機(jī)械合金化鐵磁-反鐵磁體系的結(jié)構(gòu)與磁性能研究.pdf

1、巨磁阻效應(yīng)首先在Fe/Cr金屬多層膜中被發(fā)現(xiàn)，因此對Fe-Cr體系進(jìn)行深入研究具有現(xiàn)實和理論的意義。Fe-Cr體系雖然在室溫下互不固溶，但通過機(jī)械合金化的方法可制得納米晶的固溶體。當(dāng)Fe-Cr基合金中摻入Mn或V時，其三元合金隨溫度和濃度的變化呈現(xiàn)出各種有趣的磁現(xiàn)象，但機(jī)械合金化制備的三元Fe-Cr-Mn(V)的結(jié)構(gòu)和磁性能尚未見報道。因此，本論文對機(jī)械合金化制備的三元Cr-Fe-(V,Mn)合金及其磁性能進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究?；阼F磁

2、/反鐵磁交換偏置在巨磁電阻器件的實用化過程中的重要作用，本論文選擇α-Fe為鐵磁體，不含F(xiàn)e且奈爾溫度高于室溫的反鐵磁體作為研究對象，利用穆斯堡爾譜對樣品的微結(jié)構(gòu)與鐵磁/反鐵磁交換相互作用的關(guān)系進(jìn)行了研究。 論文簡要回顧和總結(jié)了機(jī)械合金化Fe-Cr體系的微結(jié)構(gòu)和磁性能的的研究歷史和現(xiàn)狀。概述了交換偏置的基本現(xiàn)象和薄膜體系的交換偏置的研究內(nèi)容，并對高能球磨鐵磁/反鐵磁微顆粒的交換偏置的研究進(jìn)展作了簡要介紹。本論文包括的主要研究內(nèi)容

3、有： 采用X-射線衍射和穆斯堡爾效應(yīng)對兩種不同氣氛下機(jī)械合金化過程中Fe60Cr40粉末的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明球磨過程中殘留氣氛對球磨過程和最終產(chǎn)品具有很重要的作用。Fe60Cr40粉末在球磨罐未抽真空直接充Ar氣的條件下球磨，由于殘留N2和O2的影響，球磨85h時順磁性Fe-Cr+N+O結(jié)構(gòu)幾乎占100％。而在球磨罐抽真空再充Ar氣的條件下機(jī)械合金化，得到具有與塊體合金大致相同磁性能的納米晶鐵磁性Fe60Cr40無序固溶

4、體。 采用X-射線衍射、穆斯堡爾效應(yīng)和磁性能測量研究了機(jī)械合金化過程中FexCr90-xV10(x=18，35)粉末的微結(jié)構(gòu)和磁性能變化。并結(jié)合對磁滯回線的計算機(jī)擬合分析，建立了機(jī)械合金化制備的納米晶FexCr90-xV10(x=18，35)合金的微結(jié)構(gòu)模型。 研究結(jié)果表明，F(xiàn)exCr90-xV10(x=18，35)粉末在球磨過程中，由于單質(zhì)V相的較快消失，F(xiàn)e原子組態(tài)由α-Fe、富Fe的鐵磁性Fe(Cr,V)相和富Cr

5、的順磁性Cr(Fe，V)相組成。α-Fe組元隨球磨時間增加單調(diào)減少，富Fe的Fe(Cr,V)相隨球磨時間延長先增加后減少，順磁相隨球磨時間的增加而單調(diào)增加。球磨50h，形成了bcc結(jié)構(gòu)的順磁性納米晶Cr-Fe-V合金。在富Cr的合金成份內(nèi)，F(xiàn)e含量越高，生成均質(zhì)的納米晶Fe-Cr-V合金所需的球磨時間越長。隨著球磨時間的增加，樣品室溫磁滯回線的高場部分不飽和性越強(qiáng)，比飽和磁化強(qiáng)度單調(diào)減小，矯頑力和剩磁比在球磨初期顯著增加，而后趨于飽和。

6、Fe含量越高，相同球磨時間樣品的矯頑力和剩磁比越小。FexCr90-xV10(x=18，35)粉末在不同球磨時間存在超順磁馳豫現(xiàn)象，其貢獻(xiàn)隨球磨時間增加而單調(diào)增加，單疇粒子的平均磁矩μ則單調(diào)減小。簡單認(rèn)為納米晶富Cr的Fe-Cr-V合金微結(jié)構(gòu)模型是超順磁性晶粒鑲嵌在順磁性的固溶體基上，且Fe含量越高，納米團(tuán)簇的數(shù)量越多，體積越大。 采用SEM，X-射線衍射和穆斯堡爾效應(yīng)研究了機(jī)械合金化過程中FexCr90-xMn10(x=18，

7、35)粉末的微結(jié)構(gòu)變化。采用振動樣品磁強(qiáng)計和超導(dǎo)量子干涉儀研究了其靜態(tài)和動態(tài)磁性能。 研究結(jié)果表明，F(xiàn)exCr90-xMn10(x=18，35)粉末在球磨過程中出現(xiàn)一些鑲嵌有球狀微細(xì)顆粒的層片狀結(jié)構(gòu)的大顆粒。球磨30h時，大顆粒的層片狀結(jié)構(gòu)變得不明顯，而顆粒粒徑分布較為均勻。FexCr90-xMn10(x=18，35)粉末在球磨的最初階段，合金化的過程主要是α-Mn和α-Fe向Cr基擴(kuò)散。在球磨過程中，F(xiàn)e原子組態(tài)由α-Fe、富

8、Fe的鐵磁性Fe(Cr,Mn)相和富Cr的順磁性Cr(Fe，Mn)相組成。其中富Fe的Fe基固溶體在超精細(xì)場分布中表現(xiàn)為寬且無特征的高斯分布。球磨40h，形成了bcc結(jié)構(gòu)的順磁性納米晶Cr-Fe-Mn合金。隨著球磨時間的增加，樣品室溫磁滯回線的高場部分不飽和性越強(qiáng)，比飽和磁化強(qiáng)度單調(diào)減小，矯頑力和剩磁比在球磨初期顯著增加，而后趨于飽和。Fe含量越高，相同球磨時間樣品的矯頑力和剩磁比越小。FexCr90-xMn10(x=18，35)粉末在

9、不同球磨時間存在超順磁馳豫現(xiàn)象，其貢獻(xiàn)隨球磨時間增加而單調(diào)增加，單疇粒子的平均磁矩μ則單調(diào)減小。簡單認(rèn)為納米晶富Cr的Fe-Cr-Mn合金微結(jié)構(gòu)模型是超順磁性晶粒鑲嵌在順磁性的固溶體基上，且Fe含量越高，納米團(tuán)簇的數(shù)量越多，體積越大。 球磨40h時FexCr90-xMn10(x=18，35)的熱磁曲線與超順磁行為非常吻合。Fe含量越多，零場冷曲線的峰值溫度越高，場冷與零場冷曲線的分離溫度也越高。對于球磨40h的Fe35Cr55M

10、n10合金來說，在同一種納米晶顆粒中同時存在截止/凍結(jié)兩種行為。交流磁化率與溫度關(guān)系表明納米晶Fe18Cr72Mn10合金中存在類自旋玻璃態(tài)行為；納米晶Fe35Cr55Mn10合金則隨溫度的降低，經(jīng)歷了順磁相到鐵磁相和鐵磁相重入自旋玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變。 采用高能球磨法制備了納米晶Fe/Cr95Mn5金屬復(fù)合材料和納米晶(粗晶)Fe/NiO復(fù)合材料。利用振動樣品磁強(qiáng)計研究了球磨時間、退火溫度和鐵磁相含量對體系鐵磁/反鐵磁交換相互作用的影

11、響。利用穆斯堡爾譜研究了微結(jié)構(gòu)與鐵磁/反鐵磁交換相互作用的關(guān)系。 研究結(jié)果表明，50％Fe/Cr95Mn5納米晶金屬復(fù)合材料從700K溫度場冷卻至室溫，測其磁滯回線，與相應(yīng)的零場冷卻相比較，矯頑力增加且回線向外磁場的負(fù)軸方向漂移，表明存在鐵磁/反鐵磁交換相互作用。球磨0.5h時，這種作用最強(qiáng)，繼續(xù)延長球磨時間，該作用明顯減弱。穆斯堡爾譜對微結(jié)構(gòu)的研究表明，球-Ⅵ-磨0.5h時，輕微的原子間互擴(kuò)散說明鐵磁、反鐵磁材料之間產(chǎn)生了足夠

12、的界面，因此鐵磁/反鐵磁交換相互作用最強(qiáng)。球磨時間延長，鐵磁、反鐵磁材料之間的合金化程度提高，導(dǎo)致兩者之間的界面惡化，因此該作用明顯減弱。納米晶Cr95Mn5的奈爾溫度約為670K，當(dāng)場冷卻開始溫度低于此溫度時，體系基本不存在鐵磁/反鐵磁交換相互作用。矯頑力的增值隨復(fù)合材料中α-Fe的相對含量增加而單調(diào)減小。偏置場首先隨α-Fe含量增加而增加，質(zhì)量百分比為50％時達(dá)最大，然后隨α-Fe含量增加而減小。30％Fe/Cr95Mn5納米晶復(fù)合

13、材料在不同的球磨時間內(nèi)矯頑力增值均大于偏置場的值，球磨1h時，兩者相差最大且體系鐵磁/反鐵磁交換相互作用最強(qiáng)。 50％Fe(納米晶)/NiO復(fù)合材料從630K溫度場冷卻至室溫，測其磁滯回線，與相應(yīng)的零場冷卻相比較，矯頑力增加且回線向外磁場的負(fù)軸方向漂移，表明存在鐵磁/反鐵磁交換相互作用。球磨2h時，這種作用最強(qiáng)。球磨2h時的低速度穆斯堡爾譜由體相α-Fe和界面相α-Fe兩套磁分裂六線譜組成，說明球磨2h時納米晶α-Fe和粗晶Ni

14、O產(chǎn)生了足夠的界面，因此鐵磁/反鐵磁交換相互作用最強(qiáng)。當(dāng)場冷卻開始溫度低于NiO的奈爾溫度590K時，體系基本不存在鐵磁/反鐵磁交換相互作用。 50％Fe(粗晶)/NiO復(fù)合材料在球磨4h以內(nèi)體系的鐵磁/反鐵磁交換相互作用很弱。球磨6h時，體系的鐵磁/反鐵磁交換相互作用最強(qiáng)，8h后又略有下降。球磨2h和4h的穆斯堡爾譜只有體相α-Fe存在，球磨6h時的穆斯堡爾譜由體相α-Fe和界面相α-Fe兩套磁分裂六線譜組成，因此球磨6h時體