近日，Nature Communications在線刊登了杭州電子科技大學材料與環境工程學院張雪峰教授團隊的研究論文“Vortex-Based Soft Magnetic Composite with Ultrastable Permeability up to Gigahertz Frequencies”。該工作利用具有渦旋磁結構的軟磁顆粒構造復合材料，消除傳統磁性材料中的疇壁共振，獲得了非常穩定的磁導率頻譜特性，有望在集成磁器件中實現應用。

軟磁材料具有一定的磁導率，可以在外場激勵下產生交變磁通，是電感器、變壓器等功率電子器件的基礎材料。隨著“more-than Moore”集成電路封裝技術的發展，工作頻率在100 MHz以上的PCB集成電感已開始采用，這就對在此頻率下擁有穩定磁導率的軟磁材料提出了新的需求。傳統鐵氧體材料雖然磁導率可以在很高頻率穩定，但是其飽和磁化強度和居里溫度都很低，不利于電感集成。

在該研究中，研究團隊制備出一種具有高磁導率頻率穩定性的軟磁復合材料。這種復合材料由具有磁渦旋結構的超細FeSiAl磁粉通過冷燒結工藝制備，磁粉之間磁絕緣，并且通過Al2SiO5/SiO2/Fe2(MoO4)3界面層共價結合。這種獨特的磁結構和界面結構，可以使復合材料即使在1GHz仍然能夠保持13的磁導率，105 Am2/kg的飽和磁化強度以及48A/m的低矯頑力。通過洛倫茲透射電鏡和微磁學模擬進一步證明是復合材料中的均勻分布的磁渦旋結構誘導了這些優異的磁性能。同時，由于顆粒間絕緣層的外延生長，復合材料的抗壓強度也提高到337.1MPa。該工作首次報道了三維磁渦旋結構的高頻磁性能，滿足了集成電感對高頻軟磁材料的迫切需求。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46650-9

圖1 所開發的復合材料的纖維結構和磁結構

圖2（a-b）顆粒尺寸、磁結構、矯頑力之間的關系（c-d）相互接觸和隔離的磁渦旋結構的磁滯回線（e-f）相互隔離與相互接觸的顆粒的顯微圖片（g）獨立的磁渦旋結構與相互接觸的磁渦旋結構的DPC圖像

圖3（a-c）基于磁渦旋結構的軟磁復合材料具有高達GHz的磁導率穩定性（d-e）基于磁渦旋結構的軟磁復合材料磁性能和文獻報道材料的對比（f）基于磁渦旋復合材料制備的高頻電感性能

圖4（a）不同冷燒結工藝和配方制備的復合材料的抗壓曲線（b）冷燒結過程中的壓縮曲線