具有巨磁电阻效应的锌铁氧体材料及其制备方法 一、技术领域
本发明是一种巨磁电阻效应材料及其制备方法,尤其是一种以锌铁氧体构成的巨磁电阻效应的材料的制备方法。
二、背景技术
巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance Effect,简称GMR效应),是指材料的电阻率受材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象,它是由法国的Fert工作组于1988年在Fe/Cr多层膜中发现的。由于其非常具有吸引力的实用前景,一经发现就引起了科技界的极大关注和产业界的重金投入,十多年以来已经形成了一个很大的产业,掀起了一场材料界的革命。巨磁电阻材料,可用于最前沿的电子科技领域,如硬盘的读出磁头和非易失性随机存储器(MRAM),前者早已经投入应用,从而将硬盘的存储密度一下子提高了数十倍。同时由于巨磁电阻效应大,易使器件小型化,廉价化,也可用于许多传统电子工业领域,如数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器等的传感器。
目前,人们已经在很多系列的材料中发现了巨磁电阻效应,如多层膜、颗粒膜、隧道结、钙钛矿化合物等。但是,每一种材料中都在制备或性能上有一些存在地问题:多层膜中的巨磁电阻效应较大,最大可达187%(Cu/Co系列,室温),但是初始磁场灵敏度不太高,饱和磁场较高,在采用自旋阀结构后,初始磁场灵敏度可以提高,可投入应用,但由于采用高真空溅射,制备比较困难,大规模工业化成本很高;颗粒膜制备相对稍显简单,但效应较低,约为15%(Co/Ag系列,室温),初始磁场灵敏度更低,饱和磁场很高,工业化成本相对也较高;隧道结的巨磁电阻效应较大,最高可达100%左右,磁场灵敏度也较高,饱和磁场比较低,但是制备非常困难,目前基本上还处于实验室阶段;钙钛矿化合物的巨磁电阻效应极其高,最高可达107%,但初始磁场灵敏度很低,所需饱和磁场高达几个特斯拉,很难投入真正的实用中。
因此,目前科技界正在寻找一种效应灵敏但又工艺简单的巨磁电阻材料。
三、发明内容
(1)发明目的
本发明的目的是提供一种有较高的巨磁电阻效应和较高磁场灵敏度,制备工艺简单、成本低、实用性强的具有巨磁电阻效应的锌铁氧体材料及其制备方法。
(2)技术方案
本发明具有巨磁电阻效应的锌铁氧体材料是ZnxFe3-xO4,其中x的取值范围是0.05≤x≤0.95.
本发明的制备方法是采用溶胶—凝胶制备多晶ZnxFe3-xO4材料,其制作的步骤为:
a、将ZnO和Fe(NO3)3在硝酸中形成溶胶,
b、加入柠檬酸,将以上的溶胶加热把水蒸干,形成凝胶,
c、将以上凝胶冷却后在400℃~600℃退火3-5小时,
d、将以上的烧结物磨成细粉,然后在压力下压成块状,
e、在1300℃~1500℃温度下退火0.5-4小时,
最后得到ZnxFe3-xO4产品,其中0.05≤x≤0.95。
原材料的ZnO和Fe(NO3)3的配比按摩尔数计算为1∶2~1∶60。
(3)技术效果
用本发明的方法制备的多晶锌铁氧体为一种复合结构,大小为200-800纳米的ZnxFe3-xO4晶粒被5-10纳米厚的α-Fe2O3层所包裹和隔离,从而形成许多局部的三明治结构(铁磁性的锌铁氧体层/绝缘层/铁磁性的锌铁氧体层),这类似于隧道结的结构,而其中锌铁氧体层所具有的半金属性,进一步增大了巨磁电阻效应。
材料性质:制备所得的材料有着很大的巨磁电阻效应,在x=0.41时,达到最大值,室温磁电阻值为158%(在4.2K下达1380%),并且磁场灵敏度较大(0.02%/Oe),饱和磁场小于5000 Oe,具有良好的应用前景。
因此,本发明的材料具有很大的巨磁电阻性质,并具有较高的磁场灵敏度和较低的饱和磁场,此外,本发明的材料制备简单、成本低,易于工业化生产,实用性较强。
四、附图说明
图1是本发明制备成的复合三明治结构的锌铁氧体材料(x=0.41)的磁电阻曲线。
图2是本发明材料磁电阻值随着成分x的变化曲线。
五、具体实施方案
分别取x=0.33、x=0.41、x=0.72、x=0.8,制取四种不同组份的材料,为了制备这四种不同组份的材料,我们按摩尔比为3.5∶26.5,4.5∶25.5;8∶22;9∶22的量配比的ZnO和Fe(NO3)3在硝酸中形成溶胶,加入柠檬酸,将以上的溶胶加热把水蒸干,形成凝胶。冷却后,将凝胶在500℃下退火4小时,把烧结物研磨成细粉,在1000Kg/cm2的压力下压成块,最后在1400℃温度下退火2.5小时。
制备完成后,我们对其进行了相关物性的测试:对x=0.33,0.41,0.72和0.8的具有如上结构的ZnxFe3-xO4多晶,居里温度分别为307K,318K,334K和343K。四种样品的磁电阻分别为34%(x=0.33、),158%(x=0.41)、53%(x=0.7),48%(x=0.8),他们的饱和磁场都较低,小于5000奥斯特。磁场灵敏度高,对x=0.41样品可达0.03%。