高频磁性纳米材料的电磁性能调控与应用

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 1-5 GHz 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 1-5 GHz 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 1-5 GHz 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(aspect ratio )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1-5 GHz 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 5 GHz 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1-5 GHz电感量30 nH ,品质因子Q18的典 型磁性薄膜电感，以及带宽为10 MHz-5 GHz，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。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5 GHz。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 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，这是种新的频率调控手段和新的共振机制，有望突破传统的 球形单畴颗粒体系的截止使用频率理论极限。3) 纳米尺度下材料的各向异性具有可大范围调整的特征，可以实现大块材料不 可能达到的高共振频率和高磁导率调制范围，克服传统高频磁性材料不能同 时提高共振频率和高频磁导率的缺陷。通过我们设计的技术路线和实验方 案，将磁性纳米材料的高频磁性本征参数提高到 Snoek 理论极限值的 5-10 倍。4) 在调节高频磁导率和各向异性同时，采用纳米包覆或复合方式，大幅度提高 材料的电阻率；并利用磁性/介电(压电)纳米复合可实现磁导率和介电常 数的双重调节，克服单磁性纳米材料在高频下实现宽范围阻抗匹配的困 难。将磁性纳米薄膜应用于薄膜电感器和抗 EMI 噪声抑制器中，既可以实现 高电感量和高 Q 值的微型化薄膜电感，又可以实现其近场抗电磁干扰功能 体化。4、取得重大突破的可行性分析：项目组主要成员在磁性纳米材料与结构的可控制备与高频磁性的研究已有 多年的积累。在国防 973 项目资助下研制出多种具有不同纳米结构的新型磁性纳 米薄膜材料。例如，在 CoNb 薄膜中发现在 3 GHz 下磁导率可以达到 100；在高 电阻率的FeCoB-SiO2颗粒膜中，得到了共振频率为2 GHz,磁导率大于80的高频 性能。最近，我们研究发现通过调控磁性纳米材料的易磁化面和难磁化面内双各 向异性场及其比值，高频磁性的上限可以超出 Snoek 预测的极限，表明通过调控 磁性纳米材料的各向异性类型可以大幅度提高磁性纳米材料高频性能。在磁性纳 米颗粒研究中，成功制备出单分散的磁性 Fe、Co 纳米颗粒和 Fe3O4 纳米方块。 初步研究发现当尺寸减小到 10 nm 以下时，超顺磁性阻塞共振频率可以超过自然 共振频率，截止使用频率达到 5 GHz 附近。在磁性/介电复合纳米体系中，我们 通过磁、电介质在纳米尺度的可控复合，发现可以在宽范围内实现磁导率和介电 常数的调制，为实现不同目标的宽范围电磁匹配提供了可能。由于磁性纳米材料 的优异电磁性能来自于纳米尺度的调控，使研制微米尺度的电子器件成为可能。 因此，我们提出以上学术思路和技术路线。本项目的依托单位，集中了磁性纳米材料的高频磁性研究在国内具有优势的 兰州大学和中国科学院物理研究所、磁性纳米材料的电磁匹配研究在国内具有优 势的厦门大学和中国科学院金属研究所、以及磁性电子器件研究在国内具有优势 的电子科技大学，五家单位拥有目前国际上先进、国内最齐全的磁性纳米材料制 备、结构、成份表征、物性测量设备；完备的颗粒体系高频性能表征设备、世界 上为数不多的纳米薄膜高频磁性测试装置；较完整的电子器件研发设施。结合已 有的工作基础和本项目的特色，完全具备取得重大突破的可能性。5、课题设置课题1 ： 双各向异性磁性纳米材料的高频磁性 预期目标：发展大范围调整磁性纳米材料双各向异性的直接制备技术，获得共振频率在 1-5 GHz、微波磁导率200的软磁薄膜材料，实现高频磁性本征参数比传统的 Snoek 极限值增大 5-10 倍。主要研究内容：（1）以高饱和磁化强度的铁、钴基铁金属及合金为基础，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，以及磁场回火后处理在样品平 面内产生单轴或单向磁各向异性；研究界面效应和纳米相耦合等对其磁各向异性 的影响，探索各向异性的主要来源，以及提高自然共振频率的各向异性类型。（2）通过纳米薄膜、颗粒膜及多层膜的微结构优化，使薄膜中磁性纳米晶 粒/颗粒间发生交换耦合，研究薄膜静态磁性，如矫顽力、静态磁导率、饱和磁 化强度及磁矩微观分布。利用 Herzer 的无规各向异性模型，研究交换耦合对面 内各向异性调控、克服自身退磁效应、降低矫顽力及提高磁导率的机制。（3）利用形状磁各向异性产生双各向异性。制备线度比大的片状软磁纳米 颗粒，利用旋转磁场制备取向样品，调整静态磁矩分布在薄片平面内；用磁场热 处理，应力、取向等方式在片状纳米颗粒平面内调节各向异性场；研究形状各向 异性产生的双各向异性对高频磁性的调控。研究双各向异性及其比值对高频磁导 率和共振频率乘积关系的影响规律，探索提高高频磁性本征参数的途径。（4）利用磁化强度转动磁化曲线法获得精确的各向异性、易磁化方向和磁 化反磁化过程，利用振动样品磁强计获得样品的宏观磁性，利用磁力显微镜研究 磁畴分布，并利用穆斯堡尔谱分析薄膜样品的磁矩分布特征和超精细相互作用等 微观磁性信息。（5）利用微带线法研究薄膜的共振频率、高频磁导率和薄膜样品的饱和磁 化强度，研究面内各向异性和交换耦合对磁性纳米薄膜材料高频磁性的影响，探 索宽范围调制共振频率和高频磁导率的途径。利用COMSUL （微波频段电磁场仿 真）模拟技术研究微波下磁化强度的动力学过程，为高共振频率和高磁导率机制 研究提供依据。承担单位：兰州大学课题负责人：薛德胜学术骨干：李发伸、王建波、贾成龙、范小龙、蒋长军课题在整个项目经费中所占比例：28.7%课题 2 ： 单分散磁性纳米颗粒的高频磁性预期目标：发展可大规模制备具有尺寸和形状可控的单分散磁性纳米颗粒技术，实现磁 性纳米颗粒和纳米结构单元的大面积有序组装，使磁性纳米颗粒的截止使用频率 提高到近 5 GHz。主要研究内容：（1 ）通过人工设计，在与微电子兼容的Si、Ge、GaAs衬底上，利用原子表面再构和应力，通过分子束外延可控生长大面积均匀的磁性金属纳米点 有序阵列。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。（ 2）采用软刻蚀技术，在不同的基底表面加工各种高分子图形，通过真空沉积、化学沉积、刻蚀等手段实现在基底表面构筑高度有序的磁性材料 的线条、点阵等纳米尺度图形。利用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上，获得具有不同各向异性 的高度有序纳米图案结构。（3 ）利用SQUID （超导量子干涉仪）、PPMS （多参数物性测量系统） ESR（电子自旋共振）、Mdssbauer （穆斯堡尔）谱和矢量网络分析仪等手段对 磁性纳米颗粒的静态磁性及动力学磁化过程进行研究，计算和模拟磁性纳米 颗粒的性质，探索磁性纳米颗粒的磁化规律，完善磁性纳米颗粒的磁化机理， 揭示图案结构（如图形形状，长宽比，间距等）与材料高频磁性能之间的关 系。（ 4）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 米颗粒及其有序阵列的高频性质，探索提高阻塞共振频率的方法和机制；通 过改变磁性颗粒的组分，同时调控磁导率和介电常数，得到不同特征阻抗的 磁性纳米颗粒材料，为磁性纳米颗粒材料在高频电感和抗电磁干扰器件中的 应用打下基础。承担单位：中国科学院物理研究所、兰州大学课题负责人：朱涛学术骨干：杨海涛、张浩力、李庆安 课题在整个项目经费中所占比例：25.3%课题 3 ： 磁性/介电纳米材料的高频电磁特性预期目标： 发展几种核/壳结构的新型磁性/介电纳米复合材料，阐明磁性/介电纳米复 合材料的高频电磁特性机理，实现在 1-5 GHz 频率下宽范围的电磁阻抗匹配，获 得性能优于传统材料的新型抗电磁干扰材料。主要研究内容：（ 1）利用等离子体电弧法以及等离子体溅射惰性气体冷凝纳米粒子束流法 制备尺寸可控具有核/壳结构的磁性/介电纳米材料。通过改变等离子体的气氛以 及靶材组分制备不同类型的磁性/介电纳米颗粒材料，在磁场诱导下，通过原位 表面氧化金属或合金纳米颗粒制备具有磁各向异性的核/壳结构的纳米材料。掌 握多种类型的核/壳微观结构的形成规律和生长机理，制备出多种组成和配比的 新型磁性/介电纳米材料。（ 2）研究磁性/介电纳米材料的核/壳微观结构、各相的晶体结构、界面结 构以及在显微尺度上的成分分布。研究不同实验条件对材料的相组成、介电氧化 物壳层厚度、磁性内核尺寸、界面结构等的影响，弄清各种磁性 /介电纳米材料 的核/壳结构的形成规律与关键控制因素，并构建该类磁性 /介电纳米材料的核/ 壳结构模型。在此基础上，进一步研究磁性/介电纳米材料的结构热稳定性、晶 体结构变化以及相转变。（3）系统分析磁性/介电纳米材料的磁化曲线、磁化率、电阻率等磁学及电 学性质。测量复磁导率、复介电常数与频率和温度的关系，研究具有不同内核粒 径和壳层厚度的磁性/介电纳米材料的电磁特性。研究磁性纳米颗粒的尺寸大小、 氧化层厚度、介电材料含量、后续磁场热处理对材料高频电磁特性的影响。系统 分析磁性/介电纳米材料的微观结构、磁电耦合效应与高频电磁性质之间的关系， 阐明其优异高频电磁特性机理。（4）在对该类核/壳型磁性/介电纳米材料的制备方法、微观结构、磁学和 介电性质以及高频电磁特性的系统研究的基础上，深入探讨该类磁性/介电纳米 材料的电磁损耗机理, 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，从而实现在 1-5 GHz 频率下宽范围的电磁阻抗匹配，研制具有优异性能的新型抗电磁干扰材 料。承担单位：厦门大学、中国科学院金属研究所课题负责人：彭栋梁学术骨干：刘伟、曾人杰、杨腾课题在整个项目经费中所占比例：22.7%课题 4 ： 基于高频磁性纳米材料的薄膜电感和近场抗电磁干扰器件 预期目标：基于前三个课题提供的优质高频磁性纳米材料，通过微加工技术，设计并研 制出在1-5 GHz频段范围内电感量为30-120 nH峰值品质因数18-30的薄膜电感， 进而研制吸收式和L-C式抗电磁干扰器件，带宽为10 MHz-5 GHz ,噪音抑制性能 大于30dB，实现面积降低一个量级的近场抗电磁干扰薄膜电感。主要研究内容：（1）研究电磁波在非连续磁性纳米结构材料中的传播，以及决定高频性质 的磁化强度和电磁匹配对电磁波的快速响应过程，为GHz频段高频电子器件的设 计提供基础理论指导。（2 ）针对GHz下高磁导率和阻抗匹配良好的磁性纳米薄膜材料，采用循环 退火工艺模拟微电感的工作环境，研究温度变化、工作时间对磁芯材薄膜电阻率、 磁导率和高频阻抗影响，综合评价磁芯材在宽频、变温条件下的服役行为。（3）利用微纳加工技术，设计、加工典型形状且尺寸可控的纳米结构薄膜 电感，研究各种纳米结构的静态磁性参数和动态磁性及其与纳米结构形状、尺寸 的变化关系；研究邻近绝缘或者绕组层的互感耦合、寄生电容问题；采用网络分 析仪和微波探针台进行高频电感、品质因数和自激谐振频率测试，比较和验证不 同薄膜芯材的电感特性，优化设计。（4 ）采用磁控溅射、微加工技术或低温共烧结技术制备基于纳米颗粒膜GHz 频段噪声抑制器或L-C滤波器，研究薄膜厚度、平面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；优化传输线设计，研究其抗电磁干 扰特性，探索在同一磁芯中实现感性、滤波和抗电磁干扰功能的手段。研制具有 近场抗电磁干扰性能的薄膜电感原型器件。承担单位：电子科技大学、兰州大学 课题负责人：白飞明学术骨干：张怀武、刘颖力、彭勇、杨青慧 课题在整个项目经费中所占比例：23.3%6、课题间关系 本项目围绕高频磁性纳米材料性能的提高，面对它在电子信息领域中应用时 必须解决的基本科学问题展开了四个层面的工作。第一个层面的工作主要研究自 然共振机制下的磁化强度动力学过程，利用外加磁场、界面交换偏置、应力、倾 斜溅射和衬底修饰等手段调控双各向异性，获得1-5 GHz频段高磁导率（200） 可调的薄膜材料，使高频磁性本征参数比传统Snoek极限值增大5-10倍；第二 个层面的工作主要研究非自然共振机制下的磁化强度动力学过程，利用磁性纳米 颗粒的高频磁性与超顺磁性阻塞共振频率有关的特点，通过调控颗粒的尺寸、形 状、空间分布等使阻塞共振频率远高于自然共振频率，提高到近5 GHz。第三个 层面的工作主要研究微波波段电磁波在纳米复合材料中的传播，重点研制核 /壳 结构的新型磁性/介电纳米材料，阐明磁性/介电纳米材料的高频电磁特性机理， 实现抗电磁干扰材料在1-5 GHz频率下的良好电磁阻抗匹配。第|讨电磁波在非连续介质体系中传播，设计并研制1-5 GHz，电感量30 nH，Q18 的薄膜电感，以及噪音抑制 30dB 的高性能的近场抗电磁干扰器件，实现抗电磁 干扰的微型化薄膜电感。本项目将分为四个课题，四个课题分别对应着以上四个层面的工作。课题之间的相互联系如下图所示：型化高频电子器件的项目目标：高性能磁性纳米材料及其微课题一自然共振机制提高高频磁性（“、f）研究课题二非自然共振机制提高高频磁性Q、f）研究L课题三高频磁性纳米材料应用时的遍问题：电磁匹配（、小f ）研究 /课题四高频磁性纳米材料应用：高性能薄膜电感与抗电磁干扰器件丿其中，前两个课题涵盖了磁性纳米材料及纳米结构优异高频磁性研究的主要 方面高频高磁导率机制和材料，涉及提高高频磁性纳米材料共振频率和磁导 率的两种有效途径，研究工作分别在磁性纳米薄膜和纳米颗粒中开展，相互之间 有一定的独立性，又密切联系和互为补充，有助于发现和开发综合性能优异的高 频磁性纳米材料。第三个课题主要开展磁性/介电复合纳米材料的研究，试图主 要解决高频磁性材料在实际应用时必须面对的电磁匹配问题。而第四个课题开展 高频磁性纳米材料在电子信息技术中的应用基础研究，试图将发展的高性能磁性 纳米材料用于薄膜电感器件研制和近场抗电磁干扰器件研制，真正实现纳米材料 中的独特效应在磁性电子器件的重要作用 抗电磁干扰薄膜电感的微型化和 集成化。四、年度计划硏究内容预期目标硏究内容预期目标第年1、研究双各向异性Fe、Co基薄膜 和平面型Fe基微粉的制备、高频 磁性、磁化强度动力学过程，及 各向异性、饱和磁化强度、磁化 强度动力学过程电学测试方法。2、尺寸均一、形状可控的单分散铁 基磁性纳米颗粒(Fe、FeCo、FeNi 及氧化物)的制备和表征，实现对 磁性纳米颗粒的尺寸、形状和颗 粒间距的有效调控；着重于 Ta/CoFeB/MgO(CoFeB=Co40Fe40B20 )磁各向异性可调薄膜的成膜条 件研究，总结出最佳的制备条件。3、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和 合金纳米颗粒。系统研究各个实 验参数对所得到的磁性金属和合 金纳米颗粒的尺寸、合金成分和 形貌的影响，优化实验参数，实 现尺寸均一、粒径可控、合金成 分可控的金属和合金纳米颗粒的 可控制备。4、米用RF磁控溅射方法制备纳米 颗粒膜或纳米复合膜，研究引入 铁氧体和高介电常数绝缘相对多 层膜体系的软磁性能、磁谱、高 频阻抗特性的影响；研究在非连 续介质中，界面效应、纳米尺度 效应和磁电效应对于铁磁共振峰 和阻尼因子的影响。1、铁磁薄膜的共振频率达到2 GHz， 磁导率大于100；颗粒体系的高 频磁性本征参数比Snoek极限高 3倍；可准确测量静态各向异性 场、1-5 GHz氾围内磁谱；建立微 波模拟软件，实现磁化强度动力 学过程的电学测量。2、发展一种可以克量级制备的形貌 可控的单分散磁性纳米颗粒技 术，制备出CoFe基磁各向异性 可调纳米薄膜，获得不同系列纳 米材料相应的晶体结构、组分分 布和静磁性能。3、获得尺寸可控的磁性金属和合金 纳米颗粒；掌握尺寸均一、粒径 可控、合金成分可控的金属和合 金纳米颗粒的形成和生长机理， 制备出具有高饱和磁化强度的 磁性纳米颗粒。4、大幅提咼薄膜的电阻率，获得 GHz频率卜磁导率咼和阻抗匹 配好的纳米磁芯材；揭示纳米复 合薄膜中不同复合维度设计、相 含量、分布和界面对于磁性能和 铁磁共振的影响；拓展调节铁磁 共振频率和带宽的方法。5、发表SCI论文15-20篇，申请发 明专利2-4项。硏究内容预期目标第年1、研究双各向异性Fe、Co基纳米双 相金属薄膜和颗粒膜、平面型 FeSiAl微粉的制备、各向异性调 控、高频磁性、磁化强度动力学 过程,及薄膜4-8 GHz磁谱测试技 术和各向异性空间对称性与高频 磁性的关系。2、采用软刻蚀技术或纳米压印技术， 在不同的基底表面加工各种纳米 图案，实现在基底表面构筑咼度 有序的CoFe基等磁性材料的线 条、点阵等纳米尺度图形，获得 具有不同各向异性的高度有序纳 米图案结构；研究尺寸、形状和 颗粒间距对这些基本磁性和磁结 构的影响；开展CoFeM/(X,Y)n (CoFeM= 8乂卩。皿1紬，M 为 Zr、B 等第三元成分，X为Ta, Pt等金 属层，Y为MgO等氧化物层，n 为薄膜周期数)的不同兀素配比 及不同界面掺杂，以期获得性能 稳定、磁各向异性可调的磁性纳 米结构。3、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各向异性核 /壳结构的磁性纳米材料；研究不 同实验条件对材料的相组成、介 电氧化物壳层厚度、磁性内核尺 寸、界面结构等的影响，及磁性/ 介电纳米材料的结构热稳定性、 晶体结构变化和相转变。4、建立闭合磁路绕制薄膜电感的模 型；优化设计和制作倾斜下电极/ 绝缘层/纳米磁性薄膜/绝缘层/倾 斜上电极/绝缘层/磁路闭合的纳 米磁性薄膜/保护层倾斜缠绕电 感；对其S参数进行动态测试， 建立相应的理论模型，计算出材 料在高频下的性能参数，对器件1、铁磁薄膜的共振频率达到5 GHz， 磁导率100；颗粒体系的高频磁 性本征参数比Sn oek极限高4倍； 实现4-8 GHz范围内磁谱的测量； 建立磁性纳米材料各向异性的 空间对称性与高频自然共振频 率和磁导率的关系。2、获得大面积具有不同各向异性的 高度有序纳米图案结构，得到图 案结构对静磁性能影响的规律， 并获得相应的静磁性能，并在此 基础上发展适用与磁性材料的 软刻蚀与自组装技术相结合的 微纳加工技术。3、掌握多种类型的核/壳微观结构的 形成规律和生长机理，制备出多 种组成和配比的新型磁性/介电 复合纳米材料。弄清各种磁性/ 介电纳米材料的核/壳结构的形 成规律与关键控制因素，并构建 该类磁性/介电纳米材料的核/壳 结构模型。4、掌握可靠的纳米磁性薄膜刻蚀技 术;研制出工作频段:0.5 2GHz、 电感30 nH、峰值品质因数8的 薄膜电感。5、发表SCI论文20-25篇，申请发 明专利4-6项。硏究内容预期目标性能进行调整。第年1、研究双各向异性Fe、Co基多层膜 和平面型FeNi微粉的制备、各向 异性调控、高频磁性、磁化强度 动力学过程，及薄膜0.2-2 GHz磁 谱测试技术和双各向异性系统的 阻尼系数与损耗角正切的变化规 律。2、开展CoFeM/(X,Y)n的人工图形结 构的制备研究；得到对不同磁性 纳米颗粒和CoFe基等纳米图案 结构体系在交变磁场下阻塞温度 随颗粒间距和尺寸变化的规律， 分析尺寸、形状、颗粒间距对偶 极相互作用的影响规律；确立尺 寸、形状、颗粒间距对磁性纳米 颗粒动力学磁化性质的影响；得 到偶极相互作用和颗粒间距和尺 寸、饱和磁化强度的比例关系。3、研究具有不同内核粒径和壳层厚 度的磁性/介电纳米材料的电磁 特性，揭示磁性/介电纳米核/壳1、铁磁薄膜的共振频率达到5 GHz， 磁导率150；颗粒体系的高频磁 性本征参数比Sn oek极限高5倍； 实现200 MHz-2 GHz范围内磁谱 的测量；获得阻尼系数和损耗角 正切与磁化强度动力学过程的 变化规律。2、对磁性纳米颗粒和纳米图案结构 的动力学磁化机制有深入的认 识，完善磁性纳米颗粒的微磁化 机理。3、掌握介电氧化物壳层厚度对这类 复合材料电输运性质、介电性、 电磁吸收的阻抗匹配条件的影 响规律。发展和完善不同于传统 纳米颗粒膜体系的高频磁性理 论，建立调控其自然共振频率、 磁导率和电阻率的新方法和新 机制。4、获得1-2种具有稳定化学成分、硏究内容预期目标复合的微观结构、组成与其电磁 吸收特性之间的关系；系统地探 索双磁性相的磁性/介电复合纳 米颗粒膜的高频磁性的调控机 制，探明面内和面外磁各向异性 场对其自然共振频率和磁导率的 影响规律，阐明其起源。4、采用循环退火工艺模拟微电感的 工作环境，研究变温、多次循环 条件下非晶/纳米晶磁芯薄膜的 晶化行为；研究邻近绝缘或者绕 组层对于薄膜阻抗特性、切向磁 导率与工作频率的关系，综合评 价非晶/纳米晶磁芯在宽频、变温 条件下的服役行为。相结构和界面且具有优良电磁 性能的磁芯薄膜；揭示阻尼因子 的调制规律，获得宽频、高 / 的抗EMI磁性薄膜。5、发表SCI论文20-25篇，申请发 明专利4-6项。第四年1、研究反铁磁钉扎等诱导纳米结构 双各向异性的Fe、Co基薄膜、平 面型FeNiMo和FeBC微粉的制 备、各向异性调控、咼频磁性、 磁化强度动力学过程，及提高双 各向异性场比值的技术，优化双 各向异性提咼咼频磁性的途径。2、研究不同纳米颗粒体系和纳米图 案结构样品的阻塞频率和复数磁 导率，纳米颗粒的尺寸、形状、 偶极相互作用对超顺磁阻塞共振 频率和磁导率的影响；探索通过 磁性纳米颗粒微观组装结构调控 薄膜样品高频性能的新机制，建 立与完善磁性纳米颗粒微观排列 与宏观磁学性能之间相关的物理 模型；对不同状态的磁性纳米颗 粒体系的复数磁导率和阻塞频率 进行模拟计算，构建不同于传统 大块材料的共振频率和磁导率的 新函数关系；测量CoFeM/(X,Y)n 图案结构薄膜的高频电磁特性。3、探索磁性/介电复合型纳米薄膜材 料的高频介电常数的测量方法， 研制其测量设备；探讨该类磁性/1、铁磁薄膜的共振频率达到5 GHz， 磁导率200；颗粒体系的高频磁性 本征参数比Snoek极限高6-8倍； 提出最优双各向异性的实现途径 和理论依据。2、揭示超顺磁纳米颗粒和图案结构 的阻塞频率和磁导率的变化规 律，构建适用于磁性纳米结构的 共振频率和磁导率的新 函数关 系。3、建立磁性/介电纳米核/壳复合电磁 吸收的理论模型，从而深入理解 能够调控复合电磁吸收材料对电 磁吸收频率和带宽的影响因素， 以及电磁波吸收强度增强的物理 本质。实现在1-5 GHz频率下电 磁阻抗匹配的宽范围调控，获得 可应用于薄膜电感器以及性能优 于传统材料的新型抗电磁干扰材 料。4、揭示金属绕组或者绝缘层(缓冲 层)对于纳米磁性薄膜性能和温 度稳定性的影响规律；研制出工 作频段:1-5GHz、电感30 nH、品 质因数15的薄膜电感。硏究内容预期目标介电复合型纳米薄膜材料的电磁 损耗机理，弄清磁导率和介电常 数的相互依赖关系，提出相应的 磁导率和介电常数的匹配理论。4、进行微电感与抗EMI噪声抑制器 进行一体化设计和仿真；制备共 面波导型和微带线型抗EMI噪声 抑制器；综合评估高频磁导率、 工作频率、涡流损耗、趋肤效应 以及邻近效应，从相含量或者层 结构设计改进纳米磁性薄膜。5、发表SCI论文20-25篇，申请发 明专利4-6项。第五年1、在多个双各向异性系统中实现优 异高频磁性，探索其它各向异性 对称性体系中提咼咼频磁性的途 径，提出课题一发展思路。2、采用共混或者原位聚合的技术与 具有不同介电常数的有机树脂复 合，通过调控颗粒的体积百分比、 易轴的定向、颗粒-树脂界面结构 等参数得到一系列截止频率近于 5GHz的具有不同咼频微波性能 参数的磁性纳米复合树脂材料； 制备一系列磁导率和阻塞共振频 率可调的磁性纳米图案结构薄膜 样品。探讨磁性纳米颗粒和图案 结构在微波电子器件中的应用。3、在对核/壳型磁性/介电复合型纳米材料的制备方法、微观结构、磁 学和介电性质以及高频电磁特性 的系统研究的基础上，掌握调控 磁导率和介电常数的关键实验参 数，为实现在1-5 GHz频率下具有 高电感量和高Q值的微型化薄膜 电感提供新型抗电磁干扰材料。4、研究同一种纳米磁性薄膜在感性 器件和损耗型器件中的服役行 为；对于不同的磁芯材料，改变1、在3个以上体系中实现：共振频 率达到5 GHz,磁导率200，高 频磁性本征参数比Snoek极限高 10倍以上；提出高频磁性的最优 模型，提出实现课题一目标的最 简单技术途径。2、获得一系列截止频率近于5GHz 的具有不同高频微波性能参数 的磁性纳米复合树脂和图案结 构材料。3、获得可用于在1-5 GHz频段范围 内电感量为30-120 nH、峰值品 质因数18-30的薄膜电感的研 制,以及吸收式和L-C式抗电磁 干扰器件、带宽为10 MHz-5 GHz、噪音抑制性能大于30dB、 实现面积降低一个量级的微型 化近场抗电磁干扰薄膜电感的 研制的高频磁性纳米材料。4、研制出3-10 GHz,噪音抑制30dB的抗EMI噪音抑制器。5、发表SCI论文20-25篇，申请发 明专利4-6项。硏究内容预期目标电磁环境参数，研究器件特性的 变化，并找到其中的规律，为纳 米磁芯材料的进一步深入研究找 到方向。5、项目研究总结。