基于新型纳米晶化机制的高频高磁导率软磁材料 | 进展

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随着第三代半导体逐渐开始在电力电子器件中的规模化应用，电子器件朝着高频化、小型化、高效化的方向发展。软磁器件在电路中通常与半导体芯片配合使用，起到储能、传输和滤波的作用，是新一代电子电力和电机器件能否高效运行的关键。其中，磁导率反映了软磁材料对外加磁场响应能力，是磁性器件在高频下使用的重要参数。电子器件的高频化对软磁材料在高频下的磁导率提出了更高的要求，然而软磁材料的磁导率随着频率的增加而迅速衰减，已经成为其应用中的主要障碍。研发新一代高频高性能软磁材料，对于实现高频电子器件以及高速电机的高效率、小体积和大功率的优势起着至关重要的作用。
纳米晶合金是通过对非晶态合金前驱体进行晶化退火，在非晶态基体中析出大量细小的纳米晶而获得的。和传统的软磁材料（如硅钢、铁氧体）相比,纳米晶合金具有更优异的高频磁导率、较低的能量损耗，被认为是最有前途的下一代软磁材料。然而，对于匹配第三代半导体器件的应用场景，现有纳米晶合金的高频磁导率仍然有限。目前在软磁纳米晶合金中最常用的晶化策略通常是在合金里加入微量Cu和Nb元素 (Cu可以作为纳米晶的异质形核点，Nb富集在晶界处阻碍纳米晶长大)。该晶化策略自1988年日本科学家提出以来一直被广泛采用。基于该策略也成功开发出一系列优异软磁性能的纳米晶合金材料（如已商用化的Finemet等）。经过几十年的研究，基于该晶化策略的性能优化已趋近于极限。如目前商用化的Finemet纳米晶薄带（厚度18-20 μm）的磁导率一般在25000左右。除了采用成本更高的超薄带以外，基于成分和纳米晶化退火工艺再进一步提高其磁导率非常困难。
近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心EX4组汪卫华团队的白海洋研究员、孙保安副研究员和松山湖材料实验室副研究员周靖及联合培养博士生李雪松等人合作，在铁基非晶合金里发现了一种以磁不均匀性为形核核心的新型纳米晶化机制，在此基础上开发出一种具有优异高频磁导率的新型软磁纳米晶合金材料，该材料在100 kHz下的有效磁导率高达36000（比目前磁导率最高的FeSiBCuNb纳米晶合金高44%），并且随着频率的提高，优势变得更加显著。该材料同时表现出较高饱和磁感应强度（1.42 T）、低损耗（120 kW/cm@0.2 T，100 kHz）。该材料还具有较低的材料成本和良好的玻璃形成能力，目前已成功实现百公斤级别的宽幅工业带材生产。

图1 Fe75.5Co0.5Mo0.5Cu1Nb1.5Si13B8和Fe76.5Cu1Nb1.5Si13B8纳米晶合金的微观结构。
该材料主要是在传统的FeSiBCuNb纳米晶合金体系的基础上微量添加Co和Mo元素。不同于传统的基于Cu和Nb的纳米晶化机制，这里通过在外加磁场的诱导下，使Fe-Co磁性原子团簇提供了大量纳米晶的成核位点，Mo原子聚集在纳米晶界面周围，和Nb元素共同作用，抑制了纳米晶的生长，进而形成具有极细晶粒尺寸的非晶-纳米晶双相结构（图1），该合金的平均晶粒尺寸仅为11.8 nm，仅为不掺杂Co和Mo的同体系合金的平均晶粒尺寸（20.8 nm）的一半左右。这种以Co磁性原子为纳米晶形核位点的新型晶化机制也进一步被三维原子探针实验（3D-APT）、小角X射线散射实验（SAXS）以及Fe-Co磁性团簇形核过程的分子动力学模拟等证实（图2）。

图2 超细纳米晶体形成的实验观测与模拟分析数据。
这种新型Fe75.5Co0.5Mo0.5Cu1Nb1.5Si13B8纳米晶合金在高频下表现出超高磁导率，100 kHz下比同厚度的Finemet 合金高出44%，1MHz下高出65%， 同时还具有极低的铁损（120 kW/cm3@0.2 T，100 kHz）和高饱和磁感应强度（1.42 T）（图3）。

图3 典型软磁材料和新型Fe75.5Co0.5Mo0.5Cu1Nb1.5Si13B8纳米晶合金软磁性能（μe、Bs、Pcv）统计图。
此外，该材料还具有较好的条带成型能力，目前已在工业条件下实现百公斤级别的宽幅带材中试。进一步研究发现，新型纳米晶合金优异的高频磁性能起源于其特殊的微观结构和磁畴运动机制，因此表现出极低的磁晶各向异性和磁弹性各向异性。在磁化过程中还表现出独特的磁畴运动机制，即畴壁几乎不随着外加磁场变化而移动，在临界强度下，当所有磁矩从平面外反折到同一方向时，畴壁瞬间消失（图4）。

图4Fe76.5Cu1Nb1.5Si13B8和Fe75.5Co0.5Mo0.5Cu1Nb1.5Si13B8纳米晶合金磁畴运动过程。
这种独特的磁畴运动机制使该合金在高频下更容易被磁化，从而大幅提高了合金的高频磁导率，同时降低了其高频损耗。
基于这种全新的磁不均匀性主导的纳米晶化机制，有望开发更多具有优异综合软磁性能的纳米晶合金材料，新材料有望在高频高效电子器件中获得应用。相关研究成果以“Ultrahigh permeability at high frequencies via a magnetic-heterogeneous nanocrystallization mechanism in an iron-based amorphous alloy”为题，于2023年8月21日在线发表在Advanced Materials上。周靖副研究员和博士生李雪松为论文的共同第一作者，孙保安副研究员和白海洋研究员为论文的共同通讯作者，合作者包括东南大学沈宝龙教授，上海高压科学与技术先进研究中心曾桥石教授、中南大学彭海龙教授、松山湖材料实验室柯海波研究员等。上述研究工作得到了广东省基础与应用基础研究重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金委项目和中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。
编辑：小范

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