通过等温退火调控玻璃包覆Co-Fe-Si-B-Ni-Mo微丝的巨磁阻抗和磁性能

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Tuning Giant magnetoimpedance and magnetic properties of glass-coated co-Fe-Si-B-Ni-Mo microwires via isothermal annealing

　　

研究人员评估了退火对具有近零磁致伸缩的Co_68.7Fe₄Si₁₁B₁₃Ni₁Mo_2.3玻璃包覆微丝的磁性能和巨磁阻抗（Giant Magnetompedance, GMI）响应的影响。研究人员使用了固定尺寸的微丝，并在350?°C下退火30、45、60和90分钟。X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）确认退火后非晶结构得以保持。退火带来了磁滞回线的显著变化。最初，回线几乎是线性的且无磁滞，因此显示出低剩磁（Mr）约0.045。退火后，它们变为矩形形状，Mr≈0.95，使微丝具有磁双稳性。GMI响应改善最为显著。原始微丝的GMI比率（ΔZ/Z）约为370%。退火30分钟后，GMI比率增加到约500%——在实际频率（100–150?MHz）下提升了31%。但如果将退火时间延长至90分钟，性能实际上下降到约400%。因此，通过仔细控制退火条件，研究人员可以获得具有独特磁性能组合的微丝，即同时表现出磁双稳性和出色的GMI灵敏度。这种性能使这些微丝特别有前景用于前沿磁感测和生物磁检测技术。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
具有圆柱几何结构的磁性微丝因其独特的磁畴结构和巨磁阻抗（Giant Magnetompedance, GMI）效应而受到广泛关注。GMI效应是指软磁导体的阻抗对外加磁场的巨敏感性，在弱磁场下可产生显著变化，因此GMI材料是制备高性能磁传感器和生物磁检测器件的理想候选。Co基玻璃包覆微丝由Taylor-Ulitovsky方法制备，兼具优异的磁软性、可调磁各向异性和绝缘玻璃涂层，但其性能高度依赖于制备过程中的内应力分布和磁致伸缩系数（λ_s）。尽管原始态Co基微丝已表现出高GMI响应，但为了进一步优化其磁软性和GMI灵敏度，需要合适的后处理，如退火。然而，退火时间对磁性能演化和GMI效应的具体影响机制尚不清晰，特别是如何同时实现磁双稳性（矩形磁滞回线）和高GMI效应——这两者传统上被认为是互斥的。为此，研究人员针对Co_68.7Fe₄Si₁₁B₁₃Ni₁Mo_2.3玻璃包覆微丝，系统研究了等温退火时间对静态磁性能、磁双稳性和GMI响应的影响，旨在找到最佳退火条件并揭示内在机理。该论文发表在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》。

**主要技术方法**
研究人员采用Taylor-Ulitovsky方法制备了固定几何尺寸（金属核直径19.8?μm，总直径24.7?μm，直径比ρ=0.80）的Co_68.7Fe₄Si₁₁B₁₃Ni₁Mo_2.3玻璃包覆微丝。利用Bruker D8 Advance衍射仪（Cu Kα辐射，λ=1.54??）进行X射线衍射（XRD）结构表征。通过通量计法测量磁滞回线（磁场范围±8?kA/m，场步长1–2?A/m），并利用矢量网络分析仪（通过反射系数S₁₁）在微带样品架中测量阻抗Z随直流磁场的变化，频率范围覆盖MHz至GHz。采用修正的Sixtus-Tonks技术研究畴壁（domain wall, DW）传播动力学，通过测量两个拾波线圈之间信号的时间差计算DW速度v。所有退火在350?°C常压空气氛围中进行，退火时间分别为30、45、60和90?min。

**研究结果**

**1. 结构表征**
XRD图谱显示原始态和退火（350?°C，60?min）样品均在2θ≈44°处呈现宽弥散峰，无尖锐Bragg峰，表明非晶结构在退火后保持稳定，排除了结晶对磁性能变化的影响。

**2. 磁滞回线和磁各向异性演变**
原始态样品的磁滞回线接近线性、无剩磁（Mr/M₀≈0.045），矫顽力H_c≈8?A/m，各向异性场H_k≈229?A/m，表明存在横向磁各向异性（易磁化轴垂直于轴向），源自负磁致伸缩系数与轴向内应力的磁弹耦合。退火30?min后，回线突变为矩形，Mr/M₀≈0.95–0.96，H_c升至约53?A/m，H_k降至93–106?A/m，表明磁各向异性从横向完全转变为纵向（易磁化轴沿轴向），并实现磁双稳性。随着退火时间延长至90?min，Mr/M₀基本稳定（最高0.96），H_c单调增至约68?A/m，H_k同步升至106?A/m。

**3. 磁双稳性和畴壁传播**
利用核壳模型（内核轴向磁化、外壳横向磁化）分析了退火样品。根据剩余磁化强度估算的内核半径R_c从原始态的约2?μm突增至退火后的约9.5?μm（对应外壳厚度约0.4?μm）。修正Sixtus-Tonks测试证实，退火60?min样品的磁化反转通过单一快速DW传播实现，v值可达约800?m/s，且v(H)近似线性，进一步确认了磁双稳性。

**4. GMI响应特性**
原始态样品在约200?MHz时达到最大GMI比率ΔZ/Z_max≈375%，且ΔZ/Z(H)曲线呈现双峰结构（峰值对应H_m≈H_k）。退火后，所有样品的GMI响应均显著增强：30?min退火样品在150–200?MHz时ΔZ/Z_max≈500%（提升33%），45?min样品约475%，但60?min和90?min样品下降至约380%。随退火时间延长，最优频率f_o约150–200?MHz保持不变，但高频区（>200?MHz）性能衰减。值得注意的是，退火样品在低频（如10?MHz）时呈现单峰ΔZ/Z(H)曲线（轴向各向异性特征），而在高频（>30?MHz）时转变为双峰结构，表明高频下表面层横向各向异性主导GMI响应。所有样品在低场区域均存在GMI磁滞回线（宽度33–45?A/m），与静态H_c一致。

**5. 退火时间对磁性能的综合影响**
30?min退火为最优条件：同时获得最高GMI灵敏度（ΔZ/Z_max≈500%）和稳定的磁双稳性。过退火（≥60?min）导致GMI性能下降，可能与短程有序、原子对有序化及磁致伸缩系数变化引起的磁硬化有关。

**总结与结论**
本研究系统揭示了350?°C等温退火对Co_68.7Fe₄Si₁₁B₁₃Ni₁Mo_2.3玻璃包覆微丝磁性能的调控机制。关键发现包括：退火促使磁各向异性从横向转变为纵向，产生矩形磁滞回线和磁双稳性；同时显著增强GMI响应（最高达500%，提升33%）。最值得注意的是，退火样品展现出磁双稳性（快速单畴壁传播）与高GMI效应的共存，这一现象在以往文献中通常被认为不可兼容，其微观机制在于：内层轴向磁化内核负责磁双稳性，而外层薄表面层（约0.4?μm）保留弱横向各向异性，在高频下贡献双峰GMI响应。30?min退火被确定为最佳工艺窗口，可获得最优GMI灵敏度（150–200?MHz），适用于实际磁传感和生物磁检测技术。研究建立了退火处理作为调控Co基微丝GMI响应的有效工程手段，为其集成于下一代磁传感器、生物医学器件和结构健康监测系统奠定了基础。