磁性结构制造技术

本发明专利技术涉及一种用于在基板(44)上形成磁性结构的方法和装置，还涉及一种通过这样的方法和装置形成的磁性结构。磁性结构包括嵌入有磁性粒子的基体。用于在基板(44)上形成磁性结构的装置(30)包括基体材料源(32)，基体材料源(32)用于将基体材料沉积到基板上以借此形成基体。用于形成磁性结构的装置(30)进一步包括磁性粒子源(34)，磁性粒子源(34)用于在基体形成期间将磁性粒子沉积到基体上以借此将磁性粒子嵌入到基体中。每个磁性粒子包括至少部分覆盖有金属层的核心，基体材料和核心中的至少一个为铁磁性材料，并且核心和金属层为不同材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于形成磁性结构的方法和装置，该磁性结构包括嵌入在基体中的粒子，并且尤其但不排除地包括嵌入在基体中的纳米粒子。本专利技术进一步涉及一种通过这样的方法和装置形成的磁性结构。
技术介绍
磁性材料被广泛用于现代技术中并且用在几乎所有的机械装置中。磁性材料与其诸如矫顽磁性和能量积之类的次要参数相关的性能在过去的一个世纪得到了大幅改善。然而，磁性材料最基础的特性也就是饱和磁化强度少有改善，饱和磁化强度确定了所产生的磁场的强度。机电装置中最常用的磁性材料，即Fe60Co40合金，从20世纪20年代起就开始使用了，并且直到现在也没有找到具有更高磁化强度的材料。饱和磁化强度的最直接的量度为每原子的磁矩，该磁矩被规定为波尔(Bohr)磁子(μB)。纯Fe的磁矩为每原子2.22μB，而Fe60Co40合金的磁矩为每原子2.45μB。后一个值，即每原子2.45μB，被称作Slater-Pauling(斯莱特-鲍林)极限并且被认为是过渡金属合金可用的最大磁化强度。一般来说，机电装置的效率随着磁性材料的磁化强度的平方提升。因而，即便是磁化强度的很小提高对于诸如电动车辆和风能涡轮机之类的绿色技术也是特别有价值的。基于在20世纪90年代初期开发的能够对直径在1nm至5nm范围内的纳米粒子进行沉积的气相纳米粒子源，人们发现，直径不大于大约5nm的Fe、Co和Ni纳米粒子的每原子磁矩明显高于由相同材料形成的块状结构。有鉴于此，开发了将Fe和Co之一的纳米粒子嵌入在Fe和Co中另一个的基体中的磁性结构，这样的磁性结构的磁化强度超过Fe60Co40合金的磁化强度并且因而首次突破了Slater-Pauling极限。图1A示出了一个这样的磁性结构的形成。如图1A中所示，通过将来自团簇源16的Fe纳米粒子14以及来自分子束外延(MolecularBeamEpitaxy，MBE)源20的Co基体材料18共同沉积到基板12上来形成磁性结构10。共同沉积Fe纳米粒子和Co基体材料所形成的结构中，Fe纳米粒子贯穿分布并嵌入在Co基体中。根据一个替代性方式，Co纳米粒子贯穿分布并嵌入在Fe基体中的磁性结构通过对来自团簇源的Co纳米粒子和来自MBE源的Fe基体材料共同沉积来形成。在Co基体中包含Fe纳米粒子的结构和在Fe基体中包含Co纳米粒子的结构中的每一个结构的每原子磁矩如图1B中所示根据Fe体积分数变化。图1B还示出了Fe60Co40合金根据Fe体积分数的Slater-Pauling曲线。正如图1B中所示，在Fe基体中嵌入Co纳米粒子获得的最佳结果产生的值接近每原子3μB。在Fe体积分数更低的情况下，在Co基体中嵌入的Fe纳米粒子的每原子磁矩超过Slater-Pauling曲线所限定的对应值。出现改善的原因是，材料的基础构造块已经具有增强的磁化强度，还有基体自身的纳米结构具有增强的磁矩。更特别地，纳米结构中的表面或界面上的更大部分的原子(在当前所述的结构中接近50％)中每个这样的原子都具有增强的自旋和轨道矩。另一方面能够从图1B的曲线图的左边部分看出，磁化强度在Fe体积分数超过作为渗漏阈值的大约20％处降低到Slater-Pauling曲线以下。本专利技术人理解到，Fe纳米粒子在更高的Fe体积分数水平下的高水平聚集产生了相分离的宏观颗粒混合物，并且磁化强度因此降低到Co的磁矩(每原子1.7μB)和Fe的磁矩(每原子2.22μB)的加权平均数。这就是在图1B中看到磁化强度降低到Slater-Pauling曲线以下的原因。本专利技术人进一步理解到，通过在没有显著的聚集的情况下提供增大的纳米粒子的体积分数可以获得性能的提升。本专利技术按照上述理解进行设计。因而，本专利技术的一个目标是提供一种形成磁性结构的改进方法，该磁性结构包括磁性粒子并且尤其包括嵌入在基体中的磁性纳米粒子。本专利技术的另一目标是提供用于形成磁性结构的装置，该磁性结构包括磁性粒子并且尤其包括嵌入在基体中的磁性纳米粒子。本专利技术的又一目标是提供一种改进的磁性结构，该磁性结构包括磁性粒子并且尤其包括嵌入在基体中的磁性纳米粒子。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面提供了一种用于在基板上形成磁性结构的方法，该方法包括：将基体材料沉积到所述基板上以借此形成基体；以及在所述基体形成时将磁性粒子沉积到所述基体上以借此将所述磁性粒子嵌入到所述基体中，其中，每个磁性粒子包括至少部分覆盖有金属层的核心，所述基体材料和所述核心这两者中的至少一个为铁磁性材料，并且所述核心和所述金属层为不同材料。在使用中，沉积基体材料和磁性粒子以在基板上形成嵌入有磁性粒子的基体。基体材料和磁性粒子例如可以通过诸如分子束外延(MBE)源之类的基体材料源和诸如热气体聚集源之类的磁性粒子源同时工作而被同时沉积。借此可以形成磁性结构，其中，磁性粒子贯穿分布并嵌入在基体中。磁性结构通常形成为基板上的薄膜。使用与核心不同的材料组分对核心进行至少部分覆盖减小了粒子体积分数高于渗透阈值下的核心之间接触的可能性。磁性粒子的聚集因而减少，并且在由不存在金属层的磁性粒子形成的结构上观察到的磁化强度增大。该方法可以适用于将纳米粒子沉积到基体上。沉积磁性粒子的步骤因而可以包括沉积磁性纳米粒子。每个磁性粒子的直径基本不超过100nm、60nm、30nm、20nm、15nm或10nm。直径介于大约1nm和大约5nm之间的磁性纳米粒子的每原子磁矩明显高于相同材料形成的块状结构的每原子磁矩。每个磁性粒子的直径因而基本不超过5nm、4nm、3nm、2nm或1nm。每个磁性粒子的直径可以基本大于0.5nm、1nm、2nm、3nm或4nm。金属层的厚度可以基本不超过4nm、2nm、1nm、0.8nm、0.6nm、0.4nm或0.2nm。考虑到金属层与原子层相关的厚度，厚度可以介于1个原子层和10个原子层之间，例如10、8、6、4、2或1个原子层。例如，在核心的直径基本为5nm的情况下，金属层可以为单原子层厚，例如基本为0.2nm厚。金属层基本上可以覆盖核心。金属层的表面可以限定磁性粒子的外表面。基体材料的材料可以与金属层的材料相同。例如，每个磁性粒子可以包括至少部分覆盖有Co层的Fe核心，并且基体材料可以是Co。借助于进一步的示例，每个磁性粒子可以包括至少部分覆盖有Au层的Co核心，并且基体材料可以是Au。金属层与基体使用相同的材料可以有利于超磁应用(hipermagapplications)。使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在基板上形成磁性结构的方法，所述方法包括：将基体材料沉积到所述基板上以借此形成基体；以及在所述基体形成期间将磁性粒子沉积到所述基体上以借此将所述磁性粒子嵌入到所述基体中，其中，每个磁性粒子包括至少部分覆盖有金属层的核心，所述基体材料和所述核心这两者中的至少一个为铁磁性材料，并且所述核心和所述金属层为不同材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.09.17 GB 1216538.71.一种在基板上形成磁性结构的方法，所述方法包括：
将基体材料沉积到所述基板上以借此形成基体；以及
在所述基体形成期间将磁性粒子沉积到所述基体上以借此将所述磁性粒子
嵌入到所述基体中，其中，
每个磁性粒子包括至少部分覆盖有金属层的核心，所述基体材料和所述核
心这两者中的至少一个为铁磁性材料，并且所述核心和所述金属层为不同材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，沉积磁性粒子的步骤包括沉积磁性
纳米粒子。
3.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述基体材料的材料与所述
金属层的材料相同。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述基体材料为过渡金属和
稀土金属之一。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述基体材料为铁磁性过渡金属和
反磁性过渡金属之一。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，每个磁性粒子包括：由铁磁
性过渡金属形成的核心、以及铁磁性过渡金属层和反磁性过渡金属层之一。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，包括：在所述基体形成期间使磁性
粒子束撞击到所述基体上。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，包括：使基体材料的原子束撞击到
所述基板上。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，进一步包括：在每个磁性粒子的所
述核心上沉积所述金属层。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，每个磁性粒子包括遍布在
所述核心上的多层，所述多层由下列之一形成：彼此不同的材料；以及彼此相
同的材料。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，每个磁性粒子包括由过渡
金属形成的核心，所述核...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·戴维森·宾斯，克里斯托弗·罗宾·宾斯，
申请(专利权)人：纳米资源有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB