CN105263856A - 磁性结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在基板(44)上形成磁性结构的方法和装置，还涉及一种通过这样的方法和装置形成的磁性结构。磁性结构包括嵌入有磁性粒子的基体。用于在基板(44)上形成磁性结构的装置(30)包括基体材料源(32)，基体材料源(32)用于将基体材料沉积到基板上以借此形成基体。用于形成磁性结构的装置(30)进一步包括磁性粒子源(34)，磁性粒子源(34)用于在基体形成期间将磁性粒子沉积到基体上以借此将磁性粒子嵌入到基体中。每个磁性粒子包括至少部分覆盖有金属层的核心，基体材料和核心中的至少一个为铁磁性材料，并且核心和金属层为不同材料。

Description

磁性结构
技术领域
本发明涉及一种用于形成磁性结构的方法和装置，该磁性结构包括嵌入在基体中的粒子，并且尤其但不排除地包括嵌入在基体中的纳米粒子。本发明进一步涉及一种通过这样的方法和装置形成的磁性结构。
背景技术
磁性材料被广泛用于现代技术中并且用在几乎所有的机械装置中。磁性材料与其诸如矫顽磁性和能量积之类的次要参数相关的性能在过去的一个世纪得到了大幅改善。然而，磁性材料最基础的特性也就是饱和磁化强度少有改善，饱和磁化强度确定了所产生的磁场的强度。机电装置中最常用的磁性材料，即Fe60Co40合金，从20世纪20年代起就开始使用了，并且直到现在也没有找到具有更高磁化强度的材料。
饱和磁化强度的最直接的量度为每原子的磁矩，该磁矩被规定为波尔(Bohr)磁子(μB)。纯Fe的磁矩为每原子2.22μB，而Fe60Co40合金的磁矩为每原子2.45μB。后一个值，即每原子2.45μB，被称作Slater-Pauling(斯莱特-鲍林)极限并且被认为是过渡金属合金可用的最大磁化强度。一般来说，机电装置的效率随着磁性材料的磁化强度的平方提升。因而，即便是磁化强度的很小提高对于诸如电动车辆和风能涡轮机之类的绿色技术也是特别有价值的。
基于在20世纪90年代初期开发的能够对直径在1nm至5nm范围内的纳米粒子进行沉积的气相纳米粒子源，人们发现，直径不大于大约5nm的Fe、Co和Ni纳米粒子的每原子磁矩明显高于由相同材料形成的块状结构。有鉴于此，开发了将Fe和Co之一的纳米粒子嵌入在Fe和Co中另一个的基体中的磁性结构，这样的磁性结构的磁化强度超过Fe60Co40合金的磁化强度并且因而首次突破了Slater-Pauling极限。图1A示出了一个这样的磁性结构的形成。如图1A中所示，通过将来自团簇源16的Fe纳米粒子14以及来自分子束外延(MolecularBeamEpitaxy，MBE)源20的Co基体材料18共同沉积到基板12上来形成磁性结构10。共同沉积Fe纳米粒子和Co基体材料所形成的结构中，Fe纳米粒子贯穿分布并嵌入在Co基体中。根据一个替代性方式，Co纳米粒子贯穿分布并嵌入在Fe基体中的磁性结构通过对来自团簇源的Co纳米粒子和来自MBE源的Fe基体材料共同沉积来形成。
在Co基体中包含Fe纳米粒子的结构和在Fe基体中包含Co纳米粒子的结构中的每一个结构的每原子磁矩如图1B中所示根据Fe体积分数变化。图1B还示出了Fe60Co40合金根据Fe体积分数的Slater-Pauling曲线。正如图1B中所示，在Fe基体中嵌入Co纳米粒子获得的最佳结果产生的值接近每原子3μB。在Fe体积分数更低的情况下，在Co基体中嵌入的Fe纳米粒子的每原子磁矩超过Slater-Pauling曲线所限定的对应值。出现改善的原因是，材料的基础构造块已经具有增强的磁化强度，还有基体自身的纳米结构具有增强的磁矩。更特别地，纳米结构中的表面或界面上的更大部分的原子(在当前所述的结构中接近50％)中每个这样的原子都具有增强的自旋和轨道矩。另一方面能够从图1B的曲线图的左边部分看出，磁化强度在Fe体积分数超过作为渗漏阈值的大约20％处降低到Slater-Pauling曲线以下。
本发明人理解到，Fe纳米粒子在更高的Fe体积分数水平下的高水平聚集产生了相分离的宏观颗粒混合物，并且磁化强度因此降低到Co的磁矩(每原子1.7μB)和Fe的磁矩(每原子2.22μB)的加权平均数。这就是在图1B中看到磁化强度降低到Slater-Pauling曲线以下的原因。本发明人进一步理解到，通过在没有显著的聚集的情况下提供增大的纳米粒子的体积分数可以获得性能的提升。
本发明按照上述理解进行设计。因而，本发明的一个目标是提供一种形成磁性结构的改进方法，该磁性结构包括磁性粒子并且尤其包括嵌入在基体中的磁性纳米粒子。本发明的另一目标是提供用于形成磁性结构的装置，该磁性结构包括磁性粒子并且尤其包括嵌入在基体中的磁性纳米粒子。本发明的又一目标是提供一种改进的磁性结构，该磁性结构包括磁性粒子并且尤其包括嵌入在基体中的磁性纳米粒子。
发明内容
根据本发明的第一方面提供了一种用于在基板上形成磁性结构的方法，该方法包括：
将基体材料沉积到所述基板上以借此形成基体；以及
在所述基体形成时将磁性粒子沉积到所述基体上以借此将所述磁性粒子嵌入到所述基体中，其中，
每个磁性粒子包括至少部分覆盖有金属层的核心，所述基体材料和所述核心这两者中的至少一个为铁磁性材料，并且所述核心和所述金属层为不同材料。
在使用中，沉积基体材料和磁性粒子以在基板上形成嵌入有磁性粒子的基体。基体材料和磁性粒子例如可以通过诸如分子束外延(MBE)源之类的基体材料源和诸如热气体聚集源之类的磁性粒子源同时工作而被同时沉积。借此可以形成磁性结构，其中，磁性粒子贯穿分布并嵌入在基体中。磁性结构通常形成为基板上的薄膜。使用与核心不同的材料组分对核心进行至少部分覆盖减小了粒子体积分数高于渗透阈值下的核心之间接触的可能性。磁性粒子的聚集因而减少，并且在由不存在金属层的磁性粒子形成的结构上观察到的磁化强度增大。
该方法可以适用于将纳米粒子沉积到基体上。沉积磁性粒子的步骤因而可以包括沉积磁性纳米粒子。每个磁性粒子的直径基本不超过100nm、60nm、30nm、20nm、15nm或10nm。直径介于大约1nm和大约5nm之间的磁性纳米粒子的每原子磁矩明显高于相同材料形成的块状结构的每原子磁矩。每个磁性粒子的直径因而基本不超过5nm、4nm、3nm、2nm或1nm。每个磁性粒子的直径可以基本大于0.5nm、1nm、2nm、3nm或4nm。金属层的厚度可以基本不超过4nm、2nm、1nm、0.8nm、0.6nm、0.4nm或0.2nm。考虑到金属层与原子层相关的厚度，厚度可以介于1个原子层和10个原子层之间，例如10、8、6、4、2或1个原子层。例如，在核心的直径基本为5nm的情况下，金属层可以为单原子层厚，例如基本为0.2nm厚。
金属层基本上可以覆盖核心。金属层的表面可以限定磁性粒子的外表面。基体材料的材料可以与金属层的材料相同。例如，每个磁性粒子可以包括至少部分覆盖有Co层的Fe核心，并且基体材料可以是Co。借助于进一步的示例，每个磁性粒子可以包括至少部分覆盖有Au层的Co核心，并且基体材料可以是Au。金属层与基体使用相同的材料可以有利于超磁应用(hipermagapplications)。使用相同的材料可以降低即便在体积分数远高于渗透阈值情况下的粒子核心之间接触的可能性。
核心可以由诸如铁磁性元素之类的铁磁性材料形成。更具体地，铁磁性材料可以是铁磁性过渡金属，例如Fe、Co和Ni之一。基体材料可以是金属，并且更具体地为过渡金属和稀土金属这两者之一。核心和基体材料可以由不同材料形成。在基体材料为过渡金属的情况下，过渡金属可以是铁磁性的或者反磁性的。金属层可以是过渡金属和稀土金属之一。金属层可以是铁磁性过渡金属或反磁性过渡金属。对于超磁应用，优选地，每个磁性粒子包括由铁磁性过渡金属形成的核心，以及铁磁性过渡金属层或反磁性过渡金属层。反磁性过渡金属可以是第11族金属，诸如金或银。因此，用于超磁应用的核心/层组分可以是Fe/Co、Co/Fe、Fe/Ag、Co/Ag、Fe/Au或Co/Au。如上所述，在超磁应用中金属层和基体使用相同的材料可以是有利的，以使得基体由与铁磁性过渡金属或反磁性过渡金属匹配的金属层形成。
沉积磁性粒子可以借助于气相下的磁性粒子的真空辅助沉积，并更具体地借助于气相磁性粒子束的沉积而实现。因此，该方法可以包括在所述基体形成期间使磁性粒子束撞击到所述基体上。该磁性粒子束由气相源生成并且更具体地由诸如气体聚集源之类的团簇束源生成。气相源可以工作以产生不存在金属层的粒子核心束。如本申请以下所述，可以在每个核心上设置金属层。在理想流量(输出)水平下工作时，气相源的不同形式生成不同大小范围的粒子。溅射气体聚集源当工作在理想流量水平时，一般生成直径大约为10nm的粒子。热气体聚集源当工作在理想流量水平时，一般生成直径大约为2nm的更小粒子。热气体聚集源通常优选用于形成高性能磁性结构(所谓的超磁(hipermag))。沉积基体粒子可以借助于气相下的基体材料的真空辅助沉积，并更具体地借助于基体材料原子束的沉积。因此，该方法可以包括使基体材料的原子束撞击到所述基板上。原子束可以由蒸发器或者通过溅射生成，蒸发器例如为诸如MBE源之类的热蒸发器。借助于来自蒸发器的基体材料原子束和来自团簇源的磁性粒子束形成磁性结构可以具有以下优点：为磁性结构中的颗粒大小和体积分数提供了独立控制。
该方法进一步可以包括在每个磁性粒子的核心上沉积金属层。沉积金属层可以通过金属蒸汽的真空辅助沉积而实现。金属蒸汽因而可以与粒子核心源设置在相同真空中。金属蒸汽可以使用诸如热蒸发器之类的蒸发器来生成。热蒸发器的温度可以由待沉积的金属确定，例如，对于银为800摄氏度并且对于铁为1000摄氏度。考虑到通常无法改变粒子核心束的速度，金属层的厚度可以通过改变热蒸发器的工作温度来控制。蒸发器可以被布置在粒子核心源与基板之间。另外，蒸发器可以被配置为限定粒子核心束通过的空间，蒸发器工作用于在所述空间中形成金属蒸汽，蒸汽借此撞击到每个粒子核心的表面上。蒸发器可以被配置为围绕粒子核心束。蒸发器因而可以提供对粒子核心的整个表面的改善覆盖。例如，蒸发器可以限定粒子核心束通过的管。该方法进一步可以包括在磁性粒子束沉积到基体上之前对磁性粒子束加速。可以在沉积金属层之后加速。可以借助于被配置为与磁性粒子束相互作用的装置来实现加速。例如可以使用文氏管。
每个磁性粒子可以包括遍布在核心上的多层。多层可以由彼此相同的材料形成或者由彼此不同的材料形成。该方法因而包括每层的沉积步骤。可以使用如上所述的热蒸发器的真空辅助沉积来沉积每层。多个蒸发器以直线布置，由此例如，第一蒸发器提供第一层的沉积并且第二蒸发器提供第二层的沉积。
重稀土金属的磁矩远大于过渡金属的磁矩。例如，Dy的磁矩达到每原子10μB。一般来说，稀土金属由于其过低的居里温度以及其磁性硬度而使自身在技术上使用受限，大多数稀土金属的居里温度低于室温，稀土金属的磁性硬度需要非常强的磁场以达到饱和。过渡金属的使用升高了居里温度并且使得稀土金属和过渡金属组分在磁性方面更软。另一方面，过渡金属与稀土金属在磁性上反向极化，由此，组分的磁矩随着过渡金属的体积分数的增大而迅速减小。这一问题可以通过提供具有上述结构的磁性粒子来解决。每个磁性粒子因而可以包括由过渡金属形成的核心，所述核心至少部分覆盖有反铁磁性材料，并且更具体地覆盖有诸如Cr或Mn之类的反铁磁性过渡金属。基体材料可以是诸如Dy或Ho之类的稀土金属。核心可以由诸如Fe或Co之类的铁磁性过渡金属形成。反铁磁性材料层可以诱导稀土基体与过渡金属核心的磁矩平行对齐。反铁磁性材料层的厚度可以介于1个原子层和10个原子层之间，例如不超过10、8、6、4、2或1个原子层。另外，每个磁性粒子可以包括至少部分覆盖反铁磁性材料层的第二层，所述第二层由稀土金属形成。更具体地，第二层和基体可以为相同的稀土金属。第二层的厚度可以介于1个原子层和10个原子层之间，例如不超过10、8、6、4、2或1个原子层。提供第二层可以减少磁性结构中磁性粒子的凝聚。
形成有磁性结构的基板可以构成一组件，该组件形成或用于形成产品的一部分。例如，磁性结构可以在卷轮式覆盖装置中的材料卷的一部分上形成。借助于进一步示例，基板可以是一组件，该组件形成或者将形成电动机或者移动电话这类物品的一部分。如上所述，磁性结构典型地形成为基板上的薄膜。通常不易于实现形成块状结构的磁性结构。然而，磁性结构可以在机电装置这样的关键磁性组件(例如，在关键位置处)上形成，从而对磁性组件的磁场进行放大。
本发明人已经理解，形成包括具有核心和金属层的磁性粒子的磁性结构具有比之前所述更广泛的应用。例如，将Au或Ag用作磁性粒子的核心上的第一层或后续层的一个优点是，这样的磁性粒子能够沉积在使用液氮冷却的冰基体中。当具有嵌入的磁性粒子的基体完成时，允许温度升高，并且所产生的包含液体的磁性粒子能够被喷溅到所期望的表面上，由此将磁性粒子沉积到所述表面上。该方法因而可以包括在基板上沉积基体材料以形成固体基体，在所述基体形成期间将包括反磁性过渡金属层的磁性粒子沉积到所述基体上，并且升高由此形成的磁性结构的温度以借此形成包含磁性粒子的液体。反磁性过渡金属可以是诸如金或银之类的11族金属。该方法可以包括将环境温度(例如室温)下的液体形式的基体材料沉积到一环境中以形成固体基体。用于形成固体基体的环境可以依赖于对温度和压强中的至少一个的控制来建立。所述环境可以借助于诸如冷却装置之类的降温设备来建立。基体材料可以包括化合物，并且更具体地包括诸如水之类的极性分子化合物(polarmolecularcompound)。
根据本发明的第二方面提供了一种用于在基板上形成磁性结构的装置，该装置包括：
基体材料源，用于将所述基体材料沉积在所述基板上以借此形成基体；以及
磁性粒子源，用于在所述基体形成期间将所述磁性粒子沉积到所述基体上以借此将所述磁性粒子嵌入所述基体，其中
每个磁性粒子包括至少部分覆盖有金属层的核心，所述基体材料和所述核心中的至少一个为铁磁性材料，并且所述核心和所述金属层为不同材料。
在使用中，基体材料源和磁性粒子材料源可以同时工作以借此同时沉积基体材料和磁性粒子。基体材料源和磁性粒子材料源可以被配置为将基体材料束和磁性材料束指向基板。因而形成了嵌入有磁性粒子的基体。磁性粒子源可以包括气相源，并且更具体地包括诸如气体聚集源之类的团簇源。基体材料源可以包括蒸发器或溅射装置，蒸发器例如为诸如MBE源之类的热蒸发器。
该装置进一步可以包括诸如热蒸发器之类的蒸发器，所述蒸发器用于在每个磁性粒子的核心上沉积金属层。蒸发器可以被布置在粒子核心源与基板之间。另外，蒸发器可以被配置为限定粒子核心束通过的空间，蒸发器用于在所述空间中形成金属蒸汽，蒸汽借此撞击到每个粒子核心的表面上。该装置进一步可以包括诸如文氏管之类的设备，该设备用于在磁性粒子束沉积到基体上之前对磁性粒子束加速。该装置进一步可以包括诸如冷却装置之类的降温设备，所述降温设备用于在基板上形成基体时降低基体的温度。
本发明的第二方面的另一实施例可以包括本发明的第一方面的一个或更多特征。
根据本发明的第三方面提供了一种基板上的磁性结构，所述磁性结构包括由基体材料形成的基体以及嵌入在所述基体中的磁性粒子，每个磁性粒子包括至少部分覆盖有金属层的核心，所述基体材料和所述核心这两者中的至少一个为铁磁性材料，并且所述核心和所述金属层为不同材料。
本发明的第三方面的实施例可以包括本发明的第一方面的一个或更多特征。
根据本发明的第四方面提供了一种包括组件的产品，该组件包括根据本发明的第三方面的磁性结构。例如，所述产品可以类似于电动机或移动电话，并且所述组件可以类似于磁性设备。本发明的第四方面的实施例可以包括本发明的第三方面的一个或更多特征。
根据本发明的另一方面提供了一种用于在基板上形成磁性结构的方法，该方法包括：将基体材料沉积到基板上以借此形成基体；以及，在基体形成期间将磁性粒子沉积到基体上以借此将磁性粒子嵌入基体中，其中，每个磁性粒子包括至少部分覆盖有金属层的核心。本发明的另一方面的实施例可以包括本发明的第一方面的一个或更多特征。
附图说明
在此通过仅参考以下附图以示例的方式对本发明进行说明，在附图中：
图1A示出了已知的磁性结构的形成；
图1B包含每原子磁矩根据磁性结构的Fe体积分数变化的曲线图，该磁性结构具有Co基体中的Fe纳米粒子以及Fe基体中的Co纳米粒子；
图2A以框图形式示出了根据本发明的用于形成磁性结构的形成装置；
图2B示出了用于对纳米粒子的核心进行涂覆的装置；以及
图3示出了具有Fe核心、第一Cr层和第二稀土金属外层的纳米粒子。
具体实施方式
以上已经参考图1A和1B对形成已知磁性结构的装置和方法进行了说明，已知磁性结构包括具有由铁磁性过渡金属形成的嵌入粒子的基体。
对于本发明，图2A以框图形式示出了根据本发明的用于形成磁性结构的形成装置30。装置30包括MBE源32、热气体聚集源34、第一热蒸发器36、第二热蒸发器38和文氏管40。装置30进一步包括制冷装置42，在某些实施例中，制冷装置42使用液氮工作以对基板44及其周围进行制冷。热气体聚集源34以及第一和第二热蒸发器36、38在相同的真空中工作。正如下文中进一步说明的，MBE源32工作以生成基体材料的原子束，并且热气体聚集源34同时工作以生成纳米粒子束。这两束同时沉积在基板44上以形成磁性结构，该磁性结构的形式为薄膜基体，该薄膜基体由具有贯穿基体分布并且嵌入在基体中的纳米粒子的所沉积的基体材料形成。基板44构成一组件，该组件形成或者用于形成产品的一部分。根据一个应用示例，基板44由卷轮式涂覆装置(reeltoreelcoatingapparatus)中的材料卷(rollofmaterial)的一部分构成。根据另一应用示例，基板44形成或者将形成电动机或者移动电话这类物品的一部分。根据又一应用示例，基板44由机电装置或类似物中的关键磁性组件上的数个关键位置之一构成。在使用中，磁性结构工作以对磁性组件的磁场进行放大。
图2A的第一和第二热蒸发器36、38具有相同的形状和功能。图2B提供了第一和第二热蒸发器(thermalevaporator)50的详细视图。热蒸发器50大体上为管状形状，使得热蒸发器50限定纳米粒子束可以通过的孔。热蒸发器50包括装有纯材料的管52，该纯材料在每个通过热蒸发器的纳米粒子上沉积为一层。热蒸发器50进一步包括管状加热器54，该管状加热器54围绕并邻接装有纯材料的管52。水冷隔热屏(watercooledheatshield)56围绕管状加热器54的朝外的表面、以及管状加热器54和装有纯材料的管52的端面。在使用中，热蒸发器50工作以将纯材料52汽化(vaporise)为存在于热蒸发器的孔中的材料蒸汽。在热蒸发器50的孔的一端处接收一束无涂覆的纳米粒子58，并且纳米粒子58在通过孔中的材料蒸汽的过程中被涂覆一层该材料。涂覆后的纳米粒子60随后从热蒸发器的孔的另一端离开。在装置30的形式下，纳米粒子仅涂覆有一层材料。根据这样的形式，图2A的装置的第二热蒸发器38不存在或者不工作。在装置30的其他形式下，纳米粒子涂覆有材料相同或不同的第一层和第二层。根据这样的形式，第一热蒸发器36、50包括装有第一材料的管52，并且第二热蒸发器38、50包括装有第一材料或(与第一材料)不同的第二材料的管52。在装置30的其他形式下，纳米粒子涂覆有材料相同或不同的第三层和其他层。根据这样的其他形式，装置30包括的热蒸发器的数量与待沉积在纳米粒子上的层数相对应，多个热蒸发器呈直线布置使得纳米粒子束能够依次通过每个热蒸发器的孔。
在此参考图2A和2B对在基板上形成磁性结构的方法的第一实施例进行说明。根据第一实施例，在纳米粒子上仅沉积一层材料。如上所述，图2A的第二热蒸发器38因而不存在或不工作。热气体聚集源34工作以生成直径在1nm至5nm的范围内的Fe纳米粒子束。Fe纳米粒子的直径通过控制热气体聚集源34的功率水平以及气压来确定。Fe纳米粒子束通过第一热蒸发器36的孔，第一热蒸发器36包括装有Co或Ag的管52。每个Fe纳米粒子因而被涂覆有厚度在1个原子层和10个原子层之间的一层Co或Ag。第一热蒸发器36的工作温度由待沉积的材料确定。对于Ag的工作温度大约为800摄氏度。如上所述，该层的厚度取决于纳米粒子的速度以及温度，但是纳米粒子的速度是无法控制的。如果想要增加该层的厚度，则只需要稍稍升高工作温度，这是因为蒸汽压力对温度非常敏感。例如，为了使Ag层的厚度加倍，只需要将温度升高大约50摄氏度。在这样的复合纳米粒子中，Fe构成纳米粒子的核心。MBE源32与热气体聚集源34同时工作以生成Co或Ag的原子束，使得该原子束的材料与Fe纳米粒子上的涂覆层的材料相同。原子束与纳米粒子束被同时沉积在基板44上以形成包括基体的磁性结构，基体由原子束形成并且嵌入有纳米粒子。Fe核心上的材料层降低了Fe核心彼此接触的可能性。通过示例并且为了与上述参考图1B的未被涂覆的核心的性能进行比较，如果Fe核心的直径为5nm并且涂覆层为0.2nm的单原子层，则在没有凝聚的情况下，与使用未被涂覆的Fe纳米粒子时的大约20％相比，该核心的体积分数能够增大到66％。
在此参考图2A和2B对在基板上形成磁性结构的方法的第二实施例进行说明。根据第二实施例，在纳米粒子上依次沉积两层材料。如上所述，图2A的第二热蒸发器38因而进行工作。热气体聚集源34工作以生成直径在1nm至5nm的范围内的Co纳米粒子束。Co纳米粒子的直径通过控制热气体聚集源34的功率水平和气压来确定。Co纳米粒子束通过第一热蒸发器36的孔，第一热蒸发器36包括装有诸如Cr或Mn之类的反铁磁性材料的管52。每个Co纳米粒子因而涂覆有厚度介于1个原子层和10个原子层之间的一层Cr或Mn。随后纳米粒子通过第二热蒸发器38的孔，第二热蒸发器38在一个形式下包括装有诸如Ho或Dy之类的稀土金属的管52。每个纳米粒子因而涂覆有厚度介于1个原子层和10个原子层之间的第二层Ho或Dy。在另一形式中，纳米粒子通过第二热蒸发器38的孔，第二热蒸发器38包括装有与第一热蒸发器36相同的反铁磁性材料的管52。第一热蒸发器36和第二热蒸发器38的工作温度由待沉积的材料确定。图3示出了涂覆有一层Cr和一层稀土金属(即，Ho或Dy)的Co核心的透视图。图3示出了被涂覆的纳米粒子70的截面，其中，Co形成核心72，Cr形成紧接地在Co核心上的一层，并且Ho或Dy形成紧接地在Cr层上的外层。图3进一步示出了沉积Cr层和Ho或Dy层之后的纳米粒子束78。MBE源32与热气体聚集源34同时工作以生成Ho或Dy原子束，以使得原子束的材料与Co纳米粒子上的外部涂覆层的材料相同。原子束与纳米粒子束被同时沉积在基板44上以形成包括基体的磁性结构，基体由原子束形成并且嵌入有纳米粒子。
在此参考图2A和2B对在基板上形成磁性结构的方法的第三实施例进行说明。根据第三实施例，在纳米粒子上仅沉积一层材料。如上所述，图2A的第二热蒸发器38因而不存在或不工作。热气体聚集源34工作以生成直径在1nm至5nm的范围内的Fe纳米粒子束。Fe纳米粒子束通过第一热蒸发器36的孔，第一热蒸发器36包括装有Au或Ag的管52。每个Fe纳米粒子因而涂覆有厚度在1个原子层和10个原子层之间的一层Au或Ag。第一热蒸发器36的工作温度由待沉积的材料确定。热蒸发器被用在图2的装置中以取代MBE源32。热蒸发器工作于一片水(bodyofwater)上以引导水蒸汽使得水蒸汽撞击到基板44上。冷却装置42将基板冷却，撞击的水蒸汽借此在基板44上沉积为冰。冰和纳米粒子被同时沉积在基板44上以形成磁性结构，该磁性结构包括嵌入有纳米粒子的冰基体。当磁性结构形成时，温度升高至室温以提供包含纳米粒子的液体。液体随后被喷溅到所需的表面上以将纳米粒子沉积到该表面上。本实施例对于诸如医疗领域之类的应用特别有用，其中，向除流体外无法到达的无机或有机目标内的表面提供超磁层(hipermaglayer)。

Claims (19)

1.一种在基板上形成磁性结构的方法，所述方法包括：
将基体材料沉积到所述基板上以借此形成基体；以及
在所述基体形成期间将磁性粒子沉积到所述基体上以借此将所述磁性粒子嵌入到所述基体中，其中，
每个磁性粒子包括至少部分覆盖有金属层的核心，所述基体材料和所述核心这两者中的至少一个为铁磁性材料，并且所述核心和所述金属层为不同材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，沉积磁性粒子的步骤包括沉积磁性纳米粒子。
3.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述基体材料的材料与所述金属层的材料相同。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述基体材料为过渡金属和稀土金属之一。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述基体材料为铁磁性过渡金属和反磁性过渡金属之一。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，每个磁性粒子包括：由铁磁性过渡金属形成的核心、以及铁磁性过渡金属层和反磁性过渡金属层之一。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，包括：在所述基体形成期间使磁性粒子束撞击到所述基体上。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，包括：使基体材料的原子束撞击到所述基板上。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，进一步包括：在每个磁性粒子的所述核心上沉积所述金属层。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，每个磁性粒子包括遍布在所述核心上的多层，所述多层由下列之一形成：彼此不同的材料；以及彼此相同的材料。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，每个磁性粒子包括由过渡金属形成的核心，所述核心至少部分覆盖有反铁磁性材料层，并且其中，所述基体材料为稀土金属。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述层由反铁磁性过渡金属形成，并且所述核心由铁磁性过渡金属形成。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，每个磁性粒子包括至少部分覆盖所述反铁磁性材料层的第二层，所述第二层由稀土金属形成。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第二层和所述基体为相同的稀土金属。
15.根据任一前述权利要求所述的方法，包括：在基板上沉积基体材料以形成固体基体，在所述基体形成期间将包括有反磁性过渡金属层的磁性粒子沉积到所述基体上，并且升高由此形成的磁性结构的温度以借此形成包含有磁性粒子的液体。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述反磁性过渡金属为第11族金属，并且所述基体材料包括极性分子化合物。
17.一种用于在基板上形成磁性结构的装置，所述装置包括：
基体材料源，用于将所述基体材料沉积在所述基板上以借此形成基体；以及
磁性粒子源，用于在所述基体形成期间将所述磁性粒子沉积到所述基体上以借此将所述磁性粒子嵌入所述基体，其中
每个磁性粒子包括至少部分覆盖有金属层的核心，所述基体材料和所述核心这两者中的至少一个为铁磁性材料，并且所述核心和所述金属层为不同材料。
18.一种基板上的磁性结构，所述磁性结构包括由基体材料形成的基体以及嵌入在所述基体中的磁性粒子，每个磁性粒子包括至少部分覆盖有金属层的核心，所述基体材料和所述核心这两者中的至少一个为铁磁性材料，并且所述核心和所述金属层为不同材料。
19.一种包括组件的产品，所述组件包括根据权利要求18所述的磁性结构。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2510228B (en) * 2013-11-19 2015-12-02 Peacekeeper International Ltd Electromagnetic data storage devices
GB2530562B (en) * 2014-09-26 2016-09-28 Nano Resources Ltd Nanoparticle coating apparatus
GB2557186A (en) 2016-11-29 2018-06-20 Magnetic Laminates Ltd Nanoparticle coating method
GB2560008B (en) * 2017-02-24 2020-03-25 Binns David An appratus and method related to core shell magnetic nanoparticles and structured nanoparticles
GB2567132A (en) * 2017-08-10 2019-04-10 Hipermag Ltd Magnetic structures
CN110172668B (zh) * 2019-05-23 2020-07-24 钢铁研究总院 一种金属/氧化物核壳结构纳米颗粒的制备方法及其纳米颗粒

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5931894A (ja) * 1982-08-14 1984-02-21 Matsushita Electric Works Ltd 複合めつき法
JPS60217604A (ja) * 1984-04-12 1985-10-31 Yaskawa Electric Mfg Co Ltd 硬質磁性膜の製造方法
US20040115340A1 (en) * 2001-05-31 2004-06-17 Surfect Technologies, Inc. Coated and magnetic particles and applications thereof
US20100101700A1 (en) * 2005-06-13 2010-04-29 Trillion Science Inc. Non-random array anisotropic conductive film (acf) and manufacturing processes
CN102513719A (zh) * 2011-11-17 2012-06-27 东南大学 一种磁性颗粒锡-锌基复合焊料及其制备方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09111419A (ja) * 1995-10-16 1997-04-28 Alps Electric Co Ltd 磁気抵抗効果材料および磁気抵抗効果多層膜
JP2003178907A (ja) * 2001-09-05 2003-06-27 Fuji Photo Film Co Ltd 強磁性ナノ粒子、ナノ粒子塗布物、及び磁気記録媒体
US20040084298A1 (en) * 2002-10-31 2004-05-06 Y.D. Yao Fabrication of nanocomposite thin films for high density magnetic recording media
SG121757A1 (en) * 2003-02-11 2006-05-26 Agency Science Tech & Res Thin film magnetic recording media
JP4521174B2 (ja) * 2003-10-15 2010-08-11 国立大学法人 名古屋工業大学 クラスター製造装置およびクラスター製造方法
KR20090019196A (ko) * 2007-08-20 2009-02-25 삼성전자주식회사 마그네틱 반사형 디스플레이
US8404347B2 (en) * 2009-01-26 2013-03-26 Hong Kong Polytechnic University Method of synthesis of amphiphilic magnetic composite particles
WO2012159096A2 (en) 2011-05-18 2012-11-22 The Regents Of The University Of California Nanostructured high-strength permanent magnets

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5931894A (ja) * 1982-08-14 1984-02-21 Matsushita Electric Works Ltd 複合めつき法
JPS60217604A (ja) * 1984-04-12 1985-10-31 Yaskawa Electric Mfg Co Ltd 硬質磁性膜の製造方法
US20040115340A1 (en) * 2001-05-31 2004-06-17 Surfect Technologies, Inc. Coated and magnetic particles and applications thereof
US20100101700A1 (en) * 2005-06-13 2010-04-29 Trillion Science Inc. Non-random array anisotropic conductive film (acf) and manufacturing processes
CN102513719A (zh) * 2011-11-17 2012-06-27 东南大学 一种磁性颗粒锡-锌基复合焊料及其制备方法

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