近日，Nature Communications在线刊登了杭州电子科技大学材料与环境工程学院张雪峰教授团队的研究论文“Vortex-Based Soft Magnetic Composite with Ultrastable Permeability up to Gigahertz Frequencies”（链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46650-9）。该工作利用具有涡旋磁结构的软磁颗粒构造复合材料，消除传统磁性材料中的畴壁共振，获得了非常稳定的磁导率频谱特性，有望在集成磁器件中实现应用。
软磁材料具有一定的磁导率，可以在外场激励下产生交变磁通，是电感器、变压器等功率电子器件的基础材料。随着“more-than Moore”集成电路封装技术的发展，工作频率在100MHz以上的PCB集成电感已开始采用，这就对在此频率下拥有稳定磁导率的软磁材料提出了新的需求。传统铁氧体材料虽然磁导率可以在很高频率稳定，但是其饱和磁化强度和居里温度都很低，不利于电感集成。
在该研究中，研究团队制备出一种具有高磁导率频率稳定性的软磁复合材料。这种复合材料由具有磁涡旋结构的超细FeSiAl磁粉通过冷烧结工艺制备，磁粉之间磁绝缘，并且通过Al2SiO5/SiO2/Fe2(MoO4)3界面层共价结合。这种独特的磁结构和界面结构，可以使复合材料即使在1GHz仍然能够保持13的磁导率，105 Am2/kg的饱和磁化强度以及48A/m的低矫顽力。通过洛伦兹透射电镜和微磁学模拟进一步证明是复合材料中的均匀分布的磁涡旋结构诱导了这些优异的磁性能。同时，由于颗粒间绝缘层的外延生长，复合材料的抗压强度也提高到337.1MPa。该工作首次报道了三维磁涡旋结构的高频磁性能，满足了集成电感对高频软磁材料的迫切需求。
图1 所开发的复合材料的纤维结构和磁结构
图2（a-b）颗粒尺寸、磁结构、矫顽力之间的关系（c-d）相互接触和隔离的磁涡旋结构的磁滞回线（e-f）相互隔离与相互接触的颗粒的显微图片（g）独立的磁涡旋结构与相互接触的磁涡旋结构的DPC图像
图3（a-c）基于磁涡旋结构的软磁复合材料具有高达GHz的磁导率稳定性（d-e）基于磁涡旋结构的软磁复合材料磁性能和文献报道材料的对比（f）基于磁涡旋复合材料制备的高频电感性能
图4（a）不同冷烧结工艺和配方制备的复合材料的抗压曲线（b）冷烧结过程中的压缩曲线