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

项目名称： 高频磁性纳米材料的电磁性能调控及其

起止年限： 依托部门： 在磁性电子器件中的应用

薛德胜 兰州大学 2012.1至2016.8 教育部

首席科学家：

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1-5

GHz、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Q>18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。 2、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，进一步优化设计。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一体化。 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，这是一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，克服单一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一体化。

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)、Mössbauer（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。第四个层面重点探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，Q>18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：

项目目标： 高性能磁性纳米材料及其在微型化高频电子器件的应用 课题一 课题二 自然共振机制提高 高频磁性（µ、fr）研究 课题三 非自然共振机制提高高频磁性（µ、fr）研究 高频磁性纳米材料应用时的普遍问题： 电磁匹配（ε、µ、fr）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

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

研究内容 预期目标 1、研究双各向异性Fe、Co基薄膜1、铁磁薄膜的共振频率达到2 GHz，和平面型Fe基微粉的制备、高频磁导率大于100；颗粒体系的高磁性、磁化强度动力学过程，及频磁性本征参数比Snoek极限高各向异性、饱和磁化强度、磁化3倍；可准确测量静态各向异性强度动力学过程电学测试方法。 场、1-5 GHz范围内磁谱；建立微波模拟软件，实现磁化强度动力2、尺寸均一、形状可控的单分散铁学过程的电学测量。 基磁性纳米颗粒(Fe、FeCo、FeNi及氧化物)的制备和表征，实现对2、发展一种可以克量级制备的形貌磁性纳米颗粒的尺寸、形状和颗可控的单分散磁性纳米颗粒技粒间距的有效调控；着重于Ta/ 术，制备出CoFe基磁各向异性CoFeB/MgO(CoFeB=Co40Fe40B20)磁可调纳米薄膜，获得不同系列纳各向异性可调薄膜的成膜条件研米材料相应的晶体结构、组分分第 究，总结出最佳的制备条件。 布和静磁性能。 3、利用等离子体溅射惰性气体冷凝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、粒径纳米粒子束流法以及等离子体电一 可控、合金成分可控的金属和合弧法制备尺寸可控的磁性金属和金纳米颗粒的形成和生长机理，合金纳米颗粒。系统研究各个实 制备出具有高饱和磁化强度的验参数对所得到的磁性金属和合磁性纳米颗粒。 金纳米颗粒的尺寸、合金成分和年 形貌的影响，优化实验参数，实4、大幅提高薄膜的电阻率, 获得现尺寸均一、粒径可控、合金成GHz频率下磁导率高和阻抗匹分可控的金属和合金纳米颗粒的配好的纳米磁芯材；揭示纳米复可控制备。 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4、采用RF磁控溅射方法制备纳米铁磁共振的影响；拓展调节铁磁颗粒膜或纳米复合膜，研究引入共振频率和带宽的方法。 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5、发表SCI 论文15-20篇，申请发频阻抗特性的影响；研究在非连明专利2-4项。 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。 研究内容 预期目标 1、研究双各向异性Fe、Co基纳米双1、铁磁薄膜的共振频率达到5 GHz，相金属薄膜和颗粒膜、平面型磁导率100；颗粒体系的高频磁FeSiAl微粉的制备、各向异性调性本征参数比Snoek极限高4倍；控、高频磁性、磁化强度动力学实现4-8 GHz范围内磁谱的测量；过程，及薄膜4-8 GHz磁谱测试技建立磁性纳米材料各向异性的术和各向异性空间对称性与高频空间对称性与高频自然共振频磁性的关系。 率和磁导率的关系。 2、采用软刻蚀技术或纳米压印技术，2、获得大面积具有不同各向异性的在不同的基底表面加工各种纳米高度有序纳米图案结构，得到图图案，实现在基底表面构筑高度案结构对静磁性能影响的规律，有序的CoFe基等磁性材料的线并获得相应的静磁性能，并在此条、点阵等纳米尺度图形，获得基础上发展适用与磁性材料的具有不同各向异性的高度有序纳软刻蚀与自组装技术相结合的米图案结构；研究尺寸、形状和微纳加工技术。 颗粒间距对这些基本磁性和磁结3、掌握多种类型的核/壳微观结构的构的影响；开展[CoFeM/(X,Y)]n 形成规律和生长机理，制备出多第 (CoFeM= CoxFeyM1-x-y，M为Zr、B种组成和配比的新型磁性/介电等第三元成分，X为Ta，Pt等金复合纳米材料。弄清各种磁性/ 属层，Y为MgO等氧化物层，n介电纳米材料的核/壳结构的形为薄膜周期数)的不同元素配比成规律与关键控制因素，并构建二 及不同界面掺杂，以期获得性能该类磁性/介电纳米材料的核/壳稳定、磁各向异性可调的磁性纳结构模型。 米结构。 4、掌握可靠的纳米磁性薄膜刻蚀技年 3、利用等离子体溅射惰性气体冷凝术；研制出工作频段:0.5—2GHz、纳米粒子束流法以及等离子体电电感>30 nH、峰值品质因数>8的弧法制备尺寸可控的各向异性核薄膜电感。 /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5、发表SCI 论文20-25篇，申请发明专利4-6项。 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 研究内容 性能进行调整。 预期目标 1、研究双各向异性Fe、Co基多层膜1、铁磁薄膜的共振频率达到5 GHz，和平面型FeNi微粉的制备、各向磁导率150；颗粒体系的高频磁异性调控、高频磁性、磁化强度性本征参数比Snoek极限高5倍；动力学过程，及薄膜0.2-2 GHz磁实现200 MHz-2 GHz范围内磁谱谱测试技术和双各向异性系统的的测量；获得阻尼系数和损耗角阻尼系数与损耗角正切的变化规正切与磁化强度动力学过程的律。 变化规律。 第 2、开展[CoFeM/(X,Y)]n的人工图形结2、对磁性纳米颗粒和纳米图案结构 构的制备研究；得到对不同磁性的动力学磁化机制有深入的认纳米颗粒和CoFe基等纳米图案识，完善磁性纳米颗粒的微磁化三 结构体系在交变磁场下阻塞温度机理。 随颗粒间距和尺寸变化的规律，3、掌握介电氧化物壳层厚度对这类 分析尺寸、形状、颗粒间距对偶复合材料电输运性质、介电性、极相互作用的影响规律；确立尺电磁吸收的阻抗匹配条件的影年 寸、形状、颗粒间距对磁性纳米响规律。发展和完善不同于传统颗粒动力学磁化性质的影响；得纳米颗粒膜体系的高频磁性理到偶极相互作用和颗粒间距和尺论，建立调控其自然共振频率、寸、饱和磁化强度的比例关系。 磁导率和电阻率的新方法和新机制。 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4、获得1-2种具有稳定化学成分、特性，揭示磁性/介电纳米核/壳 研究内容 预期目标 复合的微观结构、组成与其电磁相结构和界面且具有优良电磁吸收特性之间的关系；系统地探性能的磁芯薄膜；揭示阻尼因子索双磁性相的磁性/介电复合纳的调制规律，获得宽频、高μ米颗粒膜的高频磁性的调控机的抗EMI磁性薄膜。 制，探明面内和面外磁各向异性5、发表SCI 论文20-25篇，申请发场对其自然共振频率和磁导率的明专利4-6项。 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。 1、研究反铁磁钉扎等诱导纳米结构1、铁磁薄膜的共振频率达到5 GHz，双各向异性的Fe、Co基薄膜、平磁导率200；颗粒体系的高频磁性面型FeNiMo和FeBC微粉的制本征参数比Snoek极限高6-8倍；备、各向异性调控、高频磁性、提出最优双各向异性的实现途径磁化强度动力学过程，及提高双和理论依据。 各向异性场比值的技术，优化双2、揭示超顺磁纳米颗粒和图案结构各向异性提高高频磁性的途径。 的阻塞频率和磁导率的变化规2、研究不同纳米颗粒体系和纳米图律，构建适用于磁性纳米结构的案结构样品的阻塞频率和复数磁共振频率和磁导率的新函数关第 导率，纳米颗粒的尺寸、形状、系。 偶极相互作用对超顺磁阻塞共振 3、建立磁性/介电纳米核/壳复合电磁频率和磁导率的影响；探索通过吸收的理论模型，从而深入理解磁性纳米颗粒微观组装结构调控四 能够调控复合电磁吸收材料对电薄膜样品高频性能的新机制，建磁吸收频率和带宽的影响因素，立与完善磁性纳米颗粒微观排列 以及电磁波吸收强度增强的物理与宏观磁学性能之间相关的物理本质。实现在1-5 GHz频率下电模型；对不同状态的磁性纳米颗年 磁阻抗匹配的宽范围调控，获得粒体系的复数磁导率和阻塞频率可应用于薄膜电感器以及性能优进行模拟计算，构建不同于传统于传统材料的新型抗电磁干扰材大块材料的共振频率和磁导率的料。 新函数关系；测量[CoFeM/(X,Y)]n图案结构薄膜的高频电磁特性。 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3、探索磁性/介电复合型纳米薄膜材度稳定性的影响规律；研制出工料的高频介电常数的测量方法，作频段:15GHz、电感>30 nH、研制其测量设备；探讨该类磁性/品质因数>15的薄膜电感。 研究内容 预期目标 介电复合型纳米薄膜材料的电磁5、发表SCI 论文20-25篇，申请发损耗机理，弄清磁导率和介电常明专利4-6项。 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。 1、在多个双各向异性系统中实现优1、在3个以上体系中实现：共振频异高频磁性，探索其它各向异性率达到5 GHz，磁导率200，高对称性体系中提高高频磁性的途频磁性本征参数比Snoek极限高径，提出课题一发展思路。 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2、采用共混或者原位聚合的技术与简单技术途径。 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、2、获得一系列截止频率近于5 GHz易轴的定向、颗粒-树脂界面结构的具有不同高频微波性能参数等参数得到一系列截止频率近于的磁性纳米复合树脂和图案结第 5 GHz的具有不同高频微波性能构材料。 参数的磁性纳米复合树脂材料；3、获得可用于在1-5 GHz频段范围 制备一系列磁导率和阻塞共振频内电感量为30-120 nH、峰值品率可调的磁性纳米图案结构薄膜质因数18-30的薄膜电感的研五 样品。探讨磁性纳米颗粒和图案制，以及吸收式和L-C式抗电磁结构在微波电子器件中的应用。 干扰器件、带宽为10 MHz-5 3、在对核/壳型磁性/介电复合型纳米GHz、噪音抑制性能大于30dB、材料的制备方法、微观结构、磁实现面积降低一个量级的微型年 学和介电性质以及高频电磁特性化近场抗电磁干扰薄膜电感的的系统研究的基础上，掌握调控研制的高频磁性纳米材料。 磁导率和介电常数的关键实验参4、研制出3-10 GHz，噪音抑制>30 数，为实现在1-5 GHz频率下具有dB的抗EMI噪音抑制器。 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。 5、发表SCI 论文20-25篇，申请发明专利4-6项。 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 研究内容 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。 预期目标