纳米颗粒磁心材料：9.4纳米的探究

更高效、更紧凑、更多功能是电子行业的发展趋势。电感器会一直是大体积元件，除非采用嵌入式薄膜来实现电感器。通过采用新发现的高性能材料来制备磁心，能在不降低电感器性能的情况下减小电感器的尺寸^[41]。利用高磁导率和高磁通的磁性材料，通过减少线圈数目，就降低了电感整体尺寸；线圈长度减小，又能降低线圈损耗；尺寸减小，可以增加共振频率；线圈长度减小也能降低寄生电容；由于磁通量和磁心相关，涡流损失也降到最低。这样就减少了线圈和基板之间所需绝缘体的厚度，甚至对低阻基板也是如此。

微米颗粒磁心自身的局限性，使得它不能满足电子器件的需求，特别是在高频时，因为这时磁心材料自身导电性造成的损失非常大。此外，涡流损耗会降低磁导率，从而降低器件的电感。一种补救方法就是采用高阻材料来制备电感器。然而，高阻材料会降低电感器的品质因数^[42]。所以，为了满足目前的使用要求，研发新型材料的需求也日益增长。

超高磁导率、超软纳米薄膜的出现解决了这个问题^[43]。研究表明，纳米结构能提高材料的静磁和动磁性能。采用纳米超薄磁膜来提高磁性能似乎不服从经典理论^[44]。依据经典物理，有效矫顽磁场强度H_CK是内禀矫顽力的总和，内禀矫顽力是由磁致伸缩残余应力、非磁体夹杂物和晶界高能变形区引起的^[45-47]。下面两个方程式分别表示由经典理论^{[44，48，49]}确定的晶界区矫顽力和初始相对磁导率μ_r（理论值）：

式中，γ_W为由各向异性常数（K₁）、晶格参数和居里温度决定的边界能；J_S为饱和极化强度；D为粒径；μ₀为磁导率；A为交换刚度；ρ_C和ρ_μ为依赖材料的常数。可以看出，随着晶界面积增加，也就是晶粒尺寸减小，矫顽力会增加，磁导率会降低。

Herzer^[49]的纳米材料各向异性和矫顽力模型显示，经典定律不能很好地适用于纳米尺度。纳米尺度的临界现象将产生一些吸引人的性质。经典定律只适用于颗粒粒度大于铁磁交换长度的场合，这时铁磁交换作用才不会抑制磁晶的各向异性^[50]。

因为大晶粒中磁化容易沿易磁轴方向对齐，且在晶粒内会形成磁畴区，所以大晶粒的磁化是磁晶各向异性作用的结果。磁晶各向异性可由易磁轴和难磁轴B-H磁滞回线的差异性来衡量。然而，在纳米尺度，磁化由磁各向异性能和铁磁交换能共同决定。铁磁交换作用能使磁矩对齐，并限制磁化沿易磁轴方向对齐。如果晶粒粒度小于有效交换作用强度L_ex，矫顽磁力和磁导率分别由下式[49]给出：

式中，<k>为各向异性密度，它由各向异性能的平均波动幅度决定；其他常数上文已经论述^[49]。

图9.12 初始磁导率和矫顽力随平均粒径D的变化规律（ⒸIEEE1990）^[49](www.xing528.com)

因此，在晶粒粒度低于有效交换耦合长度时，固有各向异性低的材料，例如强磁性铁镍合金，有很低的矫顽磁力和很高的磁导率，如图9.12所示。可以看出，当晶粒粒度等于L_eff时，矫顽磁力最大，磁导率最小。矫顽力和各向异性的急剧变化可以由交换作用的平滑部分解释，平滑部分平均了各向异性的局部波动，因而磁化过程中净各向异性非常小。

纳米结构不仅能降低矫顽磁力、增加磁导率，它还能限制高频损耗。涡流损耗、铁磁共振损耗、兰道-利弗席兹（Landau-Lifshitz，LL）阻尼损耗等各种损耗机制限制了磁性薄膜的高频适用性^[43]。涡流损耗，例如电阻损耗、空间层耦合电容等，是由薄膜的电导率、形状和厚度决定的。由于涡流损耗的作用，无限宽薄膜的截止频率为

式中，ρ为薄膜的电阻率；μ_i为薄膜的固有初始磁导率；d为薄膜的厚度^[43]。

给薄膜涂上外加的或者自生氧化物膜及增加薄膜的直流电阻，是降低涡流损耗很普遍的方法。但是，前者不能提高频率响应，后者会降低品质因数^[40]。先进的工程纳米材料能够优化高电阻率值（降低涡流损耗），同时提高品质因数。

当外加磁场的频率和材料自身的频率相同时，会产生铁磁共振损耗和LL阻尼损耗^[43]。LL阻尼损耗是由退磁区、磁化色散、磁畴的波纹状区域等结构性因素决定的。单向退磁场薄膜的铁磁共振频率为

式中，γ为回旋磁常数；H_k为平面内各向异性场。当夹层结构的层厚低于交换耦合长度时，夹层结构中也会产生纳米薄膜中观测到的临界现象。Dirne等人^[51]在Fe/CoNbZr多层膜结构中发现了这类临界现象。

上述内容增强了纳米颗粒磁性材料性能的吸引力。特殊设计的材料能同时获得低各向异性和低磁致伸缩，例如对低各向性纳米材料进行掺硅处理能降低其磁致伸缩。人们已经研究了基于纳米颗粒薄膜、纳米复合薄膜和纳米级层夹心结构的各种纳米结构。一般来说，热门磁力材料可分为三大类：铁基，钴基，铁-钴基。纳米级聚合物复合材料和先进新材料也非常具有吸引力。