高频磁性纳米材料的电磁性能调控及其在磁性电子器件中的应用

项目名称：高频磁性纳米材料的电磁性能调控及其在磁性电子器件中的应用首席科学家：薛德胜兰州大学起止年限：2012.1至2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容本项目根据电子信息技术中对GHz频段的高性能、微型化薄膜电感和近场抗电磁干扰器件用高频磁性纳米材料的迫切要求，通过磁性纳米材料与纳米结构的可控制备，突破Snoek理论极限的制约，探索提高磁性纳米材料高频性质的新机制，突破传统微波磁性材料不能同时保持高共振频率和高磁导率的瓶颈，获得1-5GHz波段内高磁导率的高频磁性纳米材料；并针对高频磁性纳米材料在1-5GHz电子信息传输和近场抗电磁干扰技术中的具体应用，探索保持优良高频磁性基础上的电磁匹配机制，突破电磁波的连续介质理论，设计并实现具有良好电磁匹配的可工作在1-5GHz的微型化薄膜电感和近场抗电磁干扰器件。针对GHz频率下，同时提高磁性纳米材料的共振频率和磁导率，以及获得优异性能的薄膜电感和近场抗电磁干扰器件，拟解决的关键科学问题包括：自然共振机制下，同时提高磁性纳米材料共振频率和磁导率的机制，以及双各向异性控制下大幅度调控高频磁性的机制及磁化强度的动力学过程。非自然共振机制下，提高磁性纳米材料共振频率和磁导率的机制，以及有效各向异性和体积共同作用下的超顺磁阻塞共振频率对高频磁性的影响机制。描述磁性纳米材料电磁性质的有效理论，以及核/壳结构的形态、相构成和各相的体积分数对新型磁性/介电纳米材料的高频电磁耦合机制和匹配关系的宽范围调控机制。分离介质对电磁波传输特性的影响机制，以及高性能薄膜电感和抗电磁干扰器件的设计理论和器件研制。主要研究内容包括：以高饱和磁化强度Ms的铁基和钴基铁磁金属及合金为基础，制备磁性纳米薄膜、颗粒膜及多层膜。通过溅射时外加磁场、倾斜溅射、反铁磁钉扎、衬底修饰等手段，在样品平面内产生单轴或单向磁各向异性。通过薄膜的微结构优化，降低矫顽力Hc，提高磁导率；改变面内各向异性，探索大范围调控磁性纳米薄膜高频磁性的规律。制备线度比（aspectratio）大的片状软磁纳米颗粒，调整静态磁矩分布在薄片平面内，利用形状调控垂直片状纳米颗粒平面的各向异性场，用磁场热处理、应力、取向等方式在片状纳米颗粒平面内产生和调节各向异性场。研究这两个各向异性场的比值与材料高频磁性的关系。寻找大幅度提高双各向异性片状磁性纳米颗粒的规律，探索提高高频磁性的新机制。采用高温热解或还原的方法制备单分散、表面活性剂分子包覆的不同形状的铁基磁性纳米颗粒；通过种子法和反向胶束法在铁基磁性纳米颗粒的表面包覆致密的保护层，制备稳定的核壳结构磁性纳米颗粒。通过调控纳米颗粒的尺寸、形状、颗粒间距，研究单分散磁性纳米颗粒的高频性质，探索提高阻塞共振频率的方法和机制。利用微纳加工技术，设计、加工各种典型形状且尺寸可控的纳米结构材料；利用软刻蚀技术与自组装技术相结合的方法，在不同的基底表面加工各种高分子图形，将磁性纳米颗粒、纳米线组装到基底的表面，成为高度有序的纳米图形结构。探索形状各向异性对各向异性对称性的调制，研究这些有序结构的高频性能和结构参数的关系。利用等离子体溅射惰性气体冷凝纳米粒子束流法以及等离子体电弧法制备尺寸可控的磁性金属或合金纳米颗粒；在诱导磁场下通过原位表面氧化纳米颗粒制备核/壳结构的复合材料；在诱导磁场下制备磁性合金纳米颗粒与绝缘介质(非磁或弱磁)双相纳米复合材料；研究磁性纳米颗粒的尺寸大小、氧化层厚度、绝缘介质含量、后续热处理对材料高频磁性的影响。研究核/壳型磁性/介电纳米材料的介电氧化物壳层厚度、磁性内核尺寸、界面结构、内核和壳层相种类等对材料的高频介电性和磁电耦合效应的影响，阐明各种核/壳型磁性/介电纳米材料的高频电磁特性的机理，弄清磁导率和介电常数的相互依赖关系，提出磁导率和介电常数的匹配理论，掌握调控磁导率和介电常数的关键实验参数，实现高频下宽范围的电磁阻抗匹配。探索纳米颗粒膜和多层膜的高共振频率、高磁导率和良好电磁匹配的工艺条件，以及调控机理，得到在GHz频域具有优良电磁综合性能的纳米薄膜材料；模拟微电感的工作环境，研究温度变化、工作时间、邻近绝缘或者绕组层对于非晶/纳米晶磁芯材薄膜行为的影响，并建立与之相应的动力学模型。研究电磁波在非连续介质中的传播、磁化强度的动力学过程、阻尼的产生和变化机理；进行集成电感、抗电磁干扰（EMI）薄膜器件设计；利用微电子工艺实现GHz下的典型器件，探索利用磁性纳米薄膜研制高性能薄膜电感和抗电磁干扰器件的条件，探索抗电磁干扰薄膜电感集成器件在复杂电磁环境下的特性变化规律。理论上，研究不同各向异性对称性下的磁化强度动力学过程，寻找自然共振机制下高频高磁导率的最优机制；研究磁性颗粒的大小、颗粒间交换耦合以及偶极相互作用对超顺磁阻塞频率和磁导率的影响规律，寻找非自然共振机制下的高频高磁导率机制；研究不同形状和相比例的磁性/介电纳米颗粒复合体系对电磁波的散射，探索纳米复合体系的有效介质理论，寻找新的电磁匹配机制。二、预期目标本项目的总体目标：解决传统微波磁性材料不能同时保持高共振频率和高磁导率的问题和电磁匹配问题，真正实现磁性纳米材料在1-5GHz微波频段电感类磁性电子器件和抗电磁干扰器件中的应用，为电子信息技术的大集成提供可能。通过磁性纳米材料与纳米结构的可控制备，探索突破Snoek理论极限的新方法和新途径，寻找提高磁性纳米材料高频性质的新机制；建立描述磁性纳米材料高频性质的新理论，探索在GHz频段内具有高磁导率的高频磁性纳米材料的调控机制，通过纳米复合实现优异高频磁性基础上良好电磁匹配；利用以上磁性纳米材料，实现优异性能的薄膜电感和近场抗电磁干扰器件的微型化，满足现代通讯和计算机对电子器件高频化和集成化的要求，同时解决因信息处理频率的提高而带来的器件之间严重近场电磁干扰问题，为我国的信息通讯、国防安全、航空航天等领域探索新材料和新技术。五年预期目标:1、阐明突破Snoek理论极限的可能机制，建立高共振频率和高磁导率的双各向异性新理论；探索不同频率下磁性纳米材料中磁化强度在自然共振和非自然共振机制下的动力学过程物理图象，建立高频磁性的调控机制；探索纳米材料介电常数调控机制，建立纳米复合系统的电磁匹配理论；研究电磁波在非连续介质中的传播，奠定微波频段下微型化磁性器件设计的理论基础。2、发展大范围调整磁性纳米材料的双各向异性新方法，获得共振频率在1-5GHz、高频磁导率200的软磁薄膜材料，实现同一材料的高频磁性本征参数为Snoek极限值的5-10倍；发展大规模制备尺寸和形状均匀可控的单分散磁性纳米颗粒技术，实现高度有序的磁性纳米颗粒和纳米线的组装，使其截止使用频率提高近5GHz以上；发展磁性金属/氧化物复合体系，实现高频磁性纳米材料的电磁阻抗匹配，研发1-5GHz电感量30nH，品质因子Q18的典型磁性薄膜电感，以及带宽为10MHz-5GHz，噪音抑制30dB的吸收式或L-C式抗电磁干扰器件，实现面积降低一个量级的近场抗电磁干扰薄膜电感。3、项目执行期间培养出3-4名在国际上有一定影响的学术带头人，形成一支具有开拓创新精神，具有国际竞争力，能胜任国家重大科研任务和参加国际学科前沿竞争的高频磁性纳米材料研究队伍。申请专利20余项，发表高水平论文100余篇，培养博士后10余人，博士100余人。三、研究方案1、实现项目五年预期目标的总体研究思路1）通过磁性纳米材料与纳米结构的可控制备，调控双各向异性，大幅度提高磁性纳米薄膜的共振频率和微波磁导率；2）通过调节超顺磁颗粒尺寸和颗粒间相互作用，提高阻塞共振频率来提高截止使用频率；3）通过调控高频磁性纳米材料的复合介质类型和耦合方式，实现对介电常数的宽范围调控，达到电磁匹配的目的；4）利用高频电磁性质来源于纳米尺度的调控，通过电磁波在分离介质中传播规律研究，设计并实现高性能薄膜电感的微型化和近场抗电磁干扰一体化；5）从微波电磁场在磁性纳米材料中传播的非线性效应和磁化强度在不同各向异性空间对称性系统中的动力学过程出发，预测不同纳米体系的高频性质，探索新的高频电磁特性机制。2、技术途径：本项目的实验方案和技术途径可分为：1）高频磁性纳米材料及纳米结构的可控制备利用射频磁控溅射、离子束沉积和分子束外延技术制备一系列高磁导率的磁性纳米薄膜、颗粒膜及多层膜，通过工艺条件的变化（气压、基底温度等），施加磁场、倾斜溅射、反铁磁钉扎和衬底修饰等手段以及后期磁场热处理控制晶粒大小、形状和空间分布。采用高温有机液相还原法和热分解法等合成尺寸均一、不同形状的单分散铁基磁性纳米颗粒，利用种子法和反向胶束法在铁基磁性纳米颗粒的表面包覆保护层，形成具有核壳结构的磁性纳米颗粒。采取软刻蚀技术与自组装技术相结合的方法将各种磁性纳米颗粒、纳米线组装到适当的基底的表面，成为高度有序的阵列图形结构。利用等离子体溅射惰性气体冷凝纳米离子束流法以及等离子体电弧法制备尺寸可控的磁性金属或合金纳米颗粒，通过原位氧化或后期复合形成磁性金属纳米颗粒/绝缘介质双相纳米复合材料。2）自然共振机制下的各向异性调控及GHz高磁导率通过磁场诱导、倾斜溅射诱导、反铁磁钉扎诱导、界面诱导等手段，利用交换耦合作用及纳米薄膜具有强形状各向异性的特点实现磁性纳米薄膜的平面各向异性；通过薄膜样品整体退磁场调控和面内各向异性调控实现高共振频率和高磁导率；针对具有立方晶体对称性的优异软磁材料（低磁晶各向异性常数K，低磁致伸缩系数，低矫顽力Hc），通过颗粒形状控制双各向异性；利用低维结构特性和诱导磁场，调控复合磁性纳米材料的难磁化面和易磁化面内两个各向异性场；利用各向异性空间类型对磁化强度动力学过程的控制，研究自然共振机制下高频高磁导率规律，研究高频磁性本征参数与两个各向异性场的关系。3）非自然共振机制下磁性纳米颗粒与纳米结构材料的高共振频率利用磁性纳米颗粒的高频性质同时决定于自然共振频率和阻塞频率的特点，通过控制磁性纳米颗粒的尺寸、形状以及颗粒间距，改变颗粒间相互作用，达到调制超顺磁阻塞频率的目的，实现磁性纳米颗粒的阻塞频率高于5GHz。利用自旋波激发的思路，探索更高频率下高磁导率的机制。4）磁性纳米复合介质的电磁匹配通过调节等离子体起弧电流、电压等参数来控制阳极金属蒸汽量，改变纳米颗粒的尺寸。诱导磁场下通过原位表面氧化磁性金属或合金纳米颗粒制备核/壳结构的颗粒型复合材料；在诱导磁场下制备磁性合金纳米颗粒与(弱磁)绝缘介质双相纳米复合材料，研究磁性纳米颗粒的尺寸大小、氧化层厚度、绝缘介质含量、后续磁场热处理对材料高频磁特性的影响。从而获得多种类型的具有良好电磁匹配性能的磁性/介电纳米材料。利用纳米颗粒对电磁波的散射研究复合体系的电磁匹配机理。5）基于高频纳米磁性材料的薄膜电感和抗电磁干扰器件应用研究利用纳米颗粒膜与多层膜的高频磁性和阻抗特性可调的特点，选用高饱和磁化强度材料作为薄膜电感芯材。采用微元分析法进行不同绕线形状电感量计算，分析磁膜结构的引入对微电感物理模型及集成总参数等效电路的影响。采用溅射镀膜和光刻工艺结合的方法制作倾斜缠绕型耦合薄膜电感，并进行高频电感、品质因数和自激谐振频率测试，比较和验证不同磁性纳米薄膜芯材的电感特性，进一步优化设计。设计、制作薄膜高频噪音抑制器和L-C滤波器，进行磁谱和频谱分析，研究磁性纳米薄膜厚度、尺寸、形状和介质层对传输线的特征阻抗、信号衰减幅度和散射参数等的影响；进行传输线设计和优化，研究动态加载运行时集成电路的抗EMI特性。利用电磁波在非连续介质中的传播规律，设计新型高性能薄膜电感和抗电磁干扰器件一体化。3、创新点与特色：1)目前绝大多数高频磁性材料的研究主要是通过提高材料的饱和磁化强度来提高高频磁性。我们提出利用磁性纳米材料中的双各向异性来提高高频性能的思路，并指出通过调节这两个各向异性及其比值是提高磁性纳米材料高频磁性更为有效的途径。2)除利用自然共振原理提高高频磁性外，我们提出在超顺磁纳米颗粒中通过改变超顺磁颗粒的尺寸，使得阻塞共振频率远高于自然共振频率，从而提高截止使用频率，这是一种新的频率调控手段和新的共振机制，有望