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.doc

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1、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

2、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：l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。l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

3、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。l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。l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：l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

4、低矫顽力Hc，提高磁导率m；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。l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。l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

5、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。l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。l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

6、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。l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

7、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。l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。l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

8、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