双磁性相纳米颗粒膜的可控制备及其高频性能的研究

GHz频段用软磁薄膜材料是近年来电子信息材料领域研究的热点之一，然而要制备出能应用于GHz频段且同时具有高自然共振频率、高磁导率和高电阻率的软磁薄膜材料还有一定困难，迫切需要从制备方法和调制机理上进行深入的研究。本项目拟采用纳米粒子束流复合薄膜沉积，将粒径可控、合金成分可控且具有高饱和磁化强度的Fe、Fe-Co、Fe-Ni纳米粒子与具有极高电阻率的软磁铁氧体进行复合，形成一种同时具有高饱和磁化强度和高电阻率的双磁性相纳米颗粒膜，通过对此种薄膜的制备方法、软磁和电学特性以及磁各向异性的调控与其高频性能的关系的系统研究，探究在这种新型纳米结构软磁薄膜材料当中磁性金属和合金纳米粒子的种类、尺寸、表面和界面特性以及颗粒膜中纳米颗粒相和铁氧体相的体积分数对其高频性能的影响，制备出同时具有高自然共振频率、高磁导率和高电阻率的良好高频性能的双磁性相纳米颗粒膜，为该类材料的开发和应用提供实验和理论依据。

本项目主要针对应用于GHz频段的具有高自然共振频率、高磁导率和高电阻率的磁性纳米复合薄膜材料的可控制备、高频特性调控及其调制机理展开了深入的研究。通过项目的实施，主要取得了以下成果：1）通过系统地研究溅射参数对Fe80Ni20合金单层薄膜的高频磁学特性的影响，实现了在无外加诱导磁场的情况下，仅通过在溅射过程中导入微量的O2，即可大范围调控软磁薄膜材料面内单轴磁各向异性，进而调控其高频电磁特性。2）通过双靶交替溅射的方法制备了[Fe80Ni20-O/SiO2]n纳米复合多层膜，发现SiO2层不仅能增大薄膜的电阻率，还能在较大范围内调控薄膜的高频磁学特性。3）通过选用介电常数非常大的TiO2作为氧化物隔断层，可控制备了一系列 [Fe80Ni20-O/TiO2]n纳米复合多层膜。研究表明TiO2层同样能在较大范围内调控多层膜的面内单轴磁各向异性场，并能进一步提高复合多层膜的高频电磁特性。4）通过用N替代O制备了一系列FeCo-N基软磁薄膜，发现薄膜的热稳定性得到改善；并通过Si元素掺杂和多层化的方式可进一步改善热稳定性，解决了薄膜后续应用加工中高频性能退化的问题。5）通过将纳米合金磁性层用晶体结构完全不同的非磁性层隔开，解决了单层膜厚度较厚时难以保持优异高频电磁特性的难题；获得了总厚度高达1.5微米时，仍然具有优异高频电磁性能的[FeCoSiN/SiNx]n纳米复合多层膜。6）在以上系统研究工作的基础上，在维持磁性/非磁性氧化物纳米复合多层膜高电阻率和高频磁性可调控的前提下，通过选择具有磁性且具有极高电阻率的铁氧体作为隔断层，制备了[Fe80Ni20-O/NiZn-ferrite]n双磁性相纳米复合多层膜，进一步提高了薄膜的饱和磁化强度以及高频软磁特性。7）通过纳米粒子束流薄膜沉积方法，原位复合具有高饱和磁化强度的FeCo合金纳米粒子，制备了高频软磁性能优异且电阻率极高的Fe65Co35@NiZn-Fe2O4双磁性相纳米粒子复合颗粒膜，可有效降低其在高频应用时的涡流损耗。8）初步探索了与本项目发展的高性能软磁薄膜制备方法兼容的集成磁芯螺线管型平面微电感的加工工艺，通过优化实验方案，利用本项目研发的性能优异的高频软磁薄膜作为磁芯，成功地利用MEMS工艺制备出了集成[FeCoSiN/SiNx]18纳米复合薄膜磁芯的螺线管型平面微电感，大幅提高了平面微电感器的电感值和品质因数。