使用化学气相沉积或液相外延来形成铁氮化物硬磁性材料制造技术

本公开描述了包括α″‑Fe16N2的硬磁性材料以及用于使用化学气相沉积或液相外延来形成包括α″‑Fe16N2的硬磁性材料的技术。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用化学气相沉积或液相外延来形成铁氮化物硬磁性材料相关申请的引用本申请要求于2014年8月8日提交的美国临时专利申请号62/035,245的优先权，其全部内容以参考方式结合于本文。
本公开涉及硬磁性材料和用于形成硬磁性材料的技术。
技术介绍
永磁铁在许多机电系统中发挥作用，包括例如替代能源系统。例如，永磁铁用于电动机或发电机，其可以用于车辆、风力涡轮机、和其它替代能源机制。目前使用的许多永磁铁包括稀土元素，如钕，其导致高磁能积(highmagneticenergyproduct)。这些稀土元素是相对供应短缺的，并且可能面临在未来价格上涨和/或供应短缺。另外，包括稀土元素的一些永磁铁的生产是昂贵的。例如，NdFeB和铁氧体磁铁的制造通常包括粉碎材料、压缩材料、以及在高于1000℃的温度下烧结，所有这些都造成了磁体的高制造成本。另外，稀土的开采可导致严重的环境恶化。
技术实现思路
本公开描述了包括α″-Fe16N2的硬磁性材料以及使用化学气相沉积(CVD)或液相外延(LPE)来形成包括α″-Fe16N2的硬磁性材料的技术。因为Fe16N2具有高饱和磁化强度(highsaturationmagnetization)、高磁各向异性常数和高磁能积，因此包括α″-Fe16N2的硬磁性材料可提供包括稀土元素的永磁铁的替代。在一些实施例中，本公开描述了一种方法，包括加热铁源以形成包含含铁化合物的蒸汽；在基底(substrate)上由包含含铁化合物的蒸汽沉积铁和由包含含氮化合物的蒸汽沉积氮以形成包含铁和氮的层；以及退火包含铁和氮的层以形成至少一些包含α″-Fe16N2的晶体。在一些实施例中，本公开描述了一种方法，包括将基底浸没在包含含氮溶剂和铁源的涂覆溶液中。可以在高于待沉积自涂覆溶液的铁-氮混合物的液相线温度的第一温度下，用铁源使涂覆溶液饱和。该方法还可以包括将基底浸没在涂覆溶液中并将涂覆溶液冷却到第二温度以形成过饱和涂覆溶液。第二温度可以低于铁-氮混合物的液相线温度。该方法另外可以包括将基底保持在过饱和涂覆溶液中以允许包含铁和氮的涂层形成在基底上，以及退火包含铁和氮的涂层以形成至少一些包含α″-Fe16N2的晶体。在一些实施例中，本公开描述了一种制品，其包括基底和在基底上的包含α″-Fe16N2的层，其中使用CVD或LPE的至少一种来形成该层。在一些实施例中，本公开描述了一种系统，用于实施CVD或LPE的至少一种以形成制品，该制品包括基底和在基底上的包含α″-Fe16N2的层。在一些实施例中，本公开描述了一种工件，其包含至少一个包括α″-Fe16N2的相域(相畴，phasedomain)，其中使用CVD或LPE的至少一种来形成至少一个相域。在一些实施例中，本公开描述了一种制品，其包含多个工件。多个工件的至少一个工件包括至少一个工件包括包含α″-Fe16N2的至少一个相域，并且使用CVD或LPE的至少一种来形成至少一个相域。在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施例的详细情况。通过描述和附图，以及通过权利要求，其他特点、目的、和优点将是显而易见的。附图说明当连同附图一起阅读时，将进一步理解
技术实现思路
、以及下面的详细描述。为了说明本公开的目的，在附图中示出实施例；然而，本公开不限于所公开的具体技术、组合物、和装置。此外，不必按比例绘制附图。图1是示出了用于形成包括α″-Fe16N2的硬磁性材料的示例性化学气相沉积系统的概念和示意图。图2是铁氮化物相图。图3是示出了α″-Fe16N2晶胞概念图。图4是示出了具有铁或铁氮化物(例如，Fe8N)域和α″-Fe16N2域的材料的概念图。图5是示出了用于形成包括α″-Fe16N2的硬磁性材料的示例性化学气相沉积系统的概念和示意图。图6是示出了使用LPE在基底上形成包括α″-Fe16N2的涂层的示例性系统的概念和示意图。图7是铁-氮固-液相图。具体实施方式通过参考以下的详细描述并连同附图和实施例(其形成本公开的一部分)一起，可以更容易地理解本公开。应当理解的是，本公开不限于本文描述和/或显示的具体装置、方法、应用、条件或参数，并且本文使用的术语是为了描述特定实施例的目的而不旨在限制权利要求。当表示数值范围时，另一个实例包括从一个特定值和/或到其它特定值。类似地，当，通过使用先行词“约”，将值表示为近似值时，应当理解的是，特定值形成另一个实施例。所有范围是包容性和可组合的。此外，提到在一定范围内陈述的值包括在上述范围内的每个值。如在本文中所使用的，术语“包含”的使用还应该支持采用术语“由...组成”和“基本上由...组成”的其它实施方式。应当理解的是，为清楚起见本文在单独的实施例的上下文中描述的本公开的某些特征还可以组合地提供在单一实施例中。相反，为简便起见在单一实施例的上下文中描述的本公开的各种特征还可以分开地或以任何子组合地加以提供。本公开描述了包括α″-Fe16N2的硬磁性材料以及使用化学气相沉积(CVD)或液相外延(LPE)来形成包括α″-Fe16N2的硬磁性材料的技术。由于Fe16N2具有高饱和磁化强度、高磁各向异性常数、和高磁能积，因此包括α″-Fe16N2的硬磁性材料可提供包括稀土元素的永磁铁的替代。在一些实施例中，包括α″-Fe16N2的硬磁性材料可以具有工件的形式，其包含至少一个包含α″-Fe16N2的相域。工件可以包括，例如，粒料、棒、薄膜、纳米颗粒、粉、或纳米粉。在一些实施例中，包括α″-Fe16N2的硬磁性材料可以是包括多个工件的制品的形式。多个工件的至少一个工件可以包括至少一个包含α″-Fe16N2的相域。该制品可以包括，例如，电动机、发电机、传感器、驱动器、机动车辆的部件、或风力涡轮机的部件。用于形成包括α″-Fe16N2的硬磁性材料的技术可以包括CVD或LPE。这些技术的任何一种可以用来在基底上沉积包括含有α″-Fe16N2的至少一层的薄膜。在一些实施例中，基底可以包括半导体，如硅、GaAs、InGaAs等。在其它实施例中，基底可以包括另一种材料，如玻璃、高温聚合物、SiC、MgO、SiO2(例如，Si或其它半导体基底上的SiO2层)、SiN、SiAlC、TiN等。化学气相沉积可以允许将包括α″-Fe16N2的硬磁性材料结合到半导体器件中以及将α″-Fe16N2的形成结合到半导体工艺。例如，可以将包括α″-Fe16N2的硬磁性材料结合到磁随机存取存储器(MRAM)、磁性逻辑器件、磁存储器件、磁微机电系统(MEMS)、微型电动机、微驱动器、纳米电动机、纳米驱动器等。图1是示出了用于形成包括α″-Fe16N2的硬磁性材料的示例性化学气相沉积系统10的概念和示意图。系统10包括化学气相沉积(CVD)室12，其可以围绕接受器14。由接受器14来保持基底16，以及在至少一部分的基底16上形成涂层18。CVD室12可以包括，例如。石英或另一种耐火材料。在一些实施例中，CVD室12可以形成自对于射频(RF)磁能基本上透明的材料。在一些实施例中，CVD室12至少部分地被RF感应线圈20包围。RF感应线圈20可以电连接至RF源(在图1中未示出)，其导致在RF处的交流电流流经RF感应线圈20。在一些实施例中，通过接受器14可以吸收由RF感应线圈20生成的RF磁场，其将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：加热铁源以形成包含含铁化合物的蒸汽；在基底上由包含所述含铁化合物的蒸汽沉积铁和由包含含氮化合物的蒸汽沉积氮，以形成包含铁和氮的层；以及退火所述包含铁和氮的层以形成至少一些包含α″‑Fe16N2的晶体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.08 US 62/035,2451.一种方法，包括：加热铁源以形成包含含铁化合物的蒸汽；在基底上由包含所述含铁化合物的蒸汽沉积铁和由包含含氮化合物的蒸汽沉积氮，以形成包含铁和氮的层；以及退火所述包含铁和氮的层以形成至少一些包含α″-Fe16N2的晶体。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铁源包含固体铁。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述固体铁包含铁粉或铁膜的至少一种。4.根据权利要求1所述的方法，其中，铁源包含固体铁前体。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述固体铁前体包含Fe2O3粉或Fe2O4粉的至少一种。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铁源包含液态铁前体。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述液态铁前体包含FeCl3或Fe(CO)5的至少一种。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，通过加热脲以形成脲蒸汽来形成所述包含含氮化合物的蒸汽。9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，通过加热酰胺或肼的至少一种以形成包含氮的蒸汽来形成所述包含含氮化合物的蒸汽。10.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述包含含氮化合物的蒸汽包含NH3蒸汽。11.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述包含含氮化合物的蒸汽包含使用等离子体由双原子氮形成的原子氮。12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，进一步包括加热所述包含含铁化合物的蒸汽和所述包含含氮化合物的蒸汽以分解所述包含含铁化合物的蒸汽和所述包含含氮化合物的蒸汽，从而形成沉积在所述基底上的原子氮和原子铁。13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，进一步包括将所述基底加热至高于所述包含含铁化合物的蒸汽和所述包含含氮化合物的蒸汽的至少一种的分解温度。14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中退火所述包含铁和氮的层以形成至少一些包含α″-Fe16N2的晶体包括在约100℃和约220℃之间的温度下加热所述层约5小时和80小时之间。15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述基底包含硅、GaAs、SiC、InGaAs、MgO、SiO2、SiN、SiAlC、TiN、高温聚合物或玻...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建平，姜岩峰，
申请(专利权)人：明尼苏达大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US