磁性材料及磁性材料的制造方法_4

文档序号:8340970阅读:来源:国知局
集合体,金属纳米粒子10a的体积填充率相对于粒子集合体整体为40体积% 以上且80体积%以下。这样的粒子集合体也被称为纳米颗粒型磁性粒子。
[0176] 在图5的磁性材料中,形成为在金属纳米粒子10a间填充夹杂相10b的结构。
[0177] 本实施方式的磁性材料通过具备上述构成,在100kHz以上的MHz频带中实现高导 磁率、低损耗。进而,也能实现尚饱和磁化、尚热稳定性、尚耐氧化性。
[0178] (第6实施方式)
[0179] 本实施方式的磁性材料具备:含有选自由Fe、Co、Ni组成的组中的至少1种磁性 金属、选自Mg、Al、Si、Ca、Zr、Ti、Hf、Zn、Mn、稀土类元素、Ba及Sr中的至少1种非磁性金 属的磁性粒子;将磁性粒子的至少一部分被覆且含有上述磁性金属及上述非磁性金属的各 至少一种的第3氧化物的第2被覆层;及存在于磁性粒子间且具有构成共晶反应体系的第 1氧化物与第2氧化物的共晶组织的氧化物相。
[0180] 本实施方式除了不存在图3中的第1被覆层12及氧化物粒子14以外,与第1实 施方式的第2变形例同样。因此,关于重复的内容,省略记载。
[0181] 图6是本实施方式的磁性材料的示意图。具备:含有选自由Fe、Co、Ni组成的组中 的至少1种磁性金属、选自Mg、Al、Si、Ca、Zr、Ti、Hf、Zn、Mn、稀土类元素、Ba及Sr中的至 少1种非磁性金属的磁性粒子10 ;将磁性粒子10的至少一部分被覆且包含上述磁性金属 及上述非磁性金属的各至少一种的第3氧化物的第2被覆层18 ;及存在于磁性粒子10间 且具有构成共晶反应体系的第1氧化物与第2氧化物的共晶组织的氧化物相16。
[0182] 本实施方式的磁性材料通过具备上述构成,在100kHz以上的MHz频带中实现高导 磁率、低损耗。进而,也能实现尚饱和磁化、尚热稳定性、尚耐氧化性。
[0183] (第7实施方式)
[0184] 本实施方式的磁性材料具备磁性粒子,所述磁性粒子含有:平均粒径为lnm以上 且100nm以下、优选为lnm以上且20nm以下、更优选为lnm以上且10nm以下且含有选自由 Fe、Co、Ni组成的组中的至少1种磁性金属的金属纳米粒子、和存在于金属纳米粒子间且 包含选自Mg、Al、Si、Ca、Zr、Ti、Hf、Zn、Mn、Ba、Sr、Cr、M。、Ag、Ga、Sc、V、Y、Nb、Pb、Cu、In、 Sn、稀土类元素中的至少1种非磁性金属和上述磁性金属中的至少1种的金属、半导体、氧 化物、氮化物、碳化物或氟化物的夹杂相,并且所述磁性粒子是平均短尺寸为lOmii以上且 1ym以下、优选为10nm以上且100nm以下、平均纵横尺寸比为5以上、优选为10以上的形 状的粒子集合体,金属纳米粒子的体积填充率相对于粒子集合体整体为40体积%以上且 80体积%以下。
[0185] 本实施方式的磁性材料中,金属纳米粒子的平均粒子间距离更优选为0.lnm以上 且5nm以下。
[0186] 图7是本实施方式的磁性材料的示意图。本实施方式的磁性材料包含多个磁性粒 子10。磁性粒子10含有:金属纳米粒子l〇a,其平均粒径为lnm以上且100nm以下、优选为 lnm以上且20nm以下、更优选为lnm以上10nm以下,含有选自由Fe、Co、Ni组成的组中的 至少1种磁性金属;夹杂相l〇b,其存在于金属纳米粒子10a间且包含选自Mg、Al、Si、Ca、 Zr、Ti、Hf、Zn、Mn、Ba、Sr、Cr、Mo、Ag、Ga、Sc、V、Y、Nb、Pb、Cu、In、Sn、稀土类元素中的至少 1种非磁性金属、和氧(0)、氮(N)或碳(C)中的任一种。夹杂相10b可以含有氟(F)。夹杂 相l〇b例如为金属、半导体、氧化物、氮化物、碳化物或氟化物。此外,夹杂相10b与磁性粒 子10相比为高电阻。
[0187] 并且,磁性粒子10是平均短尺寸为10nm以上且1ym以下、优选为10nm以上且 100nm以下、平均纵横尺寸比为5以上、优选为10以上的形状的金属纳米粒子10a与夹杂相 10b的粒子集合体,金属纳米粒子10a的体积填充率相对于粒子集合体整体为40体积%以 上且80体积%以下。这样的粒子集合体也被称为纳米颗粒型磁性粒子。
[0188] 在图7的磁性材料中,成为在金属纳米粒子10a间填充夹杂相10b的结构。
[0189] 在这样的粒子集合体中,金属纳米粒子10a彼此容易磁性结合,作为1个集合体磁 性地行动。另一方面,在金属纳米粒子10a的粒子间存在电阻高的夹杂相10b、例如氧化物, 因此能增大磁性粒子10的电阻。由此,能在维持高导磁率的状态下抑制涡流损耗。
[0190] 金属纳米粒子10a的平均粒径为lnm以上且100nm以下、优选为lnm以上且20nm 以下、更优选为lnm以上且10nm以下。若使平均粒径低于lnm,则有可能产生超顺磁性,磁 通量降低。另一方面,若平均粒径超过l〇nm,则磁性结合性减弱,因此不优选。为了保持充 分的磁通量并增大粒子彼此的磁性结合,最优选的粒径范围为lnm以上且10nm以下。
[0191] 金属纳米粒子10a可以是多晶、单晶中的任一种形态,但是优选为单晶。在单晶的 金属纳米粒子的情况下,容易使易磁化轴一致,能控制磁各向异性。由此,与多晶的磁性金 属纳米粒子的情况相比能使高频特性提高。
[0192] 此外,金属纳米粒子10a可以为球状,但是,也可以是具有大的纵横尺寸比的扁平 状、棒状。特别优选纵横尺寸比的平均值为2以上,更优选为5以上。
[0193] 纵横尺寸比大的金属纳米粒子10a的情况下,更优选使各个金属纳米粒子10a的 长边方向(板状的情况下为宽度方向,扁平椭圆体的情况下为直径方向,棒状的情况下为 棒的长度方向,旋转椭圆体的情况下为长轴方向)与磁性粒子(粒子集合体)10的长边方 向(板状的情况下为宽度方向,扁平椭圆体的情况下为直径方向,棒状的情况下为棒的长 度方向,旋转椭圆体的情况下为长轴方向)一致。由此,能将易磁化轴的方向统一到一个方 向,能使导磁率和导磁率的高频特性提高。
[0194] 金属纳米粒子10a含有选自由Fe(铁)、Co(钴)、Ni(镍)组成的组中的至少1 种磁性金属。金属纳米粒子l〇a优选含有选自由Mg、Al、Si、Ca、Zr、Ti、Hf、Zn、Mn、Ba、Sr、 Cr、Mo、Ag、Ga、Sc、V、Y、Nb、Pb、Cu、In、Sn、稀土类元素组成的组中的至少1种非磁性金属。 这些非磁性金属能使金属纳米粒子l〇a的电阻提高,且能使热稳定性及耐氧化性提高,是 优选的。其中,Al、Si容易与金属纳米粒子10a的主成分即Fe、Co、Ni固溶,对于金属纳米 粒子l〇a的热稳定性的提高有贡献,因此优选。
[0195] 金属纳米粒子10a例如为包含Fe、Co及A1 (铝)的合金或者包含Fe、Ni、Si(硅) 的合金。
[0196] 金属纳米粒子10a中含有的磁性金属包含选自由Fe、Co、Ni组成的组中的至少1 种,特别是Fe基合金、Co基合金、FeCo基合金、FeNi基合金能实现高饱和磁化,因此优选。 Fe基合金可举出含有作为第2成分的Ni、Mn、Cu等的例如FeNi合金、FeMn合金、FeCu合 金。Co基合金可举出含有作为第2成分的Ni、Mn、Cu等的例如CoNi合金、CoMn合金、CoCu 合金。FeCo基合金可举出含有作为第2成分的Ni、Mn、Cu等的合金。
[0197] 为了使磁性粒子10的高频磁特性提高,这些第2成分是有效的成分。FeNi基合金 由于磁各向异性小,因此是对于得到高导磁率有利的材料。尤其是Fe为40原子%以上且 60原子%以下的FeNi合金由于饱和磁化高且各向异性小,因此优选。
[0198] 在磁性金属中,特别优选使用FeCo基合金。FeCo中的Co量从满足热稳定性及耐 氧化性和2特斯拉以上的饱和磁化的方面出发,优选设为10原子%以上且50原子%以下。 从进一步提高饱和磁化的观点出发,更优选的FeCo中的Co量为20原子%以上且40原子% 以下的范围。
[0199] 作为非磁性金属的量,优选相对于磁性金属以0. 001原子%以上且20原子%以下 的量含有。若非磁性金属的含量分别超过20原子%,则有可能使磁性金属纳米粒子的饱和 磁化降低。从高饱和磁化和固溶性的观点出发,作为更优选的量,按0.001原子%以上且5 原子%以下的范围进行配合,进一步优选按〇. 01原子%以上且5原子%以下的范围进行配 合。
[0200] 作为金属纳米粒子l〇a的晶体结构,可考虑体心立方晶格结构(bcc)、面心立方晶 格结构(fee)、六方最密堆积结构(hep),分别具有特征。关于bcc结构,由于在Fe基合金 的多数的组成中具有bcc结构,因此广泛具有容易合成的优点。fee结构由于与bcc结构 相比能减小磁性金属的扩散系数,因此具有能使热稳定性和耐氧化性变得较大的优点。hep 结构(六方晶结构)具有能使磁性材料的磁特性成为面内单轴各向异性的优点。具有hep 结构的磁性金属通常具有大的磁各向异性,因此容易进行取向,能使导磁率增大。特别是Co 基合金容易具有hep结构,是优选的。Co基合金的情况下,通过含有Cr或A1,能使hep结 构稳定化,因此优选。
[0201] 另外,在具备面内单轴各向异性的磁性材料中,易磁化面内的各向异性磁场优选 为10e以上且5000e以下,更优选为100e以上且5000e以下。这是为了在100kHz以上的 MHz频带中维持低损耗和高导磁率而优选的范围。若各向异性过低,则强磁性共振频率在低 频下发生,在MHz频带中损耗增大,不优选。
[0202] 另一方面,若各向异性大,则强磁性共振频率高,能实现低损耗,但是导磁率也减 小,不优选。能兼顾高导磁率和低损耗的各向异性磁场的范围优选为l〇e以上且5000e以 下,更优选为l〇〇e以上且5000e以下。
[0203] 另外,为了在磁性材料中诱发面内单轴各向异性,不仅有使上述hep结构的磁性 粒子取向的方法,还有使金属纳米粒子l〇a的结晶性尽量非晶化,通过磁场或变形在面内 一个方向上诱发磁各向异性的方法。为此,优选设定成容易尽量使磁性粒子非晶化的组成。
[0204] 在这样的观点中,金属纳米粒子10a中所含的磁性金属含有与非磁性金属不同的 选自B、Si、C、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Cr、Cu、W中的至少1种添加金属,所述添加金属相对 于磁性金属和非磁性金属和添加金属的合计量含有0. 001原子%以上且25原子%以下,优 选磁性金属、非磁性金属、或者添加金属中的至少两者互相固溶。
[0205] 金属纳米粒子10a的至少一部分的表面可以用被覆层覆盖。被覆层优选为包含金 属纳米粒子10a的构成成分即磁性金属中的至少1种的氧化物、复合氧化物、氮化物、碳化 物或氟化物。被覆层通过含有金属纳米粒子l〇a的构成成分即磁性金属中的至少1种,从 而金属纳米粒子l〇a与被覆层的密合性提高,热稳定性及耐氧化性提高。
[0206] 此外,被覆层更优选为包含选自由Mg、Al、Si、Ca、Zr、Ti、Hf、Zn、Mn、Ba、Sr、Cr、 Mo、Ag、Ga、Sc、V、Y、Nb、Pb、Cu、In、Sn、稀土类元素组成的组中的至少1种非磁性金属的氧 化物、复合氧化物、氮化物、碳化物或氟化物。在金属纳米粒子l〇a包含选自由Mg、Al、Si、 Ca、Zr、Ti、Hf、Zn、Mn、Ba、Sr、Cr、Mo、Ag、Ga、Sc、V、Y、Nb、Pb、Cu、In、Sn、稀土类元素组成 的组中的至少1种非磁性金属的情况下,被覆层更优选由包含至少1种与作为金属纳米粒 子l〇a的构成成分的1种的非磁性金属相同的非磁性金属的氧化物、复合氧化物、氮化物、 碳化物或氟化物构成。由此,能提高金属纳米粒子l〇a与被覆层的密合性,甚至能使磁性材 料的热稳定性及耐氧化性提尚。
[0207] 另外,在以上的被覆层构成中,氧化物、复合氧化物、氮化物、碳化物或氟化物中, 特别更优选为氧化物、复合氧化物。这是从被覆层形成的容易性、耐氧化性、热稳定性的观 点来考虑。
[0208] 此外,氧化物或者复合氧化物被覆层更优选为包含金属纳米粒子10a的构成成分 即磁性金属中的至少1种的氧化物、复合氧化物,更优选为包含选自由Mg、Al、Si、Ca、Zr、 Ti、Hf、Zn、Mn、Ba、Sr、Cr、Mo、Ag、Ga、Sc、V、Y、Nb、Pb、Cu、In、Sn、稀土类元素组成的组中的 至少1种非磁性金属的氧化物、复合氧化物。
[0209] 该非磁性金属是氧化物的标准生成吉布斯自由能小而容易氧化的元素,容易形成 稳定的氧化物。由含有至少1种以上这样的非磁性金属的氧化物或复合氧化物形成的氧化 物被覆层能提高对于金属纳米粒子l〇a的密合性/接合性,也能提高金属纳米粒子10a的 热稳定性和耐氧化性。
[0210] 在非磁性金属中,Al、Si容易与磁性金属粒子的主成分即Fe、Co、Ni固溶,对于金 属纳米粒子10a的热稳定性的提高有贡献,因此优选。包含多种非磁性金属的复合氧化物 也包含固溶的形态。被覆金属纳米粒子10a的至少一部分的表面的被覆层不仅使内部的磁 性金属纳米粒子的耐氧化性提尚,而且能使复合磁性粒子的电阻提尚。通过提尚电阻,能抑 制高频下的涡流损耗,能提高导磁率的高频特性。因此,被覆层优选为高电阻,例如优选具 有lmD?cm以上的阻抗值。
[0211] 被覆层越厚,磁性粒子10的电阻越大,金属纳米粒子10a的热稳定性和耐氧化性 也越高。但是,若被覆层过厚,则金属纳米粒子l〇a彼此的磁性结合容易断裂,各个金属纳 米粒子10a容易变得在磁性上独立地行动,从导磁率及导磁率的高频特性的观点出发是不 优选的。此外,若被覆层变厚,则磁性粒子10中所占的磁性成分的比例减少,因此,磁性粒 子10的饱和磁化降低,导磁率降低,因此不优选。为了具有一定程度大的电阻且各个金属 纳米粒子l〇a磁性结合、使磁性粒子10的饱和磁化增大,被覆层更优选具有0.lnm以上且 5nm以下的平均厚度。
[0212] 此外,在金属纳米粒子10a间存在的包含选自Mg、Al、Si、Ca、Zr、Ti、Hf、Zn、Mn、 Ba、Sr、Cr、Mo、Ag、Ga、Sc、V、Y、Nb、Pb、Cu、In、Sn、稀土类元素中的至少1种非磁性金属、和 氧(〇)、氮(N)或碳(C)中的任一种的夹杂相10b优选具有lmD?cm以上的电阻率。
[0213] 这些非磁性金属是氧化物的标准生成吉布斯自由能小而容易氧化的元素,是容易 形成稳定的氧化物的金属,是优选的。包含这样的非磁性金属的金属、半导体、氧化物、氮化 物、碳化物或氟化物在金属纳米粒子l〇a间存在,从而能使金属纳米粒子10a彼此的电绝缘 性进一步提尚,并且,能使金属纳米粒子的热稳定性提尚,因此优选。
[0214] 此外,金属、半导体、氧化物、氮化物、碳化物或氟化物的夹杂相10b优选包含上述 磁性金属中的至少1种。金属、半导体、氧化物、氮化物、碳化物或氟化物通过包含至少1种 与在金属纳米粒子l〇a中所含的磁性金属相同的金属,从而热稳定性及耐氧化性提高。此 外,通过在金属纳米粒子l〇a间存在强磁性成分,磁性金属纳米粒子彼此的磁性结合增强。 因此,金属纳米粒子l〇a与夹杂相10b能磁性地以集合体的形式进行行动,能使导磁率和导 磁率的尚频特性提尚。
[0215] 此外,同样,金属、半导体、氧化物、氮化物、碳化物或氟化物的夹杂相10b通过包 含至少1种与在金属纳米粒子l〇a中所含的非磁性金属相同的非磁性金属,热稳定性及耐 氧化性提高,因此是优选的。
[0216] 另外,夹杂相在含有金属纳米粒子中所含的磁性金属和非磁性金属各至少1种的 情况下,夹杂相中的非磁性金属/磁性金属的原子比优选比金属纳米粒子中所含的非磁性 金属/磁性金属的原子比大。这是因为能将金属纳米粒子用耐氧化性、热稳定性高的"非磁 性金属/磁性金属大的夹杂相"阻隔,能有效地提高金属纳米粒子的耐氧化性、热稳定性。 此外,优选夹杂相中所含的氧的含量比金属纳米粒子的氧的含量大。这是因为能将金属纳 米粒子用"氧浓度大且耐氧化性、热稳定性的高的夹杂相"阻隔,能有效地提高金属纳米粒 子的耐氧化性、热稳定性。
[0217] 在金属、半导体、氧化物、氮化物、碳化物或氟化物中,从热稳定性的观点出发,更 优选为氧化物。
[0218] 图8是本实施方式的第1变形例的磁性材料的示意图。金属、氧化物、氮化物、碳 化物或氟化物的夹杂相l〇b如图8所示,可以为粒子。
[0219] 在本变形例中,磁性粒子10的周围的材料没有特别限定,例如可以为空气,也可 以为氧化物,也可以为树脂。此外,在本变形例中,在金属纳米粒子l〇a与粒子的夹杂相10b 之间成为与磁性粒子10的周围的材料相同的材料。
[0220] 图9是本实施方式的第2变形例的磁性材料的示意图。在本变形例中,在金属纳 米粒子10a与粒子的夹杂相10b之间成为与夹杂相10b及磁性粒子10的周围的材料的任 一者均不同的材料的其他夹杂相l〇c。夹杂相l〇c的材料与磁性粒子10的周围的材料的组 合没有特别限定。
[0221] 采用粒子的形态的夹杂相10b与金属纳米粒子10a的粒径相比优选为小粒子。此 时,粒子可以为氧化物粒子,也可以为氮化物粒子,也可以为碳化物粒子,也可以为氟化物 粒子。但是,从热稳定性的观点出发,更优选为氧化物粒子。以下以全部夹杂相l〇b为氧化 物粒子的情况为例进行说明。
[0222] 另外,氧化物粒子的更优选的存在状态为在金属纳米粒子10a间均一且均质地分 散的状态。由此,能期待更均一的磁特性及介电特性。该氧化物粒子不仅能使金属纳米粒 子l〇a的耐氧化性、凝集抑制力、即金属纳米粒子10a的热稳定性提高,还能将金属纳米粒 子l〇a彼此电性分离,能提高磁性粒子10及磁性材料的电阻。通过提高磁性材料的电阻, 能抑制尚频下的祸流损耗,提尚导磁率的尚频特性。因此,氧化物粒子优选为尚电阻,优选 具有例如lmQ?cm以上的阻抗值。
[0223] 氧化物粒子包含选自由Mg、Al、Si、Ca、Zr、Ti、Hf、Zn、Mn、Ba、Sr、Cr、Mo、Ag、Ga、 Sc、V、Y、Nb、Pb、Cu、In、Sn、稀土类元素组成的组中的至少1种非磁性金属。这些非磁性金 属是氧化物的标准生成吉布斯自由能小而容易氧化的元素,容易形成稳定的氧化物。
[0224] 并且,在金属纳米粒子10a具备被覆层的情况下,优选该氧化物粒子中的非磁性 金属/磁性金属(原子比)比覆盖金属纳米粒子l〇a的被覆层中的非磁性金属/磁性金属 (原子比)大。这样,非磁性金属的比例高,从而氧化物粒子比被覆层更加热稳定。
[0225] 因此,这样的氧化物粒子通过在金属纳米粒子10a间的至少一部分中存在,能使 金属纳米粒子l〇a彼此的电绝缘性进一步提高,并且能使磁性金属纳米粒子的热稳定性提 尚。
[0226] 另外,氧化物粒子可以不含磁性金属,但是,更优选含有磁性金属。作为所含的磁 性金属的优选的量,磁性金属相对于非磁性金属为〇. 001原子%以上,优选为〇. 01原子% 以上。这是因为如果完全不含磁性金属,则将金属纳米粒子l〇a的表面被覆的被覆层与氧 化物粒子的构成成分完全不同,从密合性和强度的方面出发,不怎么优选,进而,有可能热 稳定性也反而变差。此外,如果在金属纳米粒子间存在的氧化物粒子中完全不含磁性金属, 则金属纳米粒子彼此变得难以进行磁性结合,从导磁率和导磁率的高频特性的观点出发是 不优选的。
[0227] 因此,氧化物粒子更优选为金属纳米粒子10a的构成成分,且优选含有作为氧化 物被覆层的构成成分的磁性金属中的至少1种,更优选氧化物粒子中的非磁性金属/磁性 金属(原子比)比氧化物被覆层中的非磁性金属/磁性金属(原子比)大。
[0228] 另外,氧化物粒子更优选为包含与金属纳米粒子10a中所含的非磁性金属同种、 并且与氧化物被覆层中所含的非磁性金属同种的非磁性金属的氧化物粒子。这是因为通过 为包含同种的非磁性金属的氧化物粒子,磁性金属纳米粒子的热稳定性及耐氧化性进一步 提尚。
[0229] 另外,以上的氧化物粒子的热稳定性提高效果、电绝缘性效果、密合性/强度提高 效果特别是在金属纳米粒子的平均粒径l〇a小时发挥效果,在比金属纳米粒子10a的粒径 小的粒径的情况下特别有效。此外,金属纳米粒子l〇a的体积填充率相对于粒子集合体即 磁性粒子10整体优选为30体积%以上且80体积%以下。更优选为40体积%以上且80 体积%以下,进一步优选为50体积%以上且80体积%以下。
[0230] 由此,磁性粒子10中所含的金属纳米粒子10a间的距离必然接近,金属纳米粒子 l〇a彼此磁性地牢固地结合,磁性地以粒子集合体的形式行动,能使导磁率增大。此外,金属 纳米粒子10a彼此没有全部进行物理性地连接,因此能降低显微性的涡流损耗,能使导磁 率的尚频特性提尚。
[0231] 为了更有效地发挥该效果,磁性粒子10中所含的金属纳米粒子10a的平均粒子间 距离优选为〇?lnm以上且10nm以下,更优选为0?lnm以上且5nm以下。这里所说的粒子间 距离是指在将1个金属纳米粒子l〇a的
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