钴铁合金在磁电容中的应用、磁电容单元、磁电容器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种钴铁合金在磁电容中的应用，所述应用是指以钴铁合金为靶材通过磁控溅射镀膜形成多层纳米级磁性膜，作为磁电容两电极之间的磁导电层；所述钴铁合金中，钴和铁的原子比例为6.5～7.2:3.5～2.8。本发明专利技术还公开了一种磁电容单元以及磁电容器件。本发明专利技术以原子比例为6.5～7.2：3.5～2.8的钴铁合金为靶材，结合磁控溅射镀膜技术，制得的多层纳米级薄膜磁化一次就能保持良好磁性，而且在高温下也能保有良好磁性，用于半导体磁能存储电容器中，一次激活就可存储大量的电能，可用于开发无须往复充电的无源磁能超级电容器。

Application of Cobalt-Iron Alloy in Magneto-Capacitance, Magneto-Capacitance Unit, Magneto-Capacitor Components and Their Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
钴铁合金在磁电容中的应用、磁电容单元、磁电容器件及其制备方法本专利技术申请要求名称为“一种钴铁合金靶材、磁导电层、磁电容单元、磁能芯片及其制备方法”，申请日是2019年03月11日，申请号是2019101791101的专利技术，作为本专利技术中钴铁合金在磁电容中的应用、磁电容单元、磁电容器件及其制备方法的优先权。
本专利技术属于电容器
，涉及钴铁合金在磁电容中的应用、磁电容单元、磁电容器件及其制备方法。
技术介绍
现代社会中，能源存储部件随处可见，例如电路中的电容以及用于可携带式装置的电池类的组件，然而，现有的能源存储部件存在一些问题，例如：电容原件会因为漏电流而降低整体效能，而电池则因为部分充/放电的记忆效应而降低整体效能的问题。巨磁效应(GMR)是一种能够在具有薄磁性或薄非磁性区的结构中所观测到的量子物理效应。巨磁阻效应显现出了电阻对外加电场产生的反应，从零场高阻抗状态至高场低阻抗状态时的显著变化。申请号200710151597.X、专利技术名称为电能储存装置及方法的中国专利公开了一种利用巨磁效应存储电能的装置，电能储存装置在储存电能的过程中需要藕接电源，充电过程较为复杂，因为如果按照充电的概念，以3000mAh的手机为例，折合成能量为3000mAh×3.75V＝11.25Wh，其实际使用时间不到10小时，一般白领每天使用手机时间长达15小时，因此，每天必须为手机充电，或者携带“充电宝”备用能源电池，非常不方便。鉴于此，本申请人于2017公开了一种磁能芯片储存电能的方法(专利申请号2017208864449.1)，通过激活设备激活磁电容，磁电容在直流电场的激励下，两个磁性区的磁性薄膜中的磁极子会发生移动，在磁电容中形成电场，磁能芯片中的存储的主要能量来源于磁电容内部的磁电转换，而非外部能源，这一激活过程在短时间内就可以完成，激活完成后的磁电容量测可输出的能量要远大于激活设备的输入能量。该方案可解决上述电能储存装置存在的充电问题，以及不适用于批量化生产问题。但是该方案是以多个串联或并联的半导体磁电容为基础的，而半导体磁电容的巨磁因子(GMC)的高低将直接影响该方案的效果，GMC达到10的11次方时将具有较佳的效果。但是限于电极材料、磁性薄膜材料以及电容结构的限制，现有的半导体磁电容的GMC通常为10的4～5次方，很难满足要求。为实现上述方案的推广及商用，急需开发出可以适用的GMC高的磁电容。半导体磁电容的GMC往往取决于磁性薄膜材料，因此探索适合的磁性薄膜材料至关重要。钴是磁化一次就能保持良好磁性的少数金属材料之一，居里点(失去磁性的温度)高达1150℃。含有60％左右钴的磁性钢比一般磁性钢的矫顽磁力提高2.5倍以上。在外力振动下，一般磁性钢要失去差不多1/3的磁性，而钴钢仅失去2％-3.5％的磁性。钴在高性能磁性材料上的优势就明显高于铁氧体磁性材料和石墨烯，因此钴材料有望在无源半导体磁电容中应用以实现上述方案的推广及应用。但是现阶段只有美国军方在研究无源半导体磁电容这一课题，到实际应用仍存在较多的技术问题，现有技术中还没有采用钴材料包括各种合金材料来制作半导体磁电容中的磁性薄膜材料的报道，而实际上申请人也经过了无数次的尝试，采用钴材料制备磁性薄膜材料来实现上述方案，但是进行电容检测时往往检测不到电容的容量，而现有技术中有关无源半导体磁电容的可参考借鉴的技术和经验也几乎没有。
技术实现思路
针对现有技术中还没有采用钴材料来制作半导体磁电容中的磁性薄膜材料的报道，本专利技术的第一目的在于提供一种钴铁合金在磁电容中的应用，其特征在于，所述应用是指以钴铁合金为靶材通过磁控溅射镀膜形成多层纳米级磁性膜，作为磁电容两电极之间的磁导电层；所述钴铁合金中，钴和铁的原子比例为6.5～7.2:3.5～2.8。较佳的，所述钴铁合金中，钴和铁的原子比例为7:3。较佳的，所述钴铁合金纯度≥95％。采用上述钴铁合金，结合磁控溅射镀膜技术沉积形成的多层纳米级磁性膜具有异常优异的巨磁效应，磁化一次就能保持良好磁性，可有效发挥钴铁材料优异的磁性性能，进一步应用在磁电容中，可制得巨磁因子高达10的9～12次方的超级半导体磁电容，一次激活就可存储大量的电能，为开发无须往复充电的无源磁能超级电容器打下基础，可作为目前所有用碳材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料以及复合材料制作的超级电容器的替代品，是引导未来一场能源存储材料新技术革命。本专利技术的第二目的在于提供一种磁电容单元，其特征在于，其由上到下依次包括：顶电极层/磁导电层/绝缘层/磁导电层/底电极层，所述磁导电层由多层纳米级磁性膜层叠组成，所述多层纳米级磁性膜包括若干钴铁沉积膜；所述钴铁沉积膜中，钴和铁的原子比例为6.5～7.2:3.5～2.8优选7:3。较佳的，所述钴铁沉积膜可以钴铁合金为靶材通过磁控溅射镀膜而成。在磁控溅射镀膜时，采用钴和铁的原子比例为6.5～7.2:3.5～2.8优选7:3的钴铁合金靶材即可。本专利技术磁电容单元的各层材料尤其是磁导电层中，其中每一层磁性膜的厚度均为纳米结构，为保证产品的均匀性及成品率，在材料沉积过程中精确控制每一层的厚度尤为关键。较佳的，所述钴铁沉积膜的厚度为5～25nm。较佳的，所述顶电极层和所述底电极层由多层纳米级的Ru沉积膜和Ta沉积膜交替层叠组成；所述顶电极层和所述底电极层相互对称磁极相反。Ru和Ta是制作电容器的关键材料，Ru常作为电容的阳极材料，Ta常作为阴极材料，但现有技术中未检索到两者交替层叠的方案。而本专利技术创造性地采用Ru和Ta交替覆膜的方式作为电极，结合钴铁磁性薄膜材料，成功制得无源半导体磁电容，而且上述电极的交替覆膜的结构特征，有效提高了半导体磁电容器的存储效率，而且电极寿命得到有效延长。较佳的，所述顶电极层和所述底电极层的沉积膜层数为6～12的偶数层，进一步优选8层。较佳的，Ru沉积膜的厚度为5～30nm，优选10～20nm，更优选15nm。较佳的，Ta沉积膜的厚度为2～10nm，优选4～6nm，更优选5nm。较佳的，所述绝缘层为氧化硅或氧化镁。较佳的，所述绝缘层的厚度为30～70nm，优选40～60nm，更优选50nm。本专利技术的一些较佳实施例的所述磁电容单元中，各层组成及厚度如下：进一步优选的，各层组成及厚度如下：较佳的，所述磁电容单元长为1.0～2.0μm，宽为0.5～1.0μm。进一步优选的尺寸长1.0～1.6μm，宽为0.5～0.8μm。更进一步优选的尺寸为1.6μm*0.55μm。本专利技术的一些实施例中，所述多层纳米级磁性膜还包括若干TaO沉积膜。较佳的，所述TaO沉积膜可以TaO为靶材通过磁控溅射镀膜沉积而成。本专利技术的一些实施例中，所述多层纳米级磁性膜还包括若干CoFeB沉积膜。较佳的，所述CoFeB沉积膜可以CoFeB为靶材通过磁控溅射镀膜沉积而成。本专利技术的第三目的在于提供另一种磁电容单元，其特征在于，其由上到下依次包括：顶电极层/磁导电层/绝缘层/磁导电层/底电极层，所述磁导电层由多层纳米级磁性膜组成，所述多层纳米级磁性膜包括若干CoFeB沉积膜。其中，所述CoFeB沉积膜也可以CoFeB为靶材通过磁控溅射镀膜沉积而成。所述顶电极层、绝缘层和底电极层可如前所述。本专利技术的第四目的在于提供一种磁电容器件，其特征在于，其包括S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钴铁合金在磁电容中的应用，其特征在于，所述应用是指以钴铁合金为靶材通过磁控溅射镀膜形成多层纳米级磁性膜，作为磁电容两电极之间的磁导电层；所述钴铁合金中，钴和铁的原子比例为6.5～7.2:3.5～2.8。

【技术特征摘要】
2019.03.11 CN 20191017911011.一种钴铁合金在磁电容中的应用，其特征在于，所述应用是指以钴铁合金为靶材通过磁控溅射镀膜形成多层纳米级磁性膜，作为磁电容两电极之间的磁导电层；所述钴铁合金中，钴和铁的原子比例为6.5～7.2:3.5～2.8。2.一种磁电容单元，其特征在于，其由上到下依次包括：顶电极层/磁导电层/绝缘层/磁导电层/底电极层，所述磁导电层由多层纳米级磁性膜层叠组成，所述多层纳米级磁性膜包括若干钴铁沉积膜；所述钴铁沉积膜中，钴和铁的原子比例为6.5～7.2:3.5～2.8。3.如权利要求2所述的磁电容单元，其特征在于，所述钴铁沉积膜中，钴和铁的原子比例为7:3。4.如权利要求2所述的磁电容单元，其特征在于，所述钴铁沉积膜的厚度为5～25nm。5.如权利要求2所述的磁电容单元，其特征在于，所述顶电极层和所述底电极层由多层纳米级的Ru沉积膜和Ta沉积膜交替层叠组成；所述顶电极层和所述底电极层相互对称磁极相反。6.如权利要求2所述的磁电容单元，其特征在于，所述绝缘层为氧化硅或氧化镁。7.如权利要求2所述的磁电容单元，其特征在于，各层组成及厚度如下：...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱广琼，燕俊羽，高湛勋，
申请(专利权)人：朱广琼，燕俊羽，高湛勋，
类型：发明
国别省市：上海,31