高頻磁性納米材料的電磁性能調(diào)控及其在磁性電子器件中的應用

1、項目名稱：高頻磁性納米材料的電磁性能調(diào)控及其在磁性電子器件中的應用首席科學家：薛德勝蘭州大學起止年限：2012.1至2016.8依托部門：教育部一、關鍵科學問題及研究內(nèi)容本項目根據(jù)電子信息技術(shù)中對 GHz頻段的高性能、微型化薄膜電感和近場抗電磁干擾器件用 高頻磁性納米材料的迫切要求，通過磁性納米材料與納米結(jié)構(gòu)的可控制備， 突破Snoek理論極限的 制約，探索提高磁性納米材料高頻性質(zhì)的新機制， 突破傳統(tǒng)微波磁性材料不能同時保持高共振頻率 和高磁導率的瓶頸，獲得1-5 GHz波段內(nèi)高磁導率的高頻磁性納米材料；并針對高頻磁性納米材料 在1-5 GHz電子信息傳輸和近場抗電磁干擾技術(shù)中的具體應用，探索

2、保持優(yōu)良高頻磁性基礎上的電磁匹配機制，突破電磁波的連續(xù)介質(zhì)理論，設計并實現(xiàn)具有良好電磁匹配的可工作在1-5 GHz的微型化薄膜電感和近場抗電磁干擾器件。針對GHz頻率下，同時提高磁性納米材料的共振頻率和磁導率，以及獲得優(yōu)異性能的薄膜電 感和近場抗電磁干擾器件， 擬解決的關鍵科學問題包括：自然共振機制下，同時提高磁性納米材料共振頻率和磁導率的機制，以及雙各向異性控制下大幅度調(diào)控高頻磁性的機制及磁化強度的動力學過程。非自然共振機制下，提高磁性納米材料共振頻率和磁導率的機制，以及有效各向異性和體積共同作用下的超順磁阻塞共振頻率對高頻磁性的影響機制。描述磁性納米材料電磁性質(zhì)的有效理論，以及核 /殼結(jié)構(gòu)

3、的形態(tài)、相構(gòu)成和各相的體積分數(shù)對新型磁性/介電納米材料的高頻電磁耦合機制和匹配關系的寬范圍調(diào)控機制。分離介質(zhì)對電磁波傳輸特性的影響機制， 以及高性能薄膜電感和抗電磁干擾器件的設計理論和 器件研制。主要研究內(nèi)容包括：以高飽和磁化強度 Ms的鐵基和鉆基鐵磁金屬及合金為基礎，制備磁性納米薄膜、顆粒膜及多 層膜。通過濺射時外加磁場、傾斜濺射、反鐵磁釘扎、襯底修飾等手段，在樣品平面內(nèi)產(chǎn)生單 軸或單向磁各向異性。通過薄膜的微結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低矯頑力He,提高磁導率；改變面內(nèi)各向異性，探索大范圍調(diào)控磁性納米薄膜高頻磁性的規(guī)律。制備線度比(aspect ratio)大的片狀軟磁納米顆粒，調(diào)整靜態(tài)磁矩分布在薄片平面

4、內(nèi)，利用形 狀調(diào)控垂直片狀納米顆粒平面的各向異性場，用磁場熱處理、應力、取向等方式在片狀納米顆 粒平面內(nèi)產(chǎn)生和調(diào)節(jié)各向異性場。研究這兩個各向異性場的比值與材料高頻磁性的關系。尋找 大幅度提高雙各向異性片狀磁性納米顆粒的規(guī)律，探索提高高頻磁性的新機制。采用高溫熱解或還原的方法制備單分散、表面活性劑分子包覆的不同形狀的鐵基磁性納米顆 粒；通過種子法和反向膠束法在鐵基磁性納米顆粒的表面包覆致密的保護層，制備穩(wěn)定的核殼 結(jié)構(gòu)磁性納米顆粒。通過調(diào)控納米顆粒的尺寸、形狀、顆粒間距，研究單分散磁性納米顆粒的 高頻性質(zhì)，探索提高阻塞共振頻率的方法和機制。利用微納加工技術(shù)，設計、加工各種典型形狀且尺寸可控的納米

5、結(jié)構(gòu)材料；利用軟刻蝕技術(shù)與 自組裝技術(shù)相結(jié)合的方法，在不同的基底表面加工各種高分子圖形，將磁性納米顆粒、納米線 組裝到基底的表面，成為高度有序的納米圖形結(jié)構(gòu)。探索形狀各向異性對各向異性對稱性的調(diào) 制，研究這些有序結(jié)構(gòu)的高頻性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)的關系。利用等離子體濺射惰性氣體冷凝納米粒子束流法以及等離子體電弧法制備尺寸可控的磁性金 屬或合金納米顆粒；在誘導磁場下通過原位表面氧化納米顆粒制備核 / 殼結(jié)構(gòu)的復合材料；在 誘導磁場下制備磁性合金納米顆粒與絕緣介質(zhì) （非磁或弱磁 ）雙相納米復合材料；研究磁性納米 顆粒的尺寸大小、氧化層厚度、絕緣介質(zhì)含量、后續(xù)熱處理對材料高頻磁性的影響。 研究核/殼型磁性 /

6、介電納米材料的介電氧化物殼層厚度、磁性內(nèi)核尺寸、界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)核和殼 層相種類等對材料的高頻介電性和磁電耦合效應的影響，闡明各種核/殼型磁性 /介電納米材料的高頻電磁特性的機理，弄清磁導率和介電常數(shù)的相互依賴關系，提出磁導率和介電常數(shù)的匹 配理論，掌握調(diào)控磁導率和介電常數(shù)的關鍵實驗參數(shù)，實現(xiàn)高頻下寬范圍的電磁阻抗匹配。 探索納米顆粒膜和多層膜的高共振頻率、 高磁導率和良好電磁匹配的工藝條件， 以及調(diào)控機理， 得到在GHz頻域具有優(yōu)良電磁綜合性能的納米薄膜材料； 模擬微電感的工作環(huán)境，研究溫度變 化、工作時間、鄰近絕緣或者繞組層對于非晶 /納米晶磁芯材薄膜行為的影響，并建立與之相 應的動力學模型。

7、 研究電磁波在非連續(xù)介質(zhì)中的傳播、磁化強度的動力學過程、阻尼的產(chǎn)生和變化機理；進行集 成電感、抗電磁干擾（EMI）薄膜器件設計；利用微電子工藝實現(xiàn) GHz下的典型器件，探索利 用磁性納米薄膜研制高性能薄膜電感和抗電磁干擾器件的條件， 探索抗電磁干擾薄膜電感集成 器件在復雜電磁環(huán)境下的特性變化規(guī)律。理論上，研究不同各向異性對稱性下的磁化強度動力學過程， 尋找自然共振機制下高頻高磁導 率的最優(yōu)機制； 研究磁性顆粒的大小、 顆粒間交換耦合以及偶極相互作用對超順磁阻塞頻率和磁導 率的影響規(guī)律，尋找非自然共振機制下的高頻高磁導率機制；研究不同形狀和相比例的磁性 /介電 納米顆粒復合體系對電磁波的散射，探

8、索納米復合體系的有效介質(zhì)理論，尋找新的電磁匹配機制。二、預期目標本項目的總體目標：解決傳統(tǒng)微波磁性材料不能同時保持高共振頻率和高磁導率的問題和電磁匹配問題， 真正實現(xiàn) 磁性納米材料在1-5 GHz微波頻段電感類磁性電子器件和抗電磁干擾器件中的應用，為電子信息技術(shù)的大集成提供可能。通過磁性納米材料與納米結(jié)構(gòu)的可控制備，探索突破Snoek理論極限的新方 法和新途徑，尋找提高磁性納米材料高頻性質(zhì)的新機制； 建立描述磁性納米材料高頻性質(zhì)的新理論， 探索在GHz頻段內(nèi)具有高磁導率的高頻磁性納米材料的調(diào)控機制，通過納米復合實現(xiàn)優(yōu)異高頻磁 性基礎上良好電磁匹配； 利用以上磁性納米材料， 實現(xiàn)優(yōu)異性能的薄膜電

9、感和近場抗電磁干擾器件 的微型化， 滿足現(xiàn)代通訊和計算機對電子器件高頻化和集成化的要求， 同時解決因信息處理頻率的 提高而帶來的器件之間嚴重近場電磁干擾問題，為我國的信息通訊、國防安全、航空航天等領域探 索新材料和新技術(shù)。五年預期目標：1、闡明突破Snoek理論極限的可能機制，建立高共振頻率和高磁導率的雙各向異性新理論；探索 不同頻率下磁性納米材料中磁化強度在自然共振和非自然共振機制下的動力學過程物理圖象， 建立高頻磁性的調(diào)控機制；探索納米材料介電常數(shù)調(diào)控機制，建立納米復合系統(tǒng)的電磁匹配理 論；研究電磁波在非連續(xù)介質(zhì)中的傳播，奠定微波頻段下微型化磁性器件設計的理論基礎。2、 發(fā)展大范圍調(diào)整磁性

10、納米材料的雙各向異性新方法，獲得共振頻率在1-5 GHz高頻磁導率200的軟磁薄膜材料，實現(xiàn)同一材料的高頻磁性本征參數(shù)為Snoek極限值的5-10倍；發(fā)展大規(guī)模制備尺寸和形狀均勻可控的單分散磁性納米顆粒技術(shù)，實現(xiàn)高度有序的磁性納米顆粒和納米線的組裝，使其截止使用頻率提高近5 GHz以上；發(fā)展磁性金屬/氧化物復合體系，實現(xiàn)高頻磁性 納米材料的電磁阻抗匹配，研發(fā) 1-5 GHz電感量30 nH,品質(zhì)因子Q18的典型磁性薄膜電感， 以及帶寬為10 MHz-5 GHz噪音抑制-30dB的吸收式或L-C式抗電磁干擾器件，實現(xiàn)面積降低 一個量級的近場抗電磁干擾薄膜電感。3、項目執(zhí)行期間培養(yǎng)出3-4名在國際

11、上有一定影響的學術(shù)帶頭人，形成一支具有開拓創(chuàng)新精神， 具有國際競爭力，能勝任國家重大科研任務和參加國際學科前沿競爭的高頻磁性納米材料研究 隊伍。申請專利20余項，發(fā)表高水平論文100余篇，培養(yǎng)博士后10余人，博士 100余人。三、研究方案1、實現(xiàn)項目五年預期目標的總體研究思路1）通過磁性納米材料與納米結(jié)構(gòu)的可控制備，調(diào)控雙各向異性，大幅度提高磁性納米薄膜的 共振頻率和微波磁導率；2）通過調(diào)節(jié)超順磁顆粒尺寸和顆粒間相互作用，提高阻塞共振頻率來提 高截止使用頻率；3）通過調(diào)控高頻磁性納米材料的復合介質(zhì)類型和耦合方式，實現(xiàn)對介電常數(shù)的 寬范圍調(diào)控，達到電磁匹配的目的；4）利用高頻電磁性質(zhì)來源于納米尺

12、度的調(diào)控，通過電磁波在 分離介質(zhì)中傳播規(guī)律研究，設計并實現(xiàn)高性能薄膜電感的微型化和近場抗電磁干擾一體化；5）從微波電磁場在磁性納米材料中傳播的非線性效應和磁化強度在不同各向異性空間對稱性系統(tǒng)中的 動力學過程出發(fā)，預測不同納米體系的高頻性質(zhì)，探索新的高頻電磁特性機制。2、技術(shù)途徑：本項目的實驗方案和技術(shù)途徑可分為：1）高頻磁性納米材料及納米結(jié)構(gòu)的可控制備利用射頻磁控濺射、離子束沉積和分子束外延技術(shù)制備一系列高磁導率的磁性納米薄膜、顆 粒膜及多層膜，通過工藝條件的變化（氣壓、基底溫度等），施加磁場、傾斜濺射、反鐵磁釘扎 和襯底修飾等手段以及后期磁場熱處理控制晶粒大小、形狀和空間分布。采用高溫有機液

13、相還原 法和熱分解法等合成尺寸均一、不同形狀的單分散鐵基磁性納米顆粒，利用種子法和反向膠束法 在鐵基磁性納米顆粒的表面包覆保護層，形成具有核殼結(jié)構(gòu)的磁性納米顆粒。采取軟刻蝕技術(shù)與 自組裝技術(shù)相結(jié)合的方法將各種磁性納米顆粒、納米線組裝到適當?shù)幕椎谋砻?，成為高度有序的陣列圖形結(jié)構(gòu)。利用等離子體濺射惰性氣體冷凝納米離子束流法以及等離子體電弧法制備尺寸 可控的磁性金屬或合金納米顆粒，通過原位氧化或后期復合形成磁性金屬納米顆粒/絕緣介質(zhì)雙相納米復合材料。2）自然共振機制下的各向異性調(diào)控及 GHz高磁導率通過磁場誘導、傾斜濺射誘導、反鐵磁釘扎誘導、界面誘導等手段，利用交換耦合作用及納米薄膜具有強形狀各向

14、異性的特點實現(xiàn)磁性納米薄膜的平面各向異性；通過薄膜樣品整體退磁場調(diào)控和面內(nèi)各向異性調(diào)控實現(xiàn)高共振頻率和高磁導率；針對具有立方晶體對稱性的優(yōu)異軟磁材料 （低磁晶各向異性常數(shù)K,低磁致伸縮系數(shù)，低矯頑力He）,通過顆粒形狀控制雙各向異性；利用低 維結(jié)構(gòu)特性和誘導磁場，調(diào)控復合磁性納米材料的難磁化面和易磁化面內(nèi)兩個各向異性場；利用各向異性空間類型對磁化強度動力學過程的控制， 研究自然共振機制下高頻高磁導率規(guī)律， 研究高頻 磁性本征參數(shù)與兩個各向異性場的關系。3）非自然共振機制下磁性納米顆粒與納米結(jié)構(gòu)材料的高共振頻率利用磁性納米顆粒的高頻性質(zhì)同時決定于自然共振頻率和阻塞頻率的特點，通過控制磁性納米顆粒

15、的尺寸、形狀以及顆粒間距，改變顆粒間相互作用，達到調(diào)制超順磁阻塞頻率的目的，實現(xiàn)磁性納米顆粒的阻塞頻率咼于 5 GHz；利用自旋波激發(fā)的思路，探索更咼頻率下咼磁導率的機制。4）磁性納米復合介質(zhì)的電磁匹配通過調(diào)節(jié)等離子體起弧電流、電壓等參數(shù)來控制陽極金屬蒸汽量，改變納米顆粒的尺寸。誘導 磁場下通過原位表面氧化磁性金屬或合金納米顆粒制備核 /殼結(jié)構(gòu)的顆粒型復合材料；在誘導磁場 下制備磁性合金納米顆粒與（弱磁）絕緣介質(zhì)雙相納米復合材料，研究磁性納米顆粒的尺寸大小、氧 化層厚度、絕緣介質(zhì)含量、后續(xù)磁場熱處理對材料高頻磁特性的影響。從而獲得多種類型的具有良 好電磁匹配性能的磁性/介電納米材料。利用納米顆

16、粒對電磁波的散射研究復合體系的電磁匹配機 理。5）基于高頻納米磁性材料的薄膜電感和抗電磁干擾器件應用研究利用納米顆粒膜與多層膜的高頻磁性和阻抗特性可調(diào)的特點，選用高飽和磁化強度材料作為薄 膜電感芯材。采用微元分析法進行不同繞線形狀電感量計算， 分析磁膜結(jié)構(gòu)的引入對微電感物理模 型及集成總參數(shù)等效電路的影響。采用濺射鍍膜和光刻工藝結(jié)合的方法制作傾斜纏繞型耦合薄膜電 感，并進行高頻電感、品質(zhì)因數(shù)和自激諧振頻率測試，比較和驗證不同磁性納米薄膜芯材的電感特 性，進一步優(yōu)化設計。設計、制作薄膜高頻噪音抑制器和L-C濾波器，進行磁譜和頻譜分析，研究磁性納米薄膜厚度、尺寸、形狀和介質(zhì)層對傳輸線的特征阻抗、信

17、號衰減幅度和散射參數(shù)等的影響； 進行傳輸線設計和優(yōu)化，研究動態(tài)加載運行時集成電路的抗EMI特性。利用電磁波在非連續(xù)介質(zhì)中的傳播規(guī)律，設計新型高性能薄膜電感和抗電磁干擾器件一體化。3、創(chuàng)新點與特色：1）目前絕大多數(shù)高頻磁性材料的研究主要是通過提高材料的飽和磁化強度來提高高頻磁性。我們提出利用磁性納米材料中的雙各向異性來提高高頻性能的思路，并指出通過調(diào)節(jié)這兩個各向異性及其比值是提高磁性納米材料高頻磁性更為有效的途徑。2）除利用自然共振原理提高高頻磁性外，我們提出在超順磁納米顆粒中通過改變超順磁顆粒的尺 寸，使得阻塞共振頻率遠高于自然共振頻率，從而提高截止使用頻率，這是一種新的頻率調(diào)控手段和新的共振

18、機制，有望突破傳統(tǒng)的球形單疇顆粒體系的截止使用頻率理論極限。3）納米尺度下材料的各向異性具有可大范圍調(diào)整的特征， 可以實現(xiàn)大塊材料不可能達到的高共振 頻率和高磁導率調(diào)制范圍，克服傳統(tǒng)高頻磁性材料不能同時提高共振頻率和高頻磁導率的缺 陷。通過我們設計的技術(shù)路線和實驗方案，將磁性納米材料的高頻磁性本征參數(shù)提高到 Snoek 理論極限值的 5-10 倍。4）在調(diào)節(jié)高頻磁導率和各向異性同時，采用納米包覆或復合方式，大幅度提高材料的電阻率；并 利用磁性 / 介電（壓電）納米復合可實現(xiàn)磁導率和介電常數(shù)的雙重調(diào)節(jié)，克服單一磁性納米材 料在高頻下實現(xiàn)寬范圍阻抗匹配的困難。 將磁性納米薄膜應用于薄膜電感器和抗

19、EMI 噪聲抑制 器中，既可以實現(xiàn)高電感量和高 Q 值的微型化薄膜電感， 又可以實現(xiàn)其近場抗電磁干擾功能一 體化。4、取得重大突破的可行性分析： 項目組主要成員在磁性納米材料與結(jié)構(gòu)的可控制備與高頻磁性的研究已有多年的積累。 在國防973 項目資助下研制出多種具有不同納米結(jié)構(gòu)的新型磁性納米薄膜材料。例如，在CoNb 薄膜中發(fā)現(xiàn)在3 GHz下磁導率可以達到100;在高電阻率的FeCoB-SiO顆粒膜中，得到了共振頻率為2 GHz 磁導率大于 80 的高頻性能。最近，我們研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控磁性納米材料的易磁化面和難磁化面內(nèi) 雙各向異性場及其比值，高頻磁性的上限可以超出Snoek預測的極限，表明通過調(diào)控

20、磁性納米材料 的各向異性類型可以大幅度提高磁性納米材料高頻性能。 在磁性納米顆粒研究中， 成功制備出單分 散的磁性Fe Co納米顆粒和FesO4納米方塊。初步研究發(fā)現(xiàn)當尺寸減小到 10 nm以下時，超順磁 性阻塞共振頻率可以超過自然共振頻率，截止使用頻率達到5 GHz附近。在磁性/介電復合納米體系中，我們通過磁、電介質(zhì)在納米尺度的可控復合， 發(fā)現(xiàn)可以在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)磁導率和介電常數(shù)的 調(diào)制，為實現(xiàn)不同目標的寬范圍電磁匹配提供了可能。 由于磁性納米材料的優(yōu)異電磁性能來自于納 米尺度的調(diào)控，使研制微米尺度的電子器件成為可能。因此，我們提出以上學術(shù)思路和技術(shù)路線。本項目的依托單位， 集中了磁性納米材料

21、的高頻磁性研究在國內(nèi)具有優(yōu)勢的蘭州大學和中國科 學院物理研究所、磁性納米材料的電磁匹配研究在國內(nèi)具有優(yōu)勢的廈門大學和中國科學院金屬研究 所、以及磁性電子器件研究在國內(nèi)具有優(yōu)勢的電子科技大學， 五家單位擁有目前國際上先進、 國內(nèi) 最齊全的磁性納米材料制備、 結(jié)構(gòu)、成份表征、物性測量設備; 完備的顆粒體系高頻性能表征設備、 世界上為數(shù)不多的納米薄膜高頻磁性測試裝置; 較完整的電子器件研發(fā)設施。 結(jié)合已有的工作基礎 和本項目的特色，完全具備取得重大突破的可能性。5、課題設置課題1 ： 雙各向異性磁性納米材料的高頻磁性預期目標：發(fā)展大范圍調(diào)整磁性納米材料雙各向異性的直接制備技術(shù)，獲得共振頻率在1-5

22、GHz、微波磁導率200的軟磁薄膜材料，實現(xiàn)高頻磁性本征參數(shù)比傳統(tǒng)的Snoek極限值增大5-10倍。主要研究內(nèi)容：（1）以高飽和磁化強度的鐵、鈷基鐵金屬及合金為基礎，通過濺射時外加磁場、傾斜濺射、 反鐵磁釘扎、 襯底修飾等手段， 以及磁場回火后處理在樣品平面內(nèi)產(chǎn)生單軸或單向磁各向異性; 研 究界面效應和納米相耦合等對其磁各向異性的影響， 探索各向異性的主要來源， 以及提高自然共振 頻率的各向異性類型。（2）通過納米薄膜、 顆粒膜及多層膜的微結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使薄膜中磁性納米晶粒 / 顆粒間發(fā)生交換 耦合，研究薄膜靜態(tài)磁性，如矯頑力、靜態(tài)磁導率、飽和磁化強度及磁矩微觀分布。利用 Herzer 的無規(guī)各向

23、異性模型， 研究交換耦合對面內(nèi)各向異性調(diào)控、 克服自身退磁效應、 降低矯頑力及提高 磁導率的機制。（3）利用形狀磁各向異性產(chǎn)生雙各向異性。制備線度比大的片狀軟磁納米顆粒，利用旋轉(zhuǎn)磁 場制備取向樣品，調(diào)整靜態(tài)磁矩分布在薄片平面內(nèi)；用磁場熱處理，應力、 取向等方式在片狀納米 顆粒平面內(nèi)調(diào)節(jié)各向異性場； 研究形狀各向異性產(chǎn)生的雙各向異性對高頻磁性的調(diào)控。 研究雙各向 異性及其比值對高頻磁導率和共振頻率乘積關系的影響規(guī)律，探索提高高頻磁性本征參數(shù)的途徑。（4）利用磁化強度轉(zhuǎn)動磁化曲線法獲得精確的各向異性、易磁化方向和磁化反磁化過程，利 用振動樣品磁強計獲得樣品的宏觀磁性， 利用磁力顯微鏡研究磁疇分布，

24、 并利用穆斯堡爾譜分析薄 膜樣品的磁矩分布特征和超精細相互作用等微觀磁性信息。（5）利用微帶線法研究薄膜的共振頻率、高頻磁導率和薄膜樣品的飽和磁化強度，研究面內(nèi) 各向異性和交換耦合對磁性納米薄膜材料高頻磁性的影響， 探索寬范圍調(diào)制共振頻率和高頻磁導率 的途徑。利用COMSUL（微波頻段電磁場仿真）模擬技術(shù)研究微波下磁化強度的動力學過程，為高 共振頻率和高磁導率機制研究提供依據(jù)。承擔單位：蘭州大學 課題負責人：薛德勝 學術(shù)骨干：李發(fā)伸、王建波、賈成龍、范小龍、蔣長軍 課題在整個項目經(jīng)費中所占比例： 28.7% 課題 2 ： 單分散磁性納米顆粒的高頻磁性 預期目標：發(fā)展可大規(guī)模制備具有尺寸和形狀可

25、控的單分散磁性納米顆粒技術(shù)， 實現(xiàn)磁性納米顆粒和納米 結(jié)構(gòu)單元的大面積有序組裝，使磁性納米顆粒的截止使用頻率提高到近5 GHz。主要研究內(nèi)容：（1）通過人工設計，在與微電子兼容的 Si、Ge、GaAs 襯底上，利用原子表面再構(gòu)和應 力，通過分子束外延可控生長大面積均勻的磁性金屬納米點有序陣列。采用高溫熱解或還原的 方法制備單分散、表面活性劑分子包覆的不同形狀的鐵基磁性納米顆粒；通過種子法和反向膠 束法在鐵基磁性納米顆粒的表面包覆致密的保護層，制備穩(wěn)定的核殼結(jié)構(gòu)磁性納米顆粒。（2）采用軟刻蝕技術(shù)，在不同的基底表面加工各種高分子圖形，通過真空沉積、化學沉 積、刻蝕等手段實現(xiàn)在基底表面構(gòu)筑高度有序的

26、磁性材料的線條、點陣等納米尺度圖形。利用 軟刻蝕技術(shù)與自組裝技術(shù)相結(jié)合的方法將各種磁性納米顆粒、納米線組裝到適當?shù)幕咨?，獲 得具有不同各向異性的高度有序納米圖案結(jié)構(gòu)。（3）利用SQUID （超導量子干涉儀）、PPMS （多參數(shù)物性測量系統(tǒng)）、ESR（電子自旋共 振）、M?ssbauer（穆斯堡爾）譜和矢量網(wǎng)絡分析儀等手段對磁性納米顆粒的靜態(tài)磁性及動力學 磁化過程進行研究，計算和模擬磁性納米顆粒的性質(zhì)，探索磁性納米顆粒的磁化規(guī)律，完善磁 性納米顆粒的磁化機理，揭示圖案結(jié)構(gòu)（如圖形形狀，長寬比，間距等）與材料高頻磁性能之間的關系（4）通過調(diào)控納米顆粒的尺寸、形狀、顆粒間距，研究單分散磁性納米顆粒

27、及其有序陣 列的高頻性質(zhì)，探索提高阻塞共振頻率的方法和機制；通過改變磁性顆粒的組分，同時調(diào)控磁 導率和介電常數(shù)，得到不同特征阻抗的磁性納米顆粒材料，為磁性納米顆粒材料在高頻電感和 抗電磁干擾器件中的應用打下基礎。承擔單位：中國科學院物理研究所、蘭州大學課題負責人：朱濤學術(shù)骨干：楊海濤、張浩力、李慶安課題在整個項目經(jīng)費中所占比例： 25.3%課題 3 ： 磁性 /介電納米材料的高頻電磁特性預期目標：發(fā)展幾種核 /殼結(jié)構(gòu)的新型磁性 / 介電納米復合材料，闡明磁性 /介電納米復合材料的高頻電磁 特性機理，實現(xiàn)在1-5 GHz頻率下寬范圍的電磁阻抗匹配，獲得性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料的新型抗電磁干 擾材料。主要

28、研究內(nèi)容：（ 1 ）利用等離子體電弧法以及等離子體濺射惰性氣體冷凝納米粒子束流法制備尺寸可控具有 核/ 殼結(jié)構(gòu)的磁性 /介電納米材料。通過改變等離子體的氣氛以及靶材組分制備不同類型的磁性/介電納米顆粒材料， 在磁場誘導下， 通過原位表面氧化金屬或合金納米顆粒制備具有磁各向異性的核 /殼結(jié)構(gòu)的納米材料。 掌握多種類型的核 /殼微觀結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律和生長機理，制備出多種組成和配 比的新型磁性 /介電納米材料。（2）研究磁性 /介電納米材料的核 /殼微觀結(jié)構(gòu)、各相的晶體結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)以及在顯微尺度 上的成分分布。研究不同實驗條件對材料的相組成、介電氧化物殼層厚度、磁性內(nèi)核尺寸、 界面結(jié) 構(gòu)等的影響，弄

29、清各種磁性 /介電納米材料的核 /殼結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律與關鍵控制因素，并構(gòu)建該類磁 性/介電納米材料的核 /殼結(jié)構(gòu)模型。在此基礎上，進一步研究磁性 /介電納米材料的結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性、 晶體結(jié)構(gòu)變化以及相轉(zhuǎn)變。（3）系統(tǒng)分析磁性 /介電納米材料的磁化曲線、磁化率、電阻率等磁學及電學性質(zhì)。測量復磁導率、復介電常數(shù)與頻率和溫度的關系，研究具有不同內(nèi)核粒徑和殼層厚度的磁性/介電納米材料的電磁特性。研究磁性納米顆粒的尺寸大小、 氧化層厚度、 介電材料含量、后續(xù)磁場熱處理對材料 高頻電磁特性的影響。系統(tǒng)分析磁性 /介電納米材料的微觀結(jié)構(gòu)、磁電耦合效應與高頻電磁性質(zhì)之 間的關系，闡明其優(yōu)異高頻電磁特性機理。（4）在

30、對該類核 /殼型磁性 /介電納米材料的制備方法、微觀結(jié)構(gòu)、磁學和介電性質(zhì)以及高頻 電磁特性的系統(tǒng)研究的基礎上，深入探討該類磁性 /介電納米材料的電磁損耗機理 , 弄清磁導率和 介電常數(shù)的相互依賴關系， 提出磁導率和介電常數(shù)的匹配理論， 掌握調(diào)控磁導率和介電常數(shù)的關鍵 實驗參數(shù)，從而實現(xiàn)在1-5 GHz頻率下寬范圍的電磁阻抗匹配，研制具有優(yōu)異性能的新型抗電磁干 擾材料。承擔單位：廈門大學、中國科學院金屬研究所課題負責人：彭棟梁學術(shù)骨干：劉偉、曾人杰、楊騰課題在整個項目經(jīng)費中所占比例： 22.7%課題 4 ： 基于高頻磁性納米材料的薄膜電感和近場抗電磁干擾器件 預期目標：基于前三個課題提供的優(yōu)質(zhì)高

31、頻磁性納米材料，通過微加工技術(shù)，設計并研制出在1-5 GHz頻段范圍內(nèi)電感量為30-120 nH,峰值品質(zhì)因數(shù)18-30的薄膜電感，進而研制吸收式和 L-C式抗電磁 干擾器件，帶寬為10 MHz-5 GHz噪音抑制性能大于30dB,實現(xiàn)面積降低一個量級的近場抗電磁 干擾薄膜電感。主要研究內(nèi)容：（1）研究電磁波在非連續(xù)磁性納米結(jié)構(gòu)材料中的傳播，以及決定高頻性質(zhì)的磁化強度和電磁 匹配對電磁波的快速響應過程，為 GHZ頻段高頻電子器件的設計提供基礎理論指導。（2）針對GHz下高磁導率和阻抗匹配良好的磁性納米薄膜材料，采用循環(huán)退火工藝模擬微電 感的工作環(huán)境，研究溫度變化、 工作時間對磁芯材薄膜電阻率、

32、 磁導率和高頻阻抗影響，綜合評價 磁芯材在寬頻、變溫條件下的服役行為。（3）利用微納加工技術(shù)，設計、加工典型形狀且尺寸可控的納米結(jié)構(gòu)薄膜電感，研究各種納 米結(jié)構(gòu)的靜態(tài)磁性參數(shù)和動態(tài)磁性及其與納米結(jié)構(gòu)形狀、 尺寸的變化關系； 研究鄰近絕緣或者繞組 層的互感耦合、 寄生電容問題； 采用網(wǎng)絡分析儀和微波探針臺進行高頻電感、 品質(zhì)因數(shù)和自激諧振 頻率測試，比較和驗證不同薄膜芯材的電感特性，優(yōu)化設計。（4） 采用磁控濺射、微加工技術(shù)或低溫共燒結(jié)技術(shù)制備基于納米顆粒膜GHZ頻段噪聲抑制器 或L-C濾波器，研究薄膜厚度、平面形狀和介質(zhì)層對傳輸線的特征阻抗、信號衰減幅度和散射參數(shù) 等的影響；優(yōu)化傳輸線設計，

33、研究其抗電磁干擾特性， 探索在同一磁芯中實現(xiàn)感性、濾波和抗電磁 干擾功能的手段。研制 具有 近場抗電磁干擾性能的薄膜電感原型器件。承擔單位：電子科技大學、蘭州大學課題負責人：白飛明學術(shù)骨干：張懷武、劉穎力、彭勇、楊青慧課題在整個項目經(jīng)費中所占比例： 23.3%6、課題間關系本項目圍繞高頻磁性納米材料性能的提高， 面對它在電子信息領域中應用時必須解決的基本科 學問題展開了四個層面的工作。 第一個層面 的工作主要研究自然共振機制下的磁化強度動力學過 程，利用外加磁場、界面交換偏置、應力、傾斜濺射和襯底修飾等手段調(diào)控雙各向異性，獲得 1-5 GHz頻段高磁導率（200）可調(diào)的薄膜材料，使高頻磁性本征

34、參數(shù)比傳統(tǒng)Snoek極限值增大5-10倍；第二個層面 的工作主要研究非自然共振機制下的磁化強度動力學過程， 利用磁性納米顆粒的高 頻磁性與超順磁性阻塞共振頻率有關的特點， 通過調(diào)控顆粒的尺寸、 形狀、空間分布等使阻塞共振 頻率遠高于自然共振頻率，提高到近 5GHz第三個層面的工作主要研究微波波段電磁波在納米復 合材料中的傳播，重點研制核 / 殼結(jié)構(gòu)的新型磁性 /介電納米材料，闡明磁性 /介電納米材料的高頻 電磁特性機理，實現(xiàn)抗電磁干擾材料在 1-5 GHz頻率下的良好電磁阻抗匹配。 第四個層面重點探討電磁波在非連續(xù)介質(zhì)體系中傳播，設計并研制1-5 GHz電感量30 nH, Q18的薄膜電感，以

35、及噪音抑制_30dB的高性能的近場抗電磁干擾器件，實現(xiàn)抗電磁干擾的微型化薄膜電感。本項目將分為四個課題，四個課題分別對應著以上四個層面的工作。 課題之間的相互聯(lián)系如下 圖所示：項目目標：高性能磁性納米材料及其在微型化高頻電子器件的應用課題一自然共振機制提高高頻磁性（e fr）研究課題二非自然共振機制提高高頻磁性（e fr）研究 TOC o 1-5 h z f課題三、高頻磁性納米材料應用時的普遍問題：,電磁匹配（、e fr）研究丿X y課題四、高頻磁性納米材料應用：高性能薄膜電感匕 與抗電磁干擾器件/其中，前兩個課題涵蓋了磁性納米材料及納米結(jié)構(gòu)優(yōu)異咼頻磁性研究的主要方面咼頻咼磁導率機制和材料，涉

36、及提咼咼頻磁性納米材料共振頻率和磁導率的兩種有效途徑，研究工作分別在磁性納米薄膜和納米顆粒中開展， 相互之間有一定的獨立性，又密切聯(lián)系和互為補充，有助于發(fā)現(xiàn) 和開發(fā)綜合性能優(yōu)異的高頻磁性納米材料。第三個課題主要開展磁性/介電復合納米材料的研究，試圖主要解決高頻磁性材料在實際應用時必須面對的電磁匹配問題。而第四個課題開展高頻磁性納米材料在電子信息技術(shù)中的應用基礎研究，試圖將發(fā)展的高性能磁性納米材料用于薄膜電感器件研 制和近場抗電磁干擾器件研制，真正實現(xiàn)納米材料中的獨特效應在磁性電子器件的重要作用 抗 電磁干擾薄膜電感的微型化和集成化。四、年度計劃研究內(nèi)容預期目標研究內(nèi)容預期目標第年1、研究雙各向

37、異性Fe Co基薄膜 和平面型Fe基微粉的制備、高頻 磁性、磁化強度動力學過程，及 各向異性、飽和磁化強度、磁化 強度動力學過程電學測試方法。2、尺寸均一、形狀可控的單分散鐵基磁性納米顆粒(Fe FeCo FeNi 及氧化物)的制備和表征，實現(xiàn)對 磁性納米顆粒的尺寸、形狀和顆 粒間距的有效調(diào)控；著重于Ta/CoFeB/MgO(CoFeB=CoFewB2o)磁 各向異性可調(diào)薄膜的成膜條件研究，總結(jié)出最佳的制備條件。3、利用等離子體濺射惰性氣體冷凝 納米粒子束流法以及等離子體電 弧法制備尺寸可控的磁性金屬和 合金納米顆粒。系統(tǒng)研究各個實 驗參數(shù)對所得到的磁性金屬和合 金納米顆粒的尺寸、合金成分和

38、形貌的影響，優(yōu)化實驗參數(shù)，實 現(xiàn)尺寸均一、粒徑可控、合金成 分可控的金屬和合金納米顆粒的 可控制備。4、采用RF磁控濺射方法制備納米 顆粒膜或納米復合膜，研究引入 鐵氧體和高介電常數(shù)絕緣相對多 層膜體系的軟磁性能、磁譜、高 頻阻抗特性的影響；研究在非連 續(xù)介質(zhì)中，界面效應、納米尺度 效應和磁電效應對于鐵磁共振峰 和阻尼因子的影響。1、鐵磁薄膜的共振頻率達到 2 GHz 磁導率大于100；顆粒體系的高 頻磁性本征參數(shù)比Snoek極限咼 3倍；可準確測量靜態(tài)各向異性 場、1-5 GHz范圍內(nèi)磁譜；建立微 波模擬軟件，實現(xiàn)磁化強度動力 學過程的電學測量。2、發(fā)展一種可以克量級制備的形貌 可控的單分散

39、磁性納米顆粒技 術(shù)，制備出CoFe基磁各向異性 可調(diào)納米薄膜，獲得不同系列納 米材料相應的晶體結(jié)構(gòu)、組分分 布和靜磁性能。3、獲得尺寸可控的磁性金屬和合金 納米顆粒；掌握尺寸均一、粒徑 可控、合金成分可控的金屬和合 金納米顆粒的形成和生長機理， 制備出具有高飽和磁化強度的 磁性納米顆粒。4、 大幅提咼薄膜的電阻率，獲得 GHz頻率卜磁導率咼和阻抗匹 配好的納米磁芯材；揭示納米復 合薄膜中不同復合維度設計、相 含量、分布和界面對于磁性能和 鐵磁共振的影響；拓展調(diào)節(jié)鐵磁 共振頻率和帶寬的方法。5、發(fā)表SCI論文15-20篇，申請發(fā) 明專利2-4項。研究內(nèi)容預期目標第年1、研究雙各向異性Fe、Co基

40、納米雙 相金屬薄膜和顆粒膜、平面型 FeSiAl微粉的制備、各向異性調(diào) 控、高頻磁性、磁化強度動力學 過程，及薄膜4-8 GHz磁譜測試技 術(shù)和各向異性空間對稱性與咼頻 磁性的關系。2、采用軟刻蝕技術(shù)或納米壓印技術(shù)， 在不同的基底表面加工各種納米 圖案，實現(xiàn)在基底表面構(gòu)筑咼度 有序的CoFe基等磁性材料的線 條、點陣等納米尺度圖形，獲得 具有不同各向異性的咼度有序納 米圖案結(jié)構(gòu)；研究尺寸、形狀和 顆粒間距對這些基本磁性和磁結(jié) 構(gòu)的影響；開展CoFeM/(X,Y)n(CoFeM= CoFe/M1-x-y, M 為 Zr、B 等第三元成分，X為Ta, Pt等金 屬層，丫為MgO等氧化物層，n 為薄

41、膜周期數(shù))的不同元素配比 及不同界面摻雜，以期獲得性能 穩(wěn)定、磁各向異性可調(diào)的磁性納 米結(jié)構(gòu)。3、利用等離子體濺射惰性氣體冷凝 納米粒子束流法以及等離子體電 弧法制備尺寸可控的各向異性核/殼結(jié)構(gòu)的磁性納米材料；研究不 同實驗條件對材料的相組成、介 電氧化物殼層厚度、磁性內(nèi)核尺 寸、界面結(jié)構(gòu)等的影響，及磁性/ 介電納米材料的結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性、 晶體結(jié)構(gòu)變化和相轉(zhuǎn)變。4、建立閉合磁路繞制薄膜電感的模 型；優(yōu)化設計和制作傾斜下電極/ 絕緣層/納米磁性薄膜/絕緣層/傾 斜上電極/絕緣層/磁路閉合的納 米磁性薄膜/保護層傾斜纏繞電 感；對其S參數(shù)進行動態(tài)測試， 建立相應的理論模型，計算出材 料在咼頻下的性能

42、參數(shù)，對器件 性能進行調(diào)整。1、鐵磁薄膜的共振頻率達到5 GHz 磁導率100；顆粒體系的高頻磁 性本征參數(shù)比Snoek極限咼4倍； 實現(xiàn)4-8 GHz范圍內(nèi)磁譜的測量； 建立磁性納米材料各向異性的空間對稱性與咼頻自然共振頻 率和磁導率的關系。2、獲得大面積具有不同各向異性的 高度有序納米圖案結(jié)構(gòu)，得到圖 案結(jié)構(gòu)對靜磁性能影響的規(guī)律， 并獲得相應的靜磁性能，并在此 基礎上發(fā)展適用與磁性材料的 軟刻蝕與自組裝技術(shù)相結(jié)合的 微納加工技術(shù)。3、掌握多種類型的核/殼微觀結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律和生長機理，制備出多 種組成和配比的新型磁性 /介電 復合納米材料。弄清各種磁性/介電納米材料的核/殼結(jié)構(gòu)的形 成規(guī)律與

43、關鍵控制因素，并構(gòu)建 該類磁性/介電納米材料的核/殼 結(jié)構(gòu)模型。4、掌握可靠的納米磁性薄膜刻蝕技 術(shù)；研制出工作頻段：0.5 2GHz、 電感30 nH、峰值品質(zhì)因數(shù)8的 薄膜電感。5、發(fā)表SCI論文20-25篇，申請發(fā) 明專利4-6項。研究內(nèi)容預期目標第年1、研究雙各向異性Fe、Co基多層膜 和平面型FeNi微粉的制備、各向 異性調(diào)控、高頻磁性、磁化強度 動力學過程，及薄膜0.2-2 GHz磁 譜測試技術(shù)和雙各向異性系統(tǒng)的 阻尼系數(shù)與損耗角正切的變化規(guī) 律。2、開展CoFeM/(X,Y)n的人工圖形結(jié) 構(gòu)的制備研究；得到對不同磁性 納米顆粒和CoFe基等納米圖案 結(jié)構(gòu)體系在交變磁場下阻塞溫度

44、 隨顆粒間距和尺寸變化的規(guī)律，分析尺寸、形狀、顆粒間距對偶 極相互作用的影響規(guī)律；確立尺 寸、形狀、顆粒間距對磁性納米 顆粒動力學磁化性質(zhì)的影響；得 至M禺極相互作用和顆粒間距和尺 寸、飽和磁化強度的比例關系。3、研究具有不同內(nèi)核粒徑和殼層厚 度的磁性/介電納米材料的電磁 特性，揭示磁性/介電納米核/殼 復合的微觀結(jié)構(gòu)、組成與其電磁 吸收特性之間的關系；系統(tǒng)地探 索雙磁性相的磁性/介電復合納 米顆粒膜的高頻磁性的調(diào)控機制，探明面內(nèi)和面外磁各向異性 場對其自然共振頻率和磁導率的 影響規(guī)律，闡明其起源。4、采用循環(huán)退火工藝模擬微電感的 工作環(huán)境，研究變溫、多次循環(huán) 條件下非晶/納米晶磁芯薄膜的 晶

45、化行為；研究鄰近絕緣或者繞 組層對于薄膜阻抗特性、切向磁 導率與工作頻率的關系，綜合評 價非晶/納米晶磁芯在寬頻、變溫 條件下的服役行為。1、鐵磁薄膜的共振頻率達到 5 GHz 磁導率150；顆粒體系的高頻磁 性本征參數(shù)比Snoek極限咼5倍； 實現(xiàn)200 MHz-2 GHz范圍內(nèi)磁譜 的測量；獲得阻尼系數(shù)和損耗角 正切與磁化強度動力學過程的 變化規(guī)律。2、對磁性納米顆粒和納米圖案結(jié)構(gòu) 的動力學磁化機制有深入的認 識，完善磁性納米顆粒的微磁化 機理。3、掌握介電氧化物殼層厚度對這類 復合材料電輸運性質(zhì)、介電性、 電磁吸收的阻抗匹配條件的影 響規(guī)律。發(fā)展和完善不同于傳統(tǒng) 納米顆粒膜體系的高頻磁性

46、理 論，建立調(diào)控其自然共振頻率、 磁導率和電阻率的新方法和新 機制。4、獲得1-2種具有穩(wěn)定化學成分、相結(jié)構(gòu)和界面且具有優(yōu)良電磁 性能的磁芯薄膜；揭示阻尼因子 的調(diào)制規(guī)律，獲得寬頻、高Q的抗EMI磁性薄膜。5、發(fā)表SCI論文20-25篇，申請發(fā) 明專利4-6項。研究內(nèi)容預期目標第四年1、研究反鐵磁釘扎等誘導納米結(jié)構(gòu) 雙各向異性的Fe Co基薄膜、平 面型FeNiMo和FeBC微粉的制 備、各向異性調(diào)控、高頻磁性、 磁化強度動力學過程，及提高雙 各向異性場比值的技術(shù)，優(yōu)化雙 各向異性提高高頻磁性的途徑。2、研究不同納米顆粒體系和納米圖 案結(jié)構(gòu)樣品的阻塞頻率和復數(shù)磁 導率，納米顆粒的尺寸、形狀、 偶極相互作用對超順磁阻塞共振 頻率和磁導率的影響；探索通過 磁性納米顆粒微觀組裝結(jié)構(gòu)調(diào)控 薄膜樣品高頻性能的新機制，建 立與完善磁性