基於新型納米晶化機制的高頻高磁導率軟磁材料 中科院物理所

基於新型納米晶化機制的高頻高磁導率軟磁材料

中科院物理所

2023-08-31 21:11發佈於北京中科院物理所官方帳號

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隨著第三代半導體逐漸開始在電力電子器件中的規模化應用，電子器件朝著高頻化、小型化、高效化的方向發展。軟磁器件在電路中通常與半導體晶片配合使用，起到儲能、傳輸和濾波的作用，是新一代電子電力和電機器件能否高效運行的關鍵。其中，磁導率反映了軟磁材料對外加磁場回應能力，是磁性器件在高頻下使用的重要參數。電子器件的高頻化對軟磁材料在高頻下的磁導率提出了更高的要求，然而軟磁材料的磁導率隨著頻率的增加而迅速衰減，已經成為其應用中的主要障礙。研發新一代高頻高性能軟磁材料，對於實現高頻電子器件以及高速電機的高效率、小體積和大功率的優勢起著至關重要的作用。

納米晶合金是通過對非晶態合金前驅體進行晶化退火，在非晶態基體中析出大量細小的納米晶而獲得的。和傳統的軟磁材料（如矽鋼、鐵氧體）相比,納米晶合金具有更優異的高頻磁導率、較低的能量損耗，被認為是最有前途的下一代軟磁材料。然而，對於匹配第三代半導體器件的應用場景，現有納米晶合金的高頻磁導率仍然有限。目前在軟磁納米晶合金中最常用的晶化策略通常是在合金裡加入微量Cu和Nb元素 (Cu可以作為納米晶的異質形核點，Nb富集在晶界處阻礙納米晶長大)。該晶化策略自1988年日本科學家提出以來一直被廣泛採用。基於該策略也成功開發出一系列優異軟磁性能的納米晶合金材料（如已商用化的Finemet等）。經過幾十年的研究，基於該晶化策略的性能優化已趨近於極限。如目前商用化的Finemet納米晶薄帶（厚度18-20 μm）的磁導率一般在25000左右。除了採用成本更高的超薄帶以外，基於成分和納米晶化退火工藝再進一步提高其磁導率非常困難。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心EX4組汪衛華團隊的白海洋研究員、孫保安副研究員和松山湖材料實驗室副研究員周靖及聯合培養博士生李雪松等人合作，在鐵基非晶合金裡發現了一種以磁不均勻性為形核核心的新型納米晶化機制，在此基礎上開發出一種具有優異高頻磁導率的新型軟磁納米晶合金材料，該材料在100 kHz下的有效磁導率高達36000（比目前磁導率最高的FeSiBCuNb納米晶合金高44%），並且隨著頻率的提高，優勢變得更加顯著。該材料同時表現出較高飽和磁感應強度（1.42 T）、低損耗（120 kW/cm³ @0.2 T，100 kHz）。該材料還具有較低的材料成本和良好的玻璃形成能力，目前已成功實現百公斤級別的寬幅工業帶材生產。

圖1 Fe75.5Co0.5Mo0.5Cu1Nb1.5Si13B8和Fe76.5Cu1Nb1.5Si13B8納米晶合金的微觀結構。

該材料主要是在傳統的FeSiBCuNb納米晶合金體系的基礎上微量添加Co和Mo元素。不同于傳統的基於Cu和Nb的納米晶化機制，這裡通過在外加磁場的誘導下，使Fe-Co磁性原子團簇提供了大量納米晶的成核位點，Mo原子聚集在納米晶介面周圍，和Nb元素共同作用，抑制了納米晶的生長，進而形成具有極細晶粒尺寸的非晶-納米晶雙相結構（圖1），該合金的平均晶粒尺寸僅為11.8 nm，僅為不摻雜Co和Mo的同體系合金的平均晶粒尺寸（20.8 nm）的一半左右。這種以Co磁性原子為納米晶形核位點的新型晶化機制也進一步被三維原子探針實驗（3D-APT）、小角X射線散射實驗（SAXS）以及Fe-Co磁性團簇形核過程的分子動力學模擬等證實（圖2）。

圖2 超細納米晶體形成的實驗觀測與類比分析資料。

這種新型Fe75.5Co0.5Mo0.5Cu1Nb1.5Si13B8納米晶合金在高頻下表現出超高磁導率，100 kHz下比同厚度的Finemet 合金高出44%，1MHz下高出65%， 同時還具有極低的鐵損（120 kW/cm3 @0.2 T，100 kHz）和高飽和磁感應強度（1.42 T）（圖3）。

圖3 典型軟磁材料和新型Fe75.5Co0.5Mo0.5Cu1Nb1.5Si13B8納米晶合金軟磁性能（μe、Bs、Pcv）統計圖。

此外，該材料還具有較好的條帶成型能力，目前已在工業條件下實現百公斤級別的寬幅帶材中試。進一步研究發現，新型納米晶合金優異的高頻磁性能起源於其特殊的微觀結構和磁疇運動機制，因此表現出極低的磁晶各向異性和磁彈性各向異性。在磁化過程中還表現出獨特的磁疇運動機制，即疇壁幾乎不隨著外加磁場變化而移動，在臨界強度下，當所有磁矩從平面外反折到同一方向時，疇壁瞬間消失（圖4）。

圖4 Fe76.5Cu1Nb1.5Si13B8和Fe75.5Co0.5Mo0.5Cu1Nb1.5Si13B8納米晶合金磁疇運動過程。

這種獨特的磁疇運動機制使該合金在高頻下更容易被磁化，從而大幅提高了合金的高頻磁導率，同時降低了其高頻損耗。

基於這種全新的磁不均勻性主導的納米晶化機制，有望開發更多具有優異綜合軟磁性能的納米晶合金材料，新材料有望在高頻高效電子器件中獲得應用。相關研究成果以“Ultrahigh permeability at high frequencies via a magnetic-heterogeneous nanocrystallization mechanism in an iron-based amorphous alloy”為題，於2023年8月21日線上發表在Advanced Materials上。周靖副研究員和博士生李雪松為論文的共同第一作者，孫保安副研究員和白海洋研究員為論文的共同通訊作者，合作者包括東南大學沈寶龍教授，上海高壓科學與技術先進研究中心曾橋石教授、中南大學彭海龍教授、松山湖材料實驗室柯海波研究員等。上述研究工作得到了廣東省基礎與應用基礎研究重大專項、國家重點研發計畫、國家自然科學基金委項目和中國科學院戰略性先導科技專項等項目的支持。

編輯：小範

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