科研进展

随着对高频和集成电子器件需求的增加，高频软磁材料已成为电子电力元件的关键材料，包括高频变压器和电感。在最新的集成电路封装技术中，嵌入式电感器的工作频率已超过100 MHz。这需要软磁材料在该频率以上保持稳定的磁导率，并具有高饱和磁化强度和足够高的电阻率。传统的软磁复合材料通常依赖微米级磁性颗粒，外包覆高电阻率材料如SiO₂或树脂，以提供电绝缘效果，从而降低高频交流磁场下的涡流损耗。然而，这种方法形成的绝缘层通常较厚（>100 nm），增加包覆剂含量可以增强绝缘效果，但这些厚绝缘层会阻碍粒子间磁交换耦合作用，显著降低饱和磁化强度。相反，软磁铁氧体具有高电阻率（高达10¹² μΩ·cm），且在GHz范围内保持稳定的磁导率，但其本质低的磁性（M_s<50 emu/g）限制了其在微型电感中的应用。因此，当前高频软磁材料面临的困境在于难以同时实现高饱和磁化强度与高电阻率，这一困境源于需要从根本上克服软磁材料中磁耦合与电绝缘的互斥关系。当前迫切需要开发新型高频软磁材料以实现高磁导率稳定性，高饱和磁化强度与高电阻率的统一，从而满足电子电力器件中对高频软磁材料的迫切需求。

近日，松山湖材料实验室汪卫华研究员、柯海波研究员和重庆师范大学余鹏教授团队共同合作，制备出一种具有“自隔离纳米链”结构的Fe/FeCo纳米链软磁复合材料，表现出超过1 GHz的磁导率稳定性、显著的饱和磁化强度（Fe: 149.2 emu/g; FeCo: 172.1 emu/g）与电阻率（Fe: 0.86 Ω·m; FeCo: 0.41 Ω·m）。此外，这种Fe/FeCo纳米链软磁复合材料在高频场合（1 MHz，20 mT）下表现出极低的磁芯损耗（Fe: 446.86 kW/m³; FeCo: 564.43 kW/m³）。

研究团队通过磁场辅助化学合成与原位氧化相结合的方法制备出具有“自隔离纳米链”结构的Fe/FeCo纳米链。化学还原的Fe/FeCo纳米颗粒自组装成链状结构，自发形成的高电阻率氧化物层提供电隔离，而无需传统的厚涂层。这种Fe基纳米链软磁复合材料可在低温低压下成型，大大简化了制备工艺。至关重要的是，这种自隔离结构将交变磁场下的主要涡流限制在颗粒内部，有效抑制涡流损耗，同时保留沿链轴的强颗粒间磁耦合（图1）。通过透射电子显微镜（TEM）可观察到这种Fe基纳米链表现出非晶态基底结构，并伴有少量的晶化行为。Fe基纳米链在自然条件形成的高电阻率氧化层（6-12nm）将Fe基纳米颗粒有效隔离（图2）。通过X射线光电子能谱（XPS）实验可以推断纳米链表面形成的氧化层主要成分为（Fe₃O₄和α-Fe₂O₃）。TG-DSC同步热分析实验表明，与无序团簇的Fe基纳米颗粒相比，结构规则统一的Fe基纳米链具有更高的热力学稳定性，其在485 ℃以下未有明显的氧化行为（图3）。电磁学性能测试表明，Fe/FeCo纳米链具有超过1 GHz的磁导率稳定性、显著的饱和磁化强度（Fe: 149.2 emu/g; FeCo: 172.1 emu/g）与电阻率（Fe: 0.86 Ω·m; FeCo: 0.41 Ω·m）。这种优异的性能组合超过绝大多数已报道的软磁材料。源于其独特的自隔离结构，这种Fe基纳米链软磁复合材料表现出极低的高频磁芯损耗（Fe: 446.86 kW/m³; FeCo: 564.43 kW/m³），显著低于商用的微米软磁复合材料（图4）。基于第一性原理的计算结果表明，Fe基非晶/晶体界面处的电荷重组可增强其自旋极化，从而增强材料的磁性能。非晶/晶体复合结构中单位体积的净磁矩分别比纯非晶结构和纯晶体结构高7.9%和9.5%（图5）。非晶态金属Fe与氧化物Fe界面处存在电荷迁移，从而形成界面电场，该电场会阻碍涡流穿过金属-氧化物界面。因此，这种Fe基自隔离纳米链结构表面的氧化层会将交变磁场下的主要涡流限制在Fe基纳米颗粒内部（图6），特别是在高频场合下会表现出显著的优势。

通过纳米链工程制备的自隔离Fe基纳米链软磁复合材料，为解决高频软磁材料中磁耦合与电绝缘之间的固有权衡提供了新见解与新路径，并为高频集成电子器件提供了新的候选材料。相关研究成果以“Overcoming the Trade-off Between Magnetic Coupling and Electrical Insulation in Soft Magnetic Materials via Nanochain Engineering”为题，于2025年12月16日在线发表在Advanced Scicence上。松山湖材料实验室非晶材料团队与重庆师范大学联合培养硕士研究生左定荣为论文第一作者，松山湖材料实验室柯海波研究员、周靖副研究员、澳大利亚卧龙岗大学程振祥教授和重庆师范大学余鹏教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金委项目、广东省人才项目和广东省基础与应用基础研究等项目的支持。