专利名称：一种用电子束物理气相沉积制备纳米多层高阻抗软磁材料及其方法
技术领域：
本发明涉及一种用电子束物理气相沉积制备纳米多层高阻抗软磁材料及其方法。
现在技术铁系(铁硅合金(FeSi)、铁镍合金(FeNi)、铁氮(FeN)等)软磁材料(材料A)通常具有较高的饱和磁化强度及导磁率，较低的矫顽力及电阻率；陶瓷材料(氧化锆(ZrO2)、三氧化二铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)等)(材料B)通常具有较高的电阻率。如果将二者以纳米或微米多层的形式复合，并控制层间距及层界面形态，可获得具有高阻抗、低矫顽力的软磁材料。另一方面，由于陶瓷层的存在，将使体系的饱和磁化强度下降，因此，在某些特定的使用背景下，难以满足电子器件小型化、轻量化、超薄型化对饱和磁化强度的要求。
发明目的本发明的目的是提供一种纳米多层高阻抗软磁材料。
本发明的另一个目的是提供一种用电子束物理气相沉积制备纳米多层高阻抗软磁材料的方法。技术方案本发明的目的是这样实现的一种用电子束物理气相沉积制备纳米多层高阻抗软磁材料，它是在金属、非金属表面镀上一层或一层以上的纳米多层高阻抗软磁材料，其中，纳米多层高阻抗软磁材料由铁系软磁材料和陶瓷材料组成，其结构为一层铁系软磁材料层，一层陶瓷材料层交替沉积而成；或者结构为一层铁系软磁材料层，一层铁系软磁材料层+陶瓷材料层的纳米颗粒复合单层膜交替沉积而成。铁系软磁材料层为铁硅合金(FeSi)、铁镍合金(FeNi)、铁氮合金(FeN)，其铁硅合金(FeSi)中的硅(Si)含量为3～9wt.％、铁镍合金(FeNi)中的镍(Ni)含量为60～85wt.％、铁氮合金(FeN)中的氮(N)含量为50at.％。陶瓷材料层为氧化锆(ZrO2)、三氧化二铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)。在铁系合金料棒之上放置30～150g的铌(Nb)或者钨(W)，使料棒的表面形成“热池”，提高电子束辐照熔池的温度，使得薄膜中的铁(Fe)/硅(Si)、铁(Fe)/镍(Ni)、铁(Fe)/氮(N)的成分与料棒中的成分一致。所述的料棒大小为可以容纳在坩埚中。
本发明采用双蒸发源、双电子束技术，所需(1)电子束电压为17～19kV；(2)电子束电流为1.0～1.4A；(3)基板温度为室温～600℃；(4)沉积速率金属为0.3～1.5m/min，陶瓷为0.3～1.5m/min；(5)陶瓷与软磁纳米混合层中铁系/陶瓷成分比为5∶1～1∶5之间；(6)层间距为45纳米～2微米；(7)层厚比为3∶1～1∶1；(8)热处理温度为300～700℃，时间为2～60min。
本发明的制备方法为(1)、准备铁系软磁材料料棒、陶瓷材料料棒，备用；(2)、准备小于或等于基板的基材，备用；(3)、将铁系软磁材料料棒、陶瓷材料料棒各取一根分别放置在坩埚中；(4)、将基材安装在基板上；(5)、将全真空室抽至所需真空度(～10-4Pa)；(6)、设定旋转基板架所需旋转的速度(5～30rpm)；(7)、用电子束加热基板(室温～600℃)；(8)、分别预蒸发合金料棒与陶瓷料棒，并调节电子束流、料棒上升速率(0.3～1.0mm/min)，控制蒸发量；(9)、拉开挡板，进行蒸发沉积。
本发明利用电子束高速蒸发沉积(＞1□m/min)的特点，采用双蒸发源、双电子束技术，通过控制蒸发沉积工艺参数，制备具有高阻抗、低矫顽力、高饱和磁化强度的软磁层与陶瓷层、软磁层与陶瓷+软磁纳米颗粒混合层复合的高阻抗纳米级、微米级多层材料及薄膜，以满足高频交变磁场下工作各种电子器件及其它用途的薄膜与涂层的要求。
本发明采用双蒸发源、双电子束技术，蒸发金属与陶瓷料棒，通过调节基板转速以及金属与陶瓷的蒸发速率，制备具有高阻抗、低矫顽力、高饱和磁化强度的软磁层与陶瓷与软磁层与陶瓷......；软磁层与陶瓷+软磁纳米颗粒混合层复合与软磁层与陶瓷+软磁纳米颗粒混合层复合(A/(A+B)/A/(A+B)/A...)的高阻抗纳米级、微米级软磁材料及薄膜。发明优点(1)、高速蒸发沉积；(2)、不受蒸发源的材料种类的限制，可适用于任何材料的蒸发；(3)、复合膜晶粒尺寸于纳米至微米级之间可调；(4)、纳米复合多层软磁材料的层间距与层厚比于纳米至微米级之间可调；(5)、纳米晶粒与纳米层间距稳定，600℃以下(包括600℃)真空热处理1小时后，未发现明显长大。
图2是本发明的另一种结构剖视图。
图3是本发明的设备示意图。
图4是本发明的另一种设备示意图。
图5是铁(硅)与陶瓷+铁(硅)纳米颗粒混合层在层间距100nm，层厚比2∶1复合的多层材料断面图。
图6是铁(硅)与陶瓷+铁(硅)纳米颗粒混合层在层间距300nm，层厚比3∶1复合的多层材料断面图。
图中1.基材 2.铁系软磁材料层 3.铁系软磁材料层 4.陶瓷材料层 5.陶瓷材料层 6.纳米颗粒混合层 7.纳米颗粒混合层 8.铁系合金蒸发源坩埚 9.水冷隔板 10.铁系合金蒸气 11.电子枪 12.旋转基板架 13.陶瓷蒸气 14.挡板 15.陶瓷蒸发源坩埚 16.铁系合金+陶瓷混合蒸气 17.软磁颗粒下面将结合附图
及实施例对本发明作进一步的详细描述。
一种用电子束物理气相沉积制备纳米多层高阻抗软磁材料，它是在基材1金属、非金属表面镀上一层或一层以上的纳米多层高阻抗软磁材料，其中，纳米多层高阻抗软磁材料由铁系软磁材料和陶瓷材料组成，其结构为一层铁系软磁材料层2，一层陶瓷材料层5交替沉积而成；或者结构为一层铁系软磁材料层2，一层铁系软磁材料层+陶瓷材料层的纳米颗粒复合单层膜7交替沉积而成。铁系软磁材料层2、3为铁硅合金(FeSi)、铁镍合金(FeNi)、铁氮合金(FeN)，其铁硅合金(FeSi)中的硅(Si)含量为3～9wt.％、铁镍合金(FeNi)中的镍(Ni)含量为60～85wt.％、铁氮合金(FeN)中的氮(N)含量为50at.％。陶瓷材料层4、5为氧化锆(ZrO2)、三氧化二铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)。在铁系合金料棒之上放置30～150g的铌(Nb)或者钨(W)，使料棒的表面形成“热池”，提高电子束辐照熔池的温度，使得薄膜中的铁(Fe)/硅(Si)、铁(Fe)/镍(Ni)、铁(Fe)/氮(N)的成分与料棒中的成分一致。所述的料棒大小为可以容纳在坩埚中。
本发明采用双蒸发源、双电子束技术，所需(1)电子束电压为17～19kV；(2)电子束电流为1.0～1.4A；(3)基板温度为室温～600℃；(4)沉积速率金属为0.3～1.5m/min，陶瓷为0.3～1.5m/min；(5)陶瓷与软磁纳米混合层中铁系/陶瓷成分比为5∶1～1∶5之间；(6)层间距为45纳米～2微米；(7)层厚比为3∶1～1∶1；(8)热处理温度为300～700℃，时间为2～60min。
本发明的制备方法为(1)、准备铁系软磁材料料棒、陶瓷材料料棒，备用；(2)、准备小于或等于基板的基材，备用；(3)、将铁系软磁材料料棒、陶瓷材料料棒各取一根分别放置在坩埚中；(4)、将基材安装在基板上；(5)、将全真空室抽至所需真空度(～10-4Pa)；(6)、设定旋转基板架所需旋转的速度(5～30rpm)；(7)、用电子束加热基板(室温～600℃)；(8)、分别预蒸发合金料棒与陶瓷料棒，并调节电子束流、料棒上升速率(0.3～1.0mm/min)，控制蒸发量；(9)、拉开挡板，进行蒸发沉积。
在本发明中提出如下体系(1)、使将Fe系软磁材料与具有高电阻率的陶瓷复合制备层间距为纳米级、微米级的不同层厚比的多层材料组合成，如A/B/A/B/A...形式结构；(2)、使Fe系纳米颗粒弥散分布于陶瓷相中，构成具有高电阻率、且具有较高的饱和磁化强度的纳米颗粒复合单层膜；将Fe系软磁材料与这种纳米颗粒复合单层膜分别以不同层间距、层厚比复合，制备层间距为纳米级、微米级的多层软磁材料组合成，如A/(A+B)/A/(A+B)/A...形式结构。
通过控制上述体系中各层的晶粒度、单轴各向异性以及层间距，可以获得高饱和磁化强度及高电阻率的纳米或微米级复合多层软磁材料，适用于高频交变磁场下工作各种电子器件及其它用途的薄膜与涂层。
利用电子束高速蒸发沉积(＞1□m/min)的特点，采用双蒸发源、双电子束技术，请参看图3、图4所示，通过控制蒸发沉积工艺参数，制备具有高阻抗、低矫顽力、高饱和磁化强度的软磁层与陶瓷层、软磁层与陶瓷+软磁纳米颗粒混合层复合的高阻抗纳米级、微米级多层材料及薄膜，以满足高频交变磁场下工作各种电子器件及其它用途的薄膜与涂层的要求。
采用双蒸发源、双电子束技术，蒸发金属与陶瓷料棒，通过调节放置基板架的转速以及金属与陶瓷的蒸发速率，制备具有高阻抗、低矫顽力、高饱和磁化强度的软磁层与陶瓷层与软磁层与陶瓷层(A/B/A/B/A...形式结构)；软磁层与陶瓷层+软磁纳米颗粒混合层复合与软磁层与陶瓷层+软磁纳米颗粒混合层复合(A/(A+B)/A/(A+B)/A...形式结构)的高阻抗纳米级、微米级软磁材料及薄膜。实施例采用电子束物理气相沉积方法制备铁(硅)与陶瓷+铁(硅)纳米多层高阻抗软磁材料。
例1铁系材料选用铁硅合金(FeSi)，陶瓷材料选用氧化锆(ZrO2)。
将直径为50mm，长200mm的铁硅合金(FeSi)和氧化锆(ZrO2)料棒分别取出一根放入两个坩埚中；在旋转基板架的基板上安装基材铜(Cu)；采用图4的设备，在真空度为5×10-4Pa，基板旋转速度为20rpm，基板温度为350℃；料棒上升速率为0.6mm/min等蒸发沉积条件下，形成了以α-铁(硅)层与以陶瓷薄膜为基体、纳米磁性α-铁(硅)晶粒(20～200nm)均匀分布的纳米复合层交互层叠而成的纳米级软磁材料，层间距为100nm，总厚度为0.5mm。最大电阻率为1861.0μΩ·cm，矫顽力为1.00e，饱和磁化强度为1.7T，最大磁导率μmax可达1.79×104。
例2铁系材料选用铁硅合金(FeSi)，陶瓷材料选用氧化铝(Al2O3)。
将直径为50mm，长200mm的铁硅合金(FeSi)和氧化铝(Al2O3)料棒分别取出一根放入两个坩埚中；在旋转基板架的基板上安装基材铜(Cu)；采用图4的设备，在真空度为5×10-4Pa，基板旋转速度为15rpm，基板温度为300℃；料棒上升速率为0.6mm/min等蒸发沉积条件下，形成了以α-铁(镍)层与以陶瓷薄膜为基体、纳米磁性α-铁(镍)晶粒(20～200nm)均匀分布的纳米复合层交互层叠而成的纳米级软磁材料，层间距为110nm，总厚度为0.5mm。最大电阻率为1980.0μΩ·cm，矫顽力为1.00e，饱和磁化强度为1.8T，最大磁导率μmax可达1.79×104。
例3铁系材料选用铁硅合金(FeSi)，陶瓷材料选用氮化铝(AlN)。
将直径为50mm，长200mm的铁硅合金(FeSi)和氮化铝(AlN)料棒分别取出一根放入两个坩埚中；在旋转基板架的基板上安装基材铜(Cu)；采用图4的设备，在真空度为5×10-4Pa，基板旋转速度为20rpm，基板温度为300℃；料棒上升速率为0.6mm/min等蒸发沉积条件下，形成了以α-铁(镍)层与以陶瓷薄膜为基体、纳米磁性α-铁(镍)晶粒(20～200nm)均匀分布的纳米复合层交互层叠而成的纳米级软磁材料。蒸发沉积氮化铝(AlN)时，为防止氮化铝(AlN)的分解导致纳米颗粒复合层中缺氮，向真空中通入少量的氮气(N2)。层间距为90nm，总厚度为0.5mm。最大电阻率为1320.0μΩ·cm，矫顽力为1.00e，饱和磁化强度为1.8T，最大磁导率μmax可达1.79×104。
采用本发明制备的纳米多层复合材料，蒸发沉积快，不受蒸发源的材料种类的限制，适用于任何材料的蒸发，也适用于在高频交变磁场下工作的各种电子器件及其它用途的薄膜与涂层。
权利要求
1.一种用电子束物理气相沉积制备纳米多层高阻抗软磁材料，它是在金属、非金属表面镀上一层或一层以上的纳米多层高阻抗软磁材料，其特征在于纳米多层高阻抗软磁材料由铁系软磁材料和陶瓷材料组成，其结构为一层铁系软磁材料层，一层陶瓷材料层交替沉积而成。
2.根据权利要求1所述的软磁材料，其特征在于其结构为一层铁系软磁材料层，一层铁系软磁材料层+陶瓷材料层的纳米颗粒复合单层膜交替沉积而成。
3.根据权利要求1所述的软磁材料，其特征在于铁系软磁材料层为铁硅合金(FeSi)、铁镍合金(FeNi)、铁氮合金(FeN)。
4.根据权利要求1所述的软磁材料，其特征在于铁系软磁材料层为铁硅合金(FeSi)，硅(Si)含量为3～9wt.％、铁镍合金(FeNi)，镍(Ni)含量为60～85wt.％、铁氮合金(FeN)，氮(N)含量为50at.％。
5.根据权利要求1所述的软磁材料，其特征在于陶瓷材料层为氧化锆(ZrO2)、三氧化二铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)。
6.根据权利要求1所述的软磁材料，其特征在于在铁系合金料棒之上放置30～150g的铌(Nb)，使料棒的表面形成“热池”，提高电子束辐照熔池的温度，使得薄膜中的铁(Fe)/硅(Si)、铁(Fe)/镍(Ni)、铁(Fe)/氮(N)的成分与料棒中的成分一致。
7.根据权利要求1所述的软磁材料，其特征在于在铁系合金料棒之上放置30～150g的钨(W)，使料棒的表面形成“热池”，提高电子束辐照熔池的温度，使得薄膜中的铁(Fe)/硅(Si)、铁(Fe)/镍(Ni)、铁(Fe)/氮(N)的成分与料棒中的成分一致。
8.根据权利要求1所述的软磁材料，其特征在于(1)电子束电压为17～19kV；(2)电子束电流为1.0～1.4A；(3)基板温度为室温～600℃；(4)沉积速率金属为0.3～1.5m/min，陶瓷为0.3～1.5m/min；(5)陶瓷与软磁纳米混合层中铁系/陶瓷成分比为5∶1～1∶5之间；(6)层间距为45纳米～2微米；(7)层厚比为3∶1～1∶1；(8)热处理温度为300～700℃，时间为2～60min。
9.根据权利要求1所述的软磁材料，其特征在于所述的料棒大小为可以容纳在坩埚中。
10.一种用电子束物理气相沉积制备纳米多层高阻抗软磁材料的方法，其特征在于(1)、准备铁系软磁材料料棒、陶瓷材料料棒，备用；(2)、准备小于或等于基板的基材，备用；(3)、将铁系软磁材料料棒、陶瓷材料料棒各取一根分别放置在坩埚中；(4)、将基材安装在基板上；(5)、将全真空室抽至所需真空度(～10-4Pa)；(6)、设定旋转基板架所需旋转的速度(5～30rpm)；(7)、用电子束加热基板(室温～600℃)；(8)、分别预蒸发合金料棒与陶瓷料棒，并调节电子束流、料棒上升速率(0.3～1.0mm/min)，控制蒸发量；(9)、拉开挡板，进行蒸发沉积。
全文摘要
本发明涉及一种用电子束物理气相沉积制备纳米多层高阻抗软磁材料的方法,它是在金属、非金属表面镀上一层或一层以上的纳米多层高阻抗软磁材料,该软磁材料由铁系软磁材料和陶瓷材料组成,其结构可以为一层铁系软磁材料层,一层陶瓷材料层,或一层铁系软磁材料层,一层铁系软磁材料层+陶瓷材料层的纳米颗粒复合单层膜。通过控制各层的晶粒度、单轴各向异性以及层间距,可以获得高饱和磁化强度及高电阻率的纳米级复合多层软磁材料。本发明制备的纳米混合层复合材料适用于高频交变磁场下工作的各种电子器件及其它用途的薄膜与涂层。
文档编号H01F41/14GK1359112SQ0114504
公开日2002年7月17日 申请日期2001年12月31日 优先权日2001年12月31日
发明者毕晓昉, 宫声凯, 徐惠彬 申请人:北京航空航天大学