近日，Nature Communications在線刊登了杭州電子科技大學(xué)材料與環(huán)境工程學(xué)院張雪峰教授團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)的軟磁顆粒構(gòu)造復(fù)合材料，消除傳統(tǒng)磁性材料中的疇壁共振，獲得了非常穩(wěn)定的磁導(dǎo)率頻譜特性，有望在集成磁器件中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。
軟磁材料具有一定的磁導(dǎo)率，可以在外場(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生交變磁通，是電感器、變壓器等功率電子器件的基礎(chǔ)材料。隨著“more-than Moore”集成電路封裝技術(shù)的發(fā)展，工作頻率在100 MHz以上的PCB集成電感已開始采用，這就對(duì)在此頻率下?lián)碛蟹€(wěn)定磁導(dǎo)率的軟磁材料提出了新的需求。傳統(tǒng)鐵氧體材料雖然磁導(dǎo)率可以在很高頻率穩(wěn)定，但是其飽和磁化強(qiáng)度和居里溫度都很低，不利于電感集成。
在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)制備出一種具有高磁導(dǎo)率頻率穩(wěn)定性的軟磁復(fù)合材料。這種復(fù)合材料由具有磁渦旋結(jié)構(gòu)的超細(xì)FeSiAl磁粉通過(guò)冷燒結(jié)工藝制備，磁粉之間磁絕緣，并且通過(guò)Al2SiO5/SiO2/Fe2(MoO4)3界面層共價(jià)結(jié)合。這種獨(dú)特的磁結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)，可以使復(fù)合材料即使在1GHz仍然能夠保持13的磁導(dǎo)率，105 Am2/kg的飽和磁化強(qiáng)度以及48A/m的低矯頑力。通過(guò)洛倫茲透射電鏡和微磁學(xué)模擬進(jìn)一步證明是復(fù)合材料中的均勻分布的磁渦旋結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)了這些優(yōu)異的磁性能。同時(shí)，由于顆粒間絕緣層的外延生長(zhǎng)，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度也提高到337.1MPa。該工作首次報(bào)道了三維磁渦旋結(jié)構(gòu)的高頻磁性能，滿足了集成電感對(duì)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(fā)的復(fù)合材料的纖維結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)
圖2（a-b）顆粒尺寸、磁結(jié)構(gòu)、矯頑力之間的關(guān)系（c-d）相互接觸和隔離的磁渦旋結(jié)構(gòu)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(dú)立的磁渦旋結(jié)構(gòu)與相互接觸的磁渦旋結(jié)構(gòu)的DPC圖像
圖3（a-c）基于磁渦旋結(jié)構(gòu)的軟磁復(fù)合材料具有高達(dá)GHz的磁導(dǎo)率穩(wěn)定性（d-e）基于磁渦旋結(jié)構(gòu)的軟磁復(fù)合材料磁性能和文獻(xiàn)報(bào)道材料的對(duì)比（f）基于磁渦旋復(fù)合材料制備的高頻電感性能
圖4（a）不同冷燒結(jié)工藝和配方制備的復(fù)合材料的抗壓曲線（b）冷燒結(jié)過(guò)程中的壓縮曲線
