磁纳米材料和合成方法技术

一种磁纳米微粒（２２）、一种磁纳米材料（３０）、组合（３０）和用于合成纳米微粒的方法，涉及具有可调节的纵横比的热力学稳定和空气稳定的铁磁纳米微粒，该铁磁纳米微粒通过在反应气体和有机配合基中分解溶液中的有机金属原质制成。磁纳米材料包括具有均匀尺寸、形状和磁性取向的磁纳米微粒，该磁纳米微粒包括在室温和／或工作温度下是铁磁的磁芯（２４、３４），和封装磁芯的非磁基质（２６、３６）。该磁纳米材料可以用于高频集成电路应用中，诸如用于无线便携式电子设备，用以在多种无源和有缘器件中增强磁场约束和改善ＭＨｚ和ＧＨｚ频率下的无源元件性能，诸如变压器、片上信号隔离装置、电感器等。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及磁纳米微粒和合成磁纳米微粒的方法。更具体地，本专利技术涉及通过分解有机金属原质(precursor)制成的铁磁纳米微粒，用于，例如高密度信息存储介质、发光二极管、诸如变压器、片上信号隔离装置、电感器等等的无源元件，用以改善无源元件在高频集成电路应用中的性能。
技术介绍
在高频集成电路应用中，诸如用于无线便携式电子设备，存在对小型化、较强的功能、较高的性能和较低的功耗的需要，这可以通过在集成电路中集成诸如电感器和变压器的无源元件来实现。集成电路上无源元件的集成的缺乏导致在典型的电子系统中无源-有源元件比高达100∶1。然而，当前的无源元件，在同有源元件集成在集成电路上时消耗了巨大的硅片面积，使得它们的集成通常是不经济的。因此，开发了方法用以减小无源元件在集成电路上所占用的空间。一种在集成电路中减小电感器面积的方法是通过集成磁材料，例如具有较高磁导率的材料。该方法的目标是通过利用增加的高磁导率材料的电磁能量存储容量来增加单位面积的电感。相应的电感器的尺寸的减小通过减小串联电阻和寄生电容实现了增强的性能(较高的Q值)。在变压器中，相同的材料属性实现了增加的耦合系数，因此增加了变压器中的能量转换，同时也通过将电磁场线约束在磁材料中而实现了较小的面积，因此实现了增加了的器件包装密度。传统的用于获得该无源器件改进的方法是使用无定形的或者晶体的固体薄膜磁材料，诸如在EP0716433中公布的。然而，在高频应用中，例如高MHz或者低GHz的频率，由于涡电流损耗和亏损铁磁共振(FMR)，诸如此类的方法具有性能的局限。克服这些相关的缺点的尝试是使磁纳米微粒空间隔离和电气绝缘，磁纳米微粒即纳米尺寸的微粒，使得该材料在器件工作温度下是铁磁的，并且优选地由单磁畴组成。由于涡电流损耗可以抑制并且FMR衰减延伸到较高的频率，因此磁纳米微粒实现了MHz-GHz范围中单位面积上电感密度的增加。然而，重要的是，复合磁纳米微粒材料具有诸如磁导率(μ)(即大于1)和对应损耗(μ”)的性质，使得(磁导率)/(损耗)的商在所讨论的MHz-GHz的频率范围内为，例如大于5。有几种方法试图产生具有某些上述性质的纳米微粒，并且通常在三个类别中物理方法、模板方法和化学方法。物理方法，诸如溅射和外延(各自参看，例如Y.M.Kim等人，IEEETrans.On Magn.vol.37，no.4，2001和M.Dumm等人，Journal of AppliedPhysics(应用物理学报)vol.87，no.9，2000)，产生薄层。然而，两种方法产生的高磁导率膜仅上达约500MHz并且为了最小化涡电流损耗通常不能厚于2-3微米。然而，该性能对于增加无源器件所需的有效磁场约束而言，不是令人满意的。模板方法，诸如由Cao，H.，Xu，Z.，Sang，H.，Sheng，D.，Tie，C.Adv.Mater.2001，vol.13，p.121所描述的，在无机或者径迹蚀刻(track-etched)有机基质的通道中，通常电化学地生长纳米棒或者纳米线。该方法的主要缺陷来源于在产生副产品(该副产品通常干扰纳米微粒)的微粒形成过程之后对有机或者无机基质的破坏。这导致了相比于大块金属的饱和磁化的下降，并且还可能阻止了高密度材料的形成。化学方法，类似于羰基原质的化学还原或者分解，诸如由Sun，S.Murray，C.B.J.Appl.Phys.1999，vol.85，p.4325或者由Alivisatos，P.Puntes，V.F.Krishnan，K.M.Appl.Phys.Lett.2001，vol.78，P.2187所描述的，涉及溶液中的纳米微粒的合成。该化学方法，并且更具体地，Sun等人的方法，导致了来自羰基钴原质的自组单分散球状钴微粒的产生，用于高密度记录。然而，由于它们小的尺寸，该微粒在室温下保持超顺磁性，并且因此将不会产生如高磁导率材料所获得的所需磁场约束。由相同的作者在Sun，S.Murray，C.B.Wller，D.Folks，L.Moser，A.Science 2000，vol.287，p1989中公开了附加的工作，产生铁-铂(Fe/Pt)微粒用以增加材料的各向异性。然而，与上面相似，材料中微粒的小的尺寸使得它们是超顺磁性的，因此不能用于磁场约束。在Puntes，V.F.Krishnan，K.M.Alivisatos，A.P.Science 2001，vol.291，p.2115中，通过使用油酸和三辛基氧化膦(TOPO)的混合物从羰基钴原质制造了钴纳米棒。然而这需要高温工艺，例如，约300℃。而且，以这种方法获得的纳米棒不是热力学稳定的并且典型地在反应的开始数秒内自发地再配置成球状纳米微粒。近来也报道了铁和镍纳米棒，其通过在诸如TOPO和十六烷基伯胺(HDA)中各自分解Fe(CO)5(Park，S.-J.；Kim，S.；Lee，S.；Khim，Z.G.；Char，K.；Hyeon，T.J.Am.Chem.Soc.2000，vol.122，p.8581)和Ni(COD)2(N.Cordente，C.Amiens，F.Senocq，M.Respaud和B.Chaudret，Nano Letters 2001，1(10)，p.565)形成。这两种材料不是均质的(微粒不呈现相同的形状)。而且，这些微粒在室温下是超顺磁性的并且因此不适用于磁场约束。因此，存在对包括磁纳米微粒的磁材料的需要，该磁纳米微粒在室温和/或上达例如约105℃的工作温度下是铁磁的，并且具有均匀的尺寸、形状和磁性取向。而且，存在对制造该磁纳米微粒方法的需要，封装在非磁基质中的该磁纳米微粒是热力学稳定的并且具有可调节的纵横比，使得此最终的磁纳米微粒材料可以用于高频集成电路应用中，诸如用于无线便携式电子设备，用以在多种无源和有源器件中增强磁场约束。
技术实现思路
根据本专利技术，提供了如权利要求1所要求的磁纳米微粒，如权利要求12所要求的磁纳米材料，以及如权利要求14中所要求的用于合成磁纳米微粒的方法。附图说明现将更加全面地描述本专利技术的实施例，例如，通过参考附图，其中图1示出了根据本专利技术的实施例制备磁纳米微粒的方法；图2示出了根据本专利技术的实施例的具有沿优选轴(例如C轴)的生长校准线的磁纳米微粒的高分辨率透射式电子显微镜照片(HRTEM)；图3示出了根据本专利技术的实施例的高密度、自组磁纳米微粒的透射式电子显微镜照片(TEM)；图4示出了根据本专利技术的实施例，根据2和300K之间的、在约10G的弱磁场下的零场冷却/场冷却工艺(ZFC/FC)的磁化测量曲线，其中针对由化学微量分析所确定的样品中的钴含量对磁化值进行归一化；图5示出了根据本专利技术的实施例，在+5和-5T之间的300K下的磁纳米微粒的磁滞回线，其中针对由化学微量分析所确定的样品中的钴含量对磁化值进行归一化；图6示出了根据本专利技术的实施例，具有可调节纵横比的热力学稳定的磁纳米微粒的示意图。具体实施例方式在高频集成电路应用中，诸如用于无线便携式电子设备，可以通过集成磁纳米微粒材料来改善诸如电感器和变压器的无源元件，以及用于信号隔离的结构。根据本专利技术的实施例的一种具体的方法是使用包括基质材料的复合材料，该基质材料包括具有饱和磁化(Ms)和各向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热力学稳定的磁纳米微粒（２２），包括：磁芯（２４、３４），该磁芯在室温／工作温度下是铁磁的；和非磁成份（２６、３６），该非磁成份（２６、３６）封装磁芯用以使磁纳米微粒电绝缘并且保护磁纳米微粒防止大气污染物，所述磁纳米微粒具有预先确定的可调节的纵横比并且具有适用于ＭＨｚ－ＧＨｚ范围频率的磁导率和铁磁共振。

【技术特征摘要】
EP 2002-2-25 02290455.11.一种热力学稳定的磁纳米微粒(22)，包括磁芯(24、34)，该磁芯在室温/工作温度下是铁磁的；和非磁成份(26、36)，该非磁成份(26、36)封装磁芯用以使磁纳米微粒电绝缘并且保护磁纳米微粒防止大气污染物，所述磁纳米微粒具有预先确定的可调节的纵横比并且具有适用于MHz-GHz范围频率的磁导率和铁磁共振。2.如权利要求1所述的热力学稳定的磁纳米微粒(22)，其中所述磁芯(24、34)包括铁磁元素，该铁磁元素选自包括Fe、Co和Ni的组中。3.如权利要求1所述的热力学稳定的磁纳米微粒(22)，其中所述磁芯(24、34)包括铁磁元素的二元合金或者三元合金，该铁磁元素选自包括Fe、Co和Ni的组中。4.如前面任何一项权利要求所述的热力学稳定的磁纳米微粒(22)，其中所述磁芯(24、34)包括单磁畴。5.如前面任何一项权利要求所述的热力学稳定的磁纳米微粒(22)，其中所述磁纳米微粒具有在约2到600nm范围内的直径(28、38)和长度(29、39)。6.如权利要求5所述的热力学稳定的磁纳米微粒(22)，其中所述磁芯(24、34)的晶体结构是六边形封闭包装的。7.如权利要求5所述的热力学稳定的磁纳米微粒(22)，其中所述磁芯(24、34)的晶体结构是体中心立方体。8.如权利要求5所述的热力学稳定的磁纳米微粒(22)，其中所述磁芯(24、34)的晶体结构是面中心立方体。9.如前面任何一项权利要求所述的热力学稳定的磁纳米微粒(22)，其中封装磁芯(24、34)的所述非磁成份(26、36)是有机配合基。10.如权利要求9所述的热力学稳定的磁纳米微粒(22)，其中所述有机配合基是胺和羧酸的组合物。11.如权利要求9或10所述的热力学稳定的磁纳米微粒(22)，其中所述有机配合基是油胺和油酸的组合物。12.一种磁纳米材料(30)，包括前面任何权利要求所述的热力学稳定的磁纳米微粒(22)的组合。13.如权利要求12所述的磁纳米材料(30)，其中每个磁纳米微粒(22)具有纳米微粒彼此对准的各向异性轴。14.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：菲利普雷诺，弗雷德里克迪梅斯特，布律诺肖德雷，马里克莱尔弗罗门，马里若泽卡萨诺夫，彼得泽克，罗朗德斯顿夫，卡特琳阿米安，
申请(专利权)人：飞思卡尔半导体公司，法国国家科学研究中心，
类型：发明
国别省市：US[美国]