磁性异质纳米刷子的巨磁阻抗效应与性能研究

Giant magnetoimpedance (GMI) sensor has potential applications in the field of high resolution of magnetic field detection. In recent years, with the rapid development of nano materials, the size of magnetic sensors is projected to reach nano-scale. Based on the fundamental understanding that transverse permeability plays an important to GMI effect, this research program aims at a kind of new nanobrush structure to introduce the exchange coupling effect of nanowires and nanofilm .AAO templates and laser direct-writing can be used to regulate the shapes, diameters, length and textures of the nanowires. Magnetic sputtering process can be used to regulate the component of the film. Influence of GMI effect on different experimental parameters will be investigated to improvement the magnetic properties and sensor properties. This work is of much interest both for the improvement of GMI effect and for the future development and application of GMI magnetic sensors.

巨磁阻抗（GMI）效应传感器在微磁场探测以及大量交叉学科中具有巨大的应用潜力，近些年，随着器件小型化、集成化的发展，微纳米尺寸下的GMI材料及传感器备受关注。本项目从"横向磁导率"影响GMI效应这一观点出发，创新性地利用纳米刷子这种新型纳米结构中磁性薄膜和微/纳米线之间的交换耦合作用增强薄膜中的"横向磁导率"。通过阳极氧化铝（AAO）模板和激光直写仪实现纳米刷子中的纳米线阵列的形状、直径、长度的调控；通过控制电沉积和磁控溅射过程，能够实现微/纳米线的成分、织构的调控。研究不同的实验参数对微/纳米刷子结构的巨磁阻抗效应的影响和性能提高，探索后续处理工艺对刷子结构静态磁性、动态磁性以及磁畴结构的影响。该项目的立项，有助于完善GMI效应的相关理论，为微/纳GMI传感器的发展和效应增强提供新思路和新方法，并有希望为新型高性能GMI传感器的研制和应用奠定基础。

磁性异质纳米刷子结构实现了磁性纳米线阵列（NWs）引入的垂直各向异性和磁性薄膜引入的面内各向异性的相互竞争耦合，可以达到对NWs或者磁性软磁薄膜的性质调控，在磁性传感器、微波器件等方面有好的应用前景。因其特殊的结构也成为热点物理现象的重点关注对象。课题的主要目标是通过薄膜和微/纳米线之间的交换耦合作用以调控薄膜中的横向磁导率，以达到调控纳米刷子巨磁阻抗等高频效应的目的。实验中通过阳极氧化铝（AAO）模板以及超净室微纳加工工艺，实现了纳米刷子中的纳米线阵列的形状、直径、长度、织构的获得和调控；通过控制电沉积和磁控溅射过程，能够实现微/纳米线的成分的调控。研究中发现，薄膜和微/纳米线之间的交换耦合作用在高频频段对横向磁导率的影响体现的更为明显，特别研究了Fe NWs/FeNi film纳米刷子体系中的磁偶极相互作用、交换耦合相互作用对动态磁特性（包括铁磁共振FMR、自旋波激发等）的调控。连续FeNi薄膜表面沉积不同阵列的FeCo圆柱构成的刷子结构中交换耦合对于FeNi薄膜调控作用更为明显。更进一步将纳米柱替换为空心圆柱，研究了不同内外径比的FeNi圆环阵列的高频性能，为完善纳米刷子体系提供了参考。纳米刷子体系中，薄膜和微/纳米线之间的交换耦合作用在高频GHz频段对横向磁导率的影响体现的更为明显，因此对GMI效应的影响在高频段的研究也尤为重要，而传统的阻抗测试方法只能在较低频（100 MHz）下适用，因此进一步研究了通过微带线夹具来探测高频率下的阻抗特性。此外，建立了以磁致伸缩为基础的物理模型，旨在提高GMI材料的低场灵敏度。同时通过以非晶带材料为基础，验证了我们模型的正确性，为进一步改善纳米刷子GMI性能提供参考依据。同时还研究了图案化对于GMI性能的影响，为阵列化传感器的应用奠定基础。