铁基磁性纳米材料的制备、性能及其在微电子领域的应用

发布时间：2020-06-13 19:44

【摘要】：随着纳米技术的发展,磁性纳米材料的相关制备与表征技术越来越成熟。目前,磁性纳米材料在微电子相关领域,如磁电传感器、高频薄膜电感、封装导热复合材料等领域均扮演着不可或缺的角色。但对于铁基FeCo以及非晶FeNiP纳米材料而言,其制备以及应用方面依旧存在着一些问题:制备方面,FeCo纳米立方体的形貌和尺寸的可控制备较为困难,并且FeCo纳米立方体的形成机制以及包覆剂的作用需要进一步的阐明;同时非晶FeNiP文献报道多为电沉积法制备的薄膜,对其纳米颗粒材料的化学制备研究较少,而且其服役的热稳定性需要进行详细地研究,例如在嵌入式薄膜电感领域,基板温度的变化势必对非晶FeNiP的结构和性能产生重大的影响。应用方面,目前磁电传感器所使用的磁性纳米填料复合薄膜的力学性能较差,灵敏度较低,有待进一步的提高;而目前用于导热封装或热界面材料领域的磁性纳米颗粒辅助定向导热填料结构,其定向性较差。同时在导热材料表面包覆超顺磁或者软磁的纳米颗粒会阻碍导热材料之间的直接接触,增加界面热阻。所以基于以上两方面原因,制备的聚合物复合薄膜的热导率较低,难以满足微电子封装领域的散热要求,因而亟需开发出具有高定向导热结构和高热导率的聚合物复合材料。本文从FeCo合金以及非晶FeNiP纳米材料的制备出发,探究了FeCo合金纳米颗粒的形貌及成分的可控制备方法,并对非晶FeNiP在一定温度下的晶化过程进行了详细地研究;随后,利用磁场下组装的方法制备了各向异性FeCo纳米链-PDMS复合膜;喷涂法制备了垂直定向的FeCo/hBN-PDMS复合薄膜,成功用于导热封装领域。首先,利用改良的水热合成方法,通过调节Fe2+/Co2+摩尔比、PEG-400和环己烷的含量以及反应温度与时间等参数,成功地实现了 FeCo纳米颗粒形貌(片状-立方体-球状颗粒-花状结构)和成分(17-84 at%)的可控制备。当Fe2+/Co2+摩尔比为3:1、PEG-400为2.752g、环己烷为0.32mL时,得到完美的FeCo纳米立方体结构,其中FeCo立方体具有立方结构,暴露面为{100}。结合实验现象,阐明了 PEG-400和环己烷对不同晶面生长速率的影响,并首次揭示了 FeCo纳米立方体的长大机制。当合成温度为160℃时,FeCo纳米立方体具有最大的饱和磁化强度250emu g-1,高于块体铁钴合金的最大饱和磁化强度(Fe70Co30-245emug-1)。为了深入了解非晶FeNiP的稳定性,利用化学还原的方法制备了粒径大小为70nm的非晶纳米颗粒。随后,利用DSC、SEM、XRD以及TEM研究了非晶FeNiP纳米材料在室温加热至800℃过程中的晶化现象,其晶化过程可以概括为:非晶FeNiP→Ni+FeNi3+Ni3P→Ni+(Ni,Fe)3[P04]2。不同温度烧结时的磁性能发生了较大的变化,研究表明磁性能的变化主要与混合物中的相种类以及各相的比例相关。在前期稳定合成粒径均匀的FeCo纳米立方体的基础上,利用磁场诱导组装技术成功地制备了含有各向异性FeCo纳米链的柔性PDMS复合薄膜。通过优化FeCo填料的质量分数以及外加磁场强度可以实现FeCo纳米链长度(200μm)和宽度(2μm)的可控制备,可达到的最大长宽比为150。原位观测到FeCo纳米链的组装机制为连接和粗化。复合薄膜沿平行或垂直于组装纳米链的方向上具有各向异性。在垂直于纳米链的方向上,加入1.0 wt%FeCo磁性填料的复合薄膜得到最高的拉伸强度为3.20MPa。同时建立裂纹扩展模型解释了复合薄膜在不同拉伸方向时的断裂机制。VSM测试表明,FeCo纳米链更容易在平行于纳米链的方向上被磁化。因而,通过控制制备过程,可以同步调节薄膜的力学和磁学各向异性。为了满足电子元器件的散热需求,考虑到hBN纳米片具有各向异性的导热性能,利用喷涂工艺以及磁场辅助定向的方法制备了含有FeCo/hBN垂直定向结构的复合薄膜。带正电的FeCo@PDDA与液相中剥离的BNNs通过强静电吸附的方式形成复合纳米材料,研究表明BNNs的{001}面吸附在FeCo纳米立方体的{100}面上,在外加磁场时,随磁性纳米颗粒发生定向转动,形成垂直定向结构。高密度、高垂直定向的FeCo/hBN择优导热结构的出现,有利于减少声子散射,解决了目前导热复合薄膜热导率较低的问题。当复合薄膜含有30wt%FeCo+50wt%BN时,其热导率高达2.25W m-1 K-1,是仅含有50wt%BN的复合薄膜热导率(0.33 W m-1 K-1)的将近7倍。同时,测试表明复合薄膜具有较好的柔韧性和较低的吸湿率。
【图文】：

第１章绪论米材料的单磁畴结构和矫顽力［１３］：块体磁性材料通常会形并分别具有能量以减小退磁能，进而使得其在平衡状态下当其尺寸减小到纳米尺度时，退磁能的减小己经比不上畴性纳米材料的平衡状态是没有畴壁的单磁畴结构。Ｆｒｅｎｋ预测出，当材料的尺寸减小到一定的尺寸时，就会出现料的矫顽力也与其粒径大小密切相关［１￣５］。随着颗粒尺会由多畴结构变成单畴状态，进而磁化转变成磁畴转动，力升高，同时在临界尺寸处能达到最大值［１Ｗ７］，如图１．２料的尺寸继续减小，直到超顺磁临界尺寸时，此时矫顽力近于零。逡逑

Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｏｎ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｍａｉｎ邋ｃｒｙｓｔａｌ邋ａｘｅｓ：邋（ａ）邋Ｆｅ邋ｓｉｎｇｌｅ邋ｃｒｙｓｔａｌ，邋（ｂ）逡逑Ｎｉ邋ｓｉｎｇｌｅ邋ｃｒｙｓｔａｌ，邋（ｃ）邋Ｃｏ邋ｓｉｎｇｌｅ邋ｃｒｙｓｔａｌ１２０１逡逑如图１．３（ａ）为沿Ｆｅ单晶体主要晶轴测定的磁化曲线［２Ｇ］。从该曲线可以看出，逡逑在Ｆｅ单晶体中存在易磁化、难磁化晶体学方向，其中＜１００＞的三个轴为易磁化逡逑轴。而如图１．３（ｂ）所示镍的易磁化方向则是沿着立方对角线。钻是六角对称的逡逑晶体，，因而它的易磁化方向就是六角对称轴，如图１．３（ｃ）所示。逡逑１．１．１铁基磁性纳米材料的制备方法逡逑磁性纳米材料自身不仅具备量子尺寸等特殊的效应，同时其粒径大小、形逡逑貌特征、表面状态和晶体结构等又会直接影响着材料的性能和应用。因而通过逡逑调节参数实现可控地制备出粒径大小均匀、形貌和晶体结构各异的磁性纳米材逡逑料一直是人们研究的重点。不难看出，磁性纳米材料的合成制备技术在其中起逡逑到决定性的作用［２｜］。逡逑简单地来说，磁性纳米材料的制备技术可以分做物理法和化学法。物理研逡逑磨法不仅仅需要高纯度的金属原材料，而且需要消耗大量能量用于均匀化反应逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1

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本文编号：2711650