专利名称：一种具有零场冷却交换偏置效应的磁性带材及其制备方法
技术领域：
本发明涉及到ー种磁性材料，特别涉及ー种具有零场冷却交換偏置效应的Mn50CoNi49^xAlx磁性带材及其制备方法，属于材料物理技术范畴。
背景技术：
1956年，Meikleijohn和Bean首次在CoO (反铁磁材料)外壳覆盖的Co (铁磁材料)颗粒系统中观察到交換偏置现象。当系统加磁场通过反铁磁材料CoO的奈尔温度冷却到77K时，样品的磁滞回线沿冷却场方向反向偏离原点，并同时伴随着矫顽カ的増加，当时把这个现象称之为交换偏置效应。其物理机制如下当体系温度处于反铁磁材料的奈尔温度Tn和铁磁材料的居里温度TC(TN < T < Tc)之间时，体系中铁磁体处于磁有序状态，在磁场作用下其磁矩转到平行于外场的方向；而反铁磁体此时处于顺磁状态，其内部的磁矩是 无序分布的。当系统在磁场下冷却到奈尔温度以下时，这时反铁磁体也进入磁有序状态。由于在铁磁一反铁磁界面处存在交換作用，界面处的反铁磁体原子磁矩将沿着铁磁体的磁矩 方向平行或反平行地排列(取决于交换积分Jex)。这样就在界面处形成界面自旋钉扎层的过程。当外加磁场反转时，铁磁体的磁矩跟着外场反转，而对于反铁磁体，一般认为其各向异磁常数很大，界面处自旋磁矩不随外场变化。由于界面耦合作用，反铁磁体试图让铁磁体的磁矩仍然保持在原来冷却场的方向。因此当测量磁场与冷却场方向相反时，铁磁体的磁矩较难翻转，矫顽力较大。当測量磁场与冷却场方向一致时，铁磁体的磁矩很容易转向与之平行的方向，矫顽カ较小；所以在宏观上表现为磁滞回线沿冷却场的反方向偏移，呈现出单向各向异性。目前，研究者已经发现交换偏置现象广泛存在于铁磁/反铁磁体系中，其基本特性与铁磁层和反铁磁层的材料，厚度以及结构取向，生长顺序及エ艺条件密切相关。自从发现这ー现象，交換偏置效应的钉扎作用在永磁体、超高密度磁记录介质、读出磁头、巨磁阻、自旋阀、隧道结新型存储器和传感器中得到广泛应用。因此，交換偏置的研究日益受到人们的重视。最近研究者发现在富Mn的NiMnZ (Z = In, Sn, Sb)铁磁形状记忆合金材料中也具有交换偏置效应，例如Mahmud Khan 等人在 Applied PhysicsLetters (91 卷,072510 页，2007年)报道了 Ni5(lMn25+xSb25_x-品通过在外磁场下冷却(H = 5T)观察到最大的交换偏置场为He = 2480e,阻挡温度Tb = 115K(T > Tb吋，材料的交换偏置效应消失)。2011年，L. Ma等人在 Applied Physics Letters 上发表题名“ Coexistence of reentrant-spin-glassthe Mn2Nih6Sna4 Heusler alloy”的文章将铁磁形状记忆合金的He提高到llOOOe。虽然材料的交換偏置场有所提高，但目前传统的具有交換偏置的磁性材料必须通过带场冷却才能表现出交换偏置效应，这ー过程给材料的应用带来了不便。2011年，B. EWang-A在 Physical Review Letters 上发表题名为 “Large Exchange Bias after Zero-FieldCooling from an Unmagnetized State”的文章,报道了非磁化态的Ni-Mn-In合金在零场冷却的条件也具有大的交換偏置效应，其交換偏置场高达1300 Oe0但考虑到主族元素铟(In)价格昂贵，不利于材料的エ业化应用。为此，研发在零场(H = O Oe)冷却的条件下具有交换偏置效应的磁性材料，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供ー种具有零场冷却交換偏置效应的磁性带材。本发明的目的还在于提供ー种具有零场冷却交換偏置效应的磁性带材的制备方法。本发明的目的是这样实现的ー种具有零场冷却交換偏置效应的磁性带材，其化学式为:Mn5QCoNi49_xAlx，式中，10彡x彡15，x表示原子百分比含量。本发明提出的如化学式Mn6(lCoNi49_xAlx，具有零场冷却交换偏置效应的磁性带材的制备方法包括如下步骤
(I)称量配比按化学式Mn5QCoNi49_xAlx的原子百分比称取纯度为99. 9 %的锰(Mn)、纯度为99. 9%的钴(Co)、纯度为99. 9%的镍(Ni)和纯度为99. 99%的铝(Al)块材；⑵熔炼锭材将称好的材料混合并盛放在熔炼坩埚中，采用常规的电弧熔炼方法获得Mn5QCoNi49_xAlx多晶，其熔炼条件为在本底真空达到2 X 10_3Pa时，通入氩气，整个熔炼过程样品采用氩气保护，熔炼电流100A，每个样品翻转三次，共熔炼四次，以保证成分均匀，最終获得Mn5QCoNi49_xAlx磁性合金锭材；(3)快淬甩带将适当大小的磁性合金锭材放入一端开ロ，另一端密封，密封端开有小孔的石英管内，将石英管安放到甩带机炉腔内，抽真空到10_3Pa以下，炉腔内通入高纯氩气，使熔炼炉腔内部压カ达到O. 05MPa，采用感应加热，使合金处于熔融状态，然后从石英管上部吹入高纯氩气使熔融合金液体从小孔中喷射到线速度为17m/s的高速旋转的铜轮上快速甩出，得到宽度为3-4mm、厚度为40-50 μ m的具有零场冷却交换偏置效应的磁性带材。本发明取得的有益效果是本发明有效而巧妙利用熔炼和甩带相结合的技术制备了 Mn5QCoNi49_xAlx磁性带材，这种方法有效克服了 Mn5(lCoNi49_xAlx磁性材料中杂相的产生，制备出单相的既具有带场冷却又具有零场冷却交換偏置效应的磁性带材。本发明提供的具有交換偏置效应的磁性带材，其显示交換偏置效应效力的特征值交換偏置场He可通过改变Ni、Al组成比而被改变或根据用途加以调整。因此，该材料具有广泛的潜在用途，例如读出磁头、巨磁阻、自旋阀、隧道结新型存储器和传感器等。本发明用到的原材料锰、钴、镍、铝等价格低廉，易于储备；所用设备为常规的熔炼加上快淬甩带而不需要附加其它设备；同时该类材料不需要长时间的时效处理，即可得到性能满足要求的样品；因此，生产Mn5(lCoNi5(l_xAlx磁性带材成本低廉，制备エ艺简单，这些特点非常有利于材料的批量生产和广泛应用。
附图I :Mn5QCoNi37Al12样品在零场冷却下，温度T = 5K时的M-H曲线图。附图2 =Mn50CoNi36Al13样品在零场冷却下，温度T = 4K时的M-H曲线图。
附图3 =Mn50CoNi35Al14样品在零场冷却下，温度T = 4K时测量场H = 2T、4T、6T的M-H曲线图。附图4 =Mn50CoNi34Bl15样品在零场冷却下，温度T = 4Κ时的M-H曲线图。
具体实施例方式下面的实施例用于说明本发明。实施例I制备组成为Mn5tlCoNi39Al1。具有零场冷却交换偏置效应的磁性合金带材(I)称量配比按化学式Mn5tlCoNi39Alltl的原子百分比称取纯度为99. 9 %的锰(Mn)、纯度为99. 9%的钴(Co)、纯度为99. 9%的镍(Ni)和纯度为99. 9%的铝(Al)。 (2)熔炼锭材将上述称好的Mn、Co、Ni、Al块材放在熔炼坩埚中，用机械泵预抽真空到5 X 10 ;用分子泵抽真空到I X 10_4Pa，通入高纯氩气，使熔炼腔内部压カ达到O. IMPa，产生电弧，熔炼电流100A,电弧头保持在样品上方2-5cm处反复小范围摆动Imin,姆个样品反复这样翻转3次共熔炼4次，以使制备样品成分均匀；待炉腔冷却至室温，最后取出。(3)快淬甩带将一部分电弧熔炼锭材放入一端开ロ，另一端密封，密封端开有小孔的石英管内，将石英管安放到甩带机炉腔内；抽真空到10_3Pa以下，炉腔内通入高纯氩气，压强为
0.05MPa ;采用感应加热，不断调节感应加热的功率，使合金处于白炙的熔融状态，从石英管上部吹入高纯氩气使熔融合金液体从小孔中喷射到线速度为17m/s的高速旋转的铜轮上快速甩出。用物理性能综合测试系统(PPMS)测量样品零场冷却条件下，温度T = 4K，不同最大外磁场H = 2T、4T、6T的M-H曲线图，发现样品的磁滞回线发生偏移，具有交換偏置效应，存在交換偏置场He和矫顽カH。且其数值的大小随外磁场的变化而变化，具体的数据见图表
1。其中Hc= Hl-He I/2, He = Hl+He|/2, Hl为磁滞回线与横坐标的左边的交点，He为磁滞回线与横坐标的右边的交点。实施例2制备组成为Mn5tlCoNi37Al12具有零场冷却交换偏置效应的磁性合金带材(I)称量配比按化学式Mn5tlCoNi37Al12的原子百分比称取纯度为99. 9 %的锰(Mn)、纯度为99. 9%的钴(Co)、纯度为99. 9%的镍(Ni)和纯度为99. 9%的铝(Al)。(2)熔炼钉材将上述称好的Mn、Co、Ni、Al块材放在熔炼坩埚中，用机械泵预抽真空到
5X 10 ;用分子泵抽真空到I X 10_4Pa，通入高纯氩气，使熔炼腔内部压カ达到O. IMPa，产生电弧，熔炼电流100A,电弧头保持在样品上方2-5cm处反复小范围摆动Imin,姆个样品反复这样翻转3次熔炼4次，以使制备样品成分均匀；待炉腔冷却至室温，最后取出。(3)快淬甩带将一部分电弧熔炼锭材放入一端开ロ，另一端密封，密封端开有小孔的石英管内，将石英管安放到甩带机炉腔内；抽真空到10_3Pa以下，炉腔内通入高纯氩气，压强为
O.05MPa ;采用感应加热，不断调节感应加热的功率，使合金处于白炙的熔融状态，从石英管上部吹入高纯氩气使熔融合金液体从小孔中喷射到线速度为17m/s的高速旋转的铜轮上快速甩出。用物理性能综合测试系统(PPMS)测量样品，測量了样品在零场冷却下，外磁场H=9T，温度T = 5K的M-H曲线图(如图I所示)，从图中看出样品的初始磁矩为零，说明材料初始磁状态是未磁化状态;M-H磁滞回线向初始磁化方向(正轴方向)发生偏移，交换偏置效应明显，M-H闭合曲线与坐标轴交点的横坐标分别为 = -6238 0e,He = 109800e，得到矫顽カHc为86090e，其交换偏置场He高达23710e。实施例3制备组成为Mn5tlCoNi36Al13的具有零场冷却交换偏置效应的磁性合金带材其制备方法同实施例2，并用物理性能综合测试系统(PPMS)測量了样品在零场冷却条件下，温度T = 4K且外磁场H = 9T的M-H曲线图(如图2所示)，发现样品的磁滞回线发生偏移，具有交換偏置效应，M-H闭合曲线与坐标轴交点的横坐标分别为Hl = -6451. 80e, He = 4344. 60e,获得交换偏置场 He(He = 1053. 60e)和矫顽カ Hc(Hc =5398. 20e)。实施例4制备组成为Mn5tlCoNi35Al14的具有零场冷却交换偏置效应的磁性合金带材其制备方法同实施例2，并用物理性能综合测试系统(PPMS)測量了零场冷却样品在温度T = 4K，不同的外磁场H= 2T，4T，6T下的M-H曲线图，发现磁滞回线发生了偏移(见图3)，说明Mn5tlCoNi35Al14样品具有交換偏置效应，交換偏置场和矫顽カ随外场的变化而变化，具体数据见表I。表I :Mn5(lCoNi39Al1(l和Mn5tlCoNi35Al41样品在零场冷却条件下,温度T = 4K时不同外磁场H测量的He和H。数据。表I
权利要求
1.ー种具有零场冷却交換偏置效应的磁性带材，其特征在于其化学式为Mn50CoNi49^xAlx,式中，10 ^ x ^ 15, x表示原子百分比含量。
2.一种制备如权利要求I所述具有零场冷却交換偏置效应的磁性带材的制备方法，其特征在于包括以下步骤 (1)称量配比 按化学式Mn5QCoNi49_xAlx的原子百分比称取纯度为99. 9%的锰(Mn)、纯度为99. 9%的钴(Co)、纯度为99. 9%的镍(Ni)和纯度为99. 99%的铝(Al)块材； (2)熔炼锭材 将称好的材料混合并盛放在熔炼坩埚中，采用常规的电弧熔炼方法获得Mn5(lCoNi49_xAlx 多晶，其熔炼条件为在本底真空达到2X KT3Pa时，通入氩气，整个熔炼过程样品采用氩气保护，熔炼电流100A，每个样品翻转三次，共熔炼四次，得到Mn5(lCoNi49_xAlx磁性合金锭材； (3)快淬甩带 将适当大小的磁性合金锭材放入一端开ロ，另一端密封，密封端开有小孔的石英管内，将石英管安放到甩带机炉腔内，抽真空到10_3Pa以下，炉腔内通入高纯氩气，使熔炼腔内部压カ达到O. 05MPa，采用感应加热，使合金处于熔融状态，然后从石英管上部吹入高纯氩气使熔融合金液体从小孔中喷射到线速度为17m/s的高速旋转的铜轮上快速甩出，得到宽度为3-4mm、厚度为40-50 μ m的具有零场冷却交换偏置效应的磁性带材。
全文摘要
本发明公开了一种具有零场冷却交换偏置效应的磁性带材，其化学式为Mn50CoNi49-xAlx，其中，10≤x≤15，x表示原子百分比含量。制备方法包括以下步骤(1)按化学式Mn50CoNi49-xAlx称量原料(2)将原料盛放在水冷铜坩埚中，采用常规的电弧熔炼法制备Mn50CoNi49-xAlx磁性多晶(3)将熔炼的多晶锭料采用快淬甩带的方法制得Mn50CoNi49-xAlx磁性带材。本发明的磁性带材与现有合金相比，零场冷却下具有交换偏置效应，具有更高的磁场可控制性，成分廉价，可用于制作超高密度磁记录介质、读出磁头、巨磁阻、自旋阀、隧道结新型存储器和传感器等。
文档编号B22D11/06GK102751063SQ20121025403
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月20日 优先权日2012年7月20日
发明者侯登录, 李国杰, 李远征, 甄聪棉, 马丽 申请人:河北师范大学