.

本工作将采用AFM断口观测方法直观地揭示经不同张应力退火的Fe基纳米晶薄带介观结构的演化, 从介观结构角度揭示应力感生磁各向异性的机理.

1 实验

由单辊快淬法喷制宽1.1 mm, 厚25 µm的Fe基(Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9)非晶薄带, 截取长20 cm的条带, 在氮气保护下, 分别加不同张应力(σ =0, 171, 356, 570 Mpa)随炉升温至540℃保温60 min, 然后再随炉冷却至室温, 制成不同张应力退火的Fe基纳米晶薄带.

将Fe基纳米晶薄带横向夹住, 往自由面方向单向用力折断, 制成AFM横断面样品[16]. 在室温和大气中, 用P47H型AFM分别观测不同张应力退火薄带样品的横断面结构. 原子力显微镜用TGSFull型系列标准光栅进行三维方向标尺以及角度、斜率、非线性的校准. 薄带横断面坐标, 如图1所示. 在扫描过程中, 先以3000 nm为每幅扫描范围, 沿X方向以2000 nm为移动单位一幅接一幅地从自由面向贴辊面连续扫描AFM图(相邻两幅图间的衔接以图中可指认特征点为依据), 获得样品从自由面到贴辊面的整个横断面的AFM定标图, 再依据AFM定

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标图, 根据可指认特征确定a, b, c三个区域, 然后进行精细扫描.

用X射线衍射仪(Co靶)测量薄带的XRD谱,用Si-640X射线标准样品的(220)晶面衍射峰(2θ =47.3°)测量仪器的几何展宽, 选取(110)面的衍射数据, 扣除仪器几何展宽后, 对结晶相衍射峰根据Scherrer公式计算晶粒尺寸

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图1 铁基纳米晶薄带横断面坐标示意图

(a) 横断面放大; (b) 薄带坐标

用φ0.1 mm漆包线绕成直径2.5 mm, 长9 mm的100匝线圈. 在线圈中插入长40 mm, 宽

1.1 mm和厚25 µm的Fe基纳米晶薄带组成一个等效阻抗元件[2], 使线圈轴向平行于磁场方向置入直流磁场中, 驱动电流10 mA, 直流磁场由直径φ20 cm的Helmholtz线圈产生(方向与地磁场方向垂直); 在不同外加直流磁场作用下, 用4294A阻抗仪分别测量充有不同张应力退火的薄带样品的阻抗频谱曲线.

2 结果与讨论

2.1 应力退火Fe基纳米晶薄带横断面的AFM图

图2是540℃自由退火(不外加张应力)的Fe基纳米晶薄带横断面AFM图. 图片按图1中所示方法标定a区、b区、c区在Fe基纳米晶薄带横断面上的相应位置. a区图是自由面区横断面AFM三维显示图片, 呈20 nm左右的细小颗粒均匀分布状, b区图是中心过渡区横断面AFM三维显示图片, 颗粒尺寸增大到约50 nm, 并且具有少量的与X轴方向成48°角的方向优势团聚, c区图是贴辊面区横断面AFM三维显示图片, 没有明显的方向优势团聚, 但是颗粒尺寸增大到了约190 nm, 比a区和b区的颗粒尺寸都大.

图3是171 MPa张应力作用下, 540℃退火的Fe基纳米晶薄带横断面 AFM图. 各图片的在薄带横断面上的位置标定方法同图2. 比较图3和2可以看出, 图3中显示的结构与图2所示的540℃自由退火的Fe基纳米晶薄带横断面中的结构有所不同, 在a区图片所示近自由面区横断面结构中, 颗粒间出现了与X轴方向成48°角的方向优势团聚(图中所示箭头为团聚方向), 且颗粒较540℃自由退火的有所增大, 约为50 nm, 相当于自由退火时自由面区颗粒尺寸的2倍; 中心过渡区和近贴辊面区范围内, 呈明显颗粒状结构, 颗粒大小由中心过渡区的约100 nm增大到近贴辊面区的220 nm左右.

图4是356 MPa张应力作用下, 540℃退火的Fe基纳米晶薄带横断面AFM图. 相比图2和3中a区图片所示近自由面区横断面结构中, 颗粒的方向团聚结构更明显, 且此明显团聚结430

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构的范围扩展到了中心过渡区, 优势团聚的方向也有所变化: 与X轴方向的夹角从近自由面的40°逐渐增大到中心过渡区的49°. 由近自由面区向近贴辊面区, 颗粒尺寸由约80 nm增大到约220 nm.

图2 540℃自由退火的Fe基纳米晶薄带横断面AFM图

图5是570 MPa张应力作用下, 540℃退火的Fe基纳米晶薄带横断面AFM图. 可以看出近自由面区具有非常明显的方向优势团聚, 且范围已经向贴辊面扩展, 此优势团聚的方向与X轴方向的夹角由近自由面的18°逐渐增大到近贴辊面的55°; 由近自由面区向近贴辊面区过渡, 颗粒尺寸由约150 nm增大到约230 nm.

对比分析图2~5所示的Fe基纳米晶薄带横断面AFM图片容易发现, 张应力540℃退火的Fe基纳米晶薄带的介观结构存在如下特征:

(ⅰ) 颗粒团聚的方向优势特征.

(a) 随着张应力的增大, 颗粒团聚的方向优势逐渐明显, 且这种方向优势范围随着张应力的增大逐渐从自由面区向贴辊面区扩展.

(b) 近自由面区颗粒优势团聚的方向与X轴的夹角随张应力从171 MPa增大到570 MPa, 从48°减小到18°.

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图3 171 Mpa张应力540℃退火的Fe基纳米晶薄带横面AFM图

图4 356 Mpa张应力540℃退火的Fe基纳米晶薄带横断面AFM图

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