CN107075674A - 使用化学气相沉积或液相外延来形成铁氮化物硬磁性材料 - Google Patents

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Abstract

本公开描述了包括α″‑Fe16N2的硬磁性材料以及用于使用化学气相沉积或液相外延来形成包括α″‑Fe16N2的硬磁性材料的技术。

Description

使用化学气相沉积或液相外延来形成铁氮化物硬磁性材料
相关申请的引用
本申请要求于2014年8月8日提交的美国临时专利申请号62/035,245的优先权，其全部内容以参考方式结合于本文。
技术领域
本公开涉及硬磁性材料和用于形成硬磁性材料的技术。
背景技术
永磁铁在许多机电系统中发挥作用，包括例如替代能源系统。例如，永磁铁用于电动机或发电机，其可以用于车辆、风力涡轮机、和其它替代能源机制。目前使用的许多永磁铁包括稀土元素，如钕，其导致高磁能积(high magnetic energy product)。这些稀土元素是相对供应短缺的，并且可能面临在未来价格上涨和/或供应短缺。另外，包括稀土元素的一些永磁铁的生产是昂贵的。例如，NdFeB和铁氧体磁铁的制造通常包括粉碎材料、压缩材料、以及在高于1000℃的温度下烧结，所有这些都造成了磁体的高制造成本。另外，稀土的开采可导致严重的环境恶化。
发明内容
本公开描述了包括α″-Fe16N2的硬磁性材料以及使用化学气相沉积(CVD)或液相外延(LPE)来形成包括α″-Fe16N2的硬磁性材料的技术。因为Fe16N2具有高饱和磁化强度(highsaturation magnetization)、高磁各向异性常数和高磁能积，因此包括α″-Fe16N2的硬磁性材料可提供包括稀土元素的永磁铁的替代。
在一些实施例中，本公开描述了一种方法，包括加热铁源以形成包含含铁化合物的蒸汽；在基底(substrate)上由包含含铁化合物的蒸汽沉积铁和由包含含氮化合物的蒸汽沉积氮以形成包含铁和氮的层；以及退火包含铁和氮的层以形成至少一些包含α″-Fe16N2的晶体。
在一些实施例中，本公开描述了一种方法，包括将基底浸没在包含含氮溶剂和铁源的涂覆溶液中。可以在高于待沉积自涂覆溶液的铁-氮混合物的液相线温度的第一温度下，用铁源使涂覆溶液饱和。该方法还可以包括将基底浸没在涂覆溶液中并将涂覆溶液冷却到第二温度以形成过饱和涂覆溶液。第二温度可以低于铁-氮混合物的液相线温度。该方法另外可以包括将基底保持在过饱和涂覆溶液中以允许包含铁和氮的涂层形成在基底上，以及退火包含铁和氮的涂层以形成至少一些包含α″-Fe16N2的晶体。
在一些实施例中，本公开描述了一种制品，其包括基底和在基底上的包含α″-Fe16N2的层，其中使用CVD或LPE的至少一种来形成该层。
在一些实施例中，本公开描述了一种系统，用于实施CVD或LPE的至少一种以形成制品，该制品包括基底和在基底上的包含α″-Fe16N2的层。
在一些实施例中，本公开描述了一种工件，其包含至少一个包括α″-Fe16N2的相域(相畴，phase domain)，其中使用CVD或LPE的至少一种来形成至少一个相域。
在一些实施例中，本公开描述了一种制品，其包含多个工件。多个工件的至少一个工件包括至少一个工件包括包含α″-Fe16N2的至少一个相域，并且使用CVD或LPE的至少一种来形成至少一个相域。
在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施例的详细情况。通过描述和附图，以及通过权利要求，其他特点、目的、和优点将是显而易见的。
附图说明
当连同附图一起阅读时，将进一步理解发明内容、以及下面的详细描述。为了说明本公开的目的，在附图中示出实施例；然而，本公开不限于所公开的具体技术、组合物、和装置。此外，不必按比例绘制附图。
图1是示出了用于形成包括α″-Fe16N2的硬磁性材料的示例性化学气相沉积系统的概念和示意图。
图2是铁氮化物相图。
图3是示出了α″-Fe16N2晶胞概念图。
图4是示出了具有铁或铁氮化物(例如，Fe8N)域和α″-Fe16N2域的材料的概念图。
图5是示出了用于形成包括α″-Fe16N2的硬磁性材料的示例性化学气相沉积系统的概念和示意图。
图6是示出了使用LPE在基底上形成包括α″-Fe16N2的涂层的示例性系统的概念和示意图。
图7是铁-氮固-液相图。
具体实施方式
通过参考以下的详细描述并连同附图和实施例(其形成本公开的一部分)一起，可以更容易地理解本公开。应当理解的是，本公开不限于本文描述和/或显示的具体装置、方法、应用、条件或参数，并且本文使用的术语是为了描述特定实施例的目的而不旨在限制权利要求。当表示数值范围时，另一个实例包括从一个特定值和/或到其它特定值。类似地，当，通过使用先行词“约”，将值表示为近似值时，应当理解的是，特定值形成另一个实施例。所有范围是包容性和可组合的。此外，提到在一定范围内陈述的值包括在上述范围内的每个值。如在本文中所使用的，术语“包含”的使用还应该支持采用术语“由...组成”和“基本上由...组成”的其它实施方式。
应当理解的是，为清楚起见本文在单独的实施例的上下文中描述的本公开的某些特征还可以组合地提供在单一实施例中。相反，为简便起见在单一实施例的上下文中描述的本公开的各种特征还可以分开地或以任何子组合地加以提供。
本公开描述了包括α″-Fe16N2的硬磁性材料以及使用化学气相沉积(CVD)或液相外延(LPE)来形成包括α″-Fe16N2的硬磁性材料的技术。由于Fe16N2具有高饱和磁化强度、高磁各向异性常数、和高磁能积，因此包括α″-Fe16N2的硬磁性材料可提供包括稀土元素的永磁铁的替代。
在一些实施例中，包括α″-Fe16N2的硬磁性材料可以具有工件的形式，其包含至少一个包含α″-Fe16N2的相域。工件可以包括，例如，粒料、棒、薄膜、纳米颗粒、粉、或纳米粉。在一些实施例中，包括α″-Fe16N2的硬磁性材料可以是包括多个工件的制品的形式。多个工件的至少一个工件可以包括至少一个包含α″-Fe16N2的相域。该制品可以包括，例如，电动机、发电机、传感器、驱动器、机动车辆的部件、或风力涡轮机的部件。
用于形成包括α″-Fe16N2的硬磁性材料的技术可以包括CVD或LPE。这些技术的任何一种可以用来在基底上沉积包括含有α″-Fe16N2的至少一层的薄膜。在一些实施例中，基底可以包括半导体，如硅、GaAs、InGaAs等。在其它实施例中，基底可以包括另一种材料，如玻璃、高温聚合物、SiC、MgO、SiO2(例如，Si或其它半导体基底上的SiO2层)、SiN、SiAlC、TiN等。
化学气相沉积可以允许将包括α″-Fe16N2的硬磁性材料结合到半导体器件中以及将α″-Fe16N2的形成结合到半导体工艺。例如，可以将包括α″-Fe16N2的硬磁性材料结合到磁随机存取存储器(MRAM)、磁性逻辑器件、磁存储器件、磁微机电系统(MEMS)、微型电动机、微驱动器、纳米电动机、纳米驱动器等。
图1是示出了用于形成包括α″-Fe16N2的硬磁性材料的示例性化学气相沉积系统10的概念和示意图。系统10包括化学气相沉积(CVD)室12，其可以围绕接受器14。由接受器14来保持基底16，以及在至少一部分的基底16上形成涂层18。CVD室12可以包括，例如。石英或另一种耐火材料。在一些实施例中，CVD室12可以形成自对于射频(RF)磁能基本上透明的材料。
在一些实施例中，CVD室12至少部分地被RF感应线圈20包围。RF感应线圈20可以电连接至RF源(在图1中未示出)，其导致在RF处的交流电流流经RF感应线圈20。在一些实施例中，通过接受器14可以吸收由RF感应线圈20生成的RF磁场，其将RF能量转换成热量。这加热基底16。因此，在一些实施例中，接受器14可以包括石墨或另一种材料，其吸收由RF感应线圈20生成的频率的RF能量。
在一些实施例中，可以成形或定向接受器14以将基底16定位于相对于进口22的斜面。以相对于进口22处的斜面来定位基底16可以减少或基本消除下游耗尽，下游耗尽是基底16的下游部分涂覆有比基底16的上游部分更薄的涂层的一种现象，这是由于当涂覆气体沿着基本水平的基底16流动时，来自涂覆气体的反应物的耗尽。
在一些实施例中，不包括由RF感应线圈20加热的接受器14，可以加热CVD室12，从而加热CVD室12的整个容积。例如，可以将CVD室12设置在加热炉中，或CVD室12可以由吸收RF能量并加热CVD室12的容积的材料形成。
基底16可以包括可以在其上形成涂层18的任何材料。在一些实施例中，基底16可以包括半导体，如硅、GaAs、InGaAs等。在其它实施例中，基底可以包括另一种材料，如玻璃、高温聚合物、SiC、MgO、SiO2(例如，在Si或其它半导体基底上的SiO2层)、SiN、SiAlC、TiN等。
在一些实施例中，基底16可以包括具有与α″-Fe16N2不同的晶格结构、不同的晶格参数、或两者的结晶材料。在一些实施例中，基底16另外或可替换地可以具有不同于α″-Fe16N2的热膨胀系数(CTE)。在其中基底16包括与α″-Fe16N2不同的晶格结构、不同的晶格参数、或不同的CTE的至少一种的实施例中，在退火工艺期间，基底16能够对层18施加应变，其可以促进在涂层18中α″-Fe16N2的形成。
CVD室12可以包括进口22和出口24。进口22可以流体连接至涂覆气体的一个或多个源。例如，在系统10中，进口22流体连接至载气源26、涂层成分的第一源30、和涂层成分的第二源34。
在一些实施例中，载气源26可以包括将涂覆气体携带到CVD室12的内部的气体。在一些实施例中，载气源26可以包括基本惰性气体源(例如，在系统10的操作期间，基本上不与在系统10中存在的其它元素和化合物反应的气体)。基本上惰性气体可以包括，例如，稀有气体，如氩气。
在一些实施例中，载气源26另外或可替换地可以包括可以与在系统10中存在的一种或多种元素和化合物反应的气体。例如，载气源26可以包括氢气(H2)源。在一些实施例中，氢气可以与铁前体反应以释放铁。在某些情况下，载气源26可以包括基本上惰性气体和与在系统10中存在的一种或多种元素和化合物反应的气体的混合物。例如，载气源26可以包括氢气和氩气的混合物。
通过导管或管道、以及至少一个阀门28，载气源26可以流体连接至CVD室12。阀门28可以用来控制载气从载气源26到CVD室12的流量。
系统10还包括第一源30。第一源30可以包括含有含氮化合物的蒸汽的源。在一些实施例中，第一源30可以包括氮前体的气体源，如气态氨(NH3)。在其它实施例中，第一源30可以包括氮前体的液体或固体源，如硝酸铵(NH4NO3；固体)、酰胺(液体或固体)、或肼(液体)。
酰胺包括C-N-H键并且肼包括N-N键。硝酸铵、酰胺和肼可以作为用于形成包括铁氮化物的粉的氮供体。示例性酰胺包括碳酰二胺((NH2)2CO；也称为脲)、甲酰胺(式1)、苯甲酰胺(式2)、和乙酰胺(式3)，但可以使用任何酰胺。
在一些实施例中，通过用胺基替换羧酸的羟基，酰胺可以衍生自羧酸。这种类型的酰胺(amide)可以称为酸酰胺(acid amide)。
在其中在第一源30中的含氮化合物是固体或液体的实施例中，第一源30可以包括热源以汽化含氮化合物并形成包括含氮化合物的蒸汽。
通过导管或管道、和至少一个阀门32，第一源30可以流体连接至CVD室12。阀门32可以用来控制含氮蒸汽从第一源30到CVD室12的流量。
系统10还包括第二源34。第二源34可以包括铁或铁前体(或供体)的源。在图1示出的实施例中，第二源34含有液态铁供体36，如FeCl3或Fe(CO)5。通过阀门40，第二源34流体连接至气体源38，阀门40控制气体源38进入第二源34的流量。在一些实施例中，气体源38可以是氢气(H2)或另一种还原气体的源。
来自气体源38的气体流入第二源34并汽化至少一些液态铁供体36。然后，通过进口22，来自气体源38的气体携带包括含铁化合物的蒸汽进入CVD室12。
阀门28、32、和40可以用来控制进入CVD室12的气体和蒸汽总流速(流量，flowrate)，以及在流入CVD室12的气体和蒸汽中载气、包括含氮化合物的蒸汽、和包括含铁化合物的蒸汽的相对比例。在一些实施例中，可以控制阀门28、32、和40以在流入CVD室12的气体和蒸汽中产生在约11.5:1(铁:氮)至约5.65:1(铁:氮)之间的铁与氮的原子比。例如，在流入CVD室12的气体和蒸汽中在铁和氮原子之间的原子比可以是约9:1(铁:氮)，约8:1(铁:氮)，或约6.65:1(铁:氮)。
在一些实施例中，载气的流速可以是约5标准cm3/分钟(sccm)至约5,000sccm，包括含氮化合物的蒸汽的流速可以在约10sccm至约1,000sccm之间，并且包括含铁化合物的蒸汽的流速可以在约100sccm至约5,000sccm之间。流速如这些流速可以产生涂层18的约100微米/小时(μm/h)至约1,000μm/h之间的生长速率。
在一些实施例中，可以由接受器14和RF感应线圈20将基底16加热至高于含铁化合物的分解温度、含氮化合物的分解温度、或两者。例如，可以通过接受器14和RF感应线圈20将基底16加热至约200℃至约1,000℃之间的温度。
在一些其中基本上仅加热接受器14和基底16的实施例中，可以分解含铁化合物和含氮化合物以释放铁和氮，或可以彼此反应以形成铁氮化物化合物。由于基底16被加热，在基底16的表面处可以发生该反应，从而导致涂层18形成并包括铁和氮。
在其中基本上CVD室12的整个容积被加热(例如，通过加热炉)的实施例中，在CVD室12的容积内在基底上方可以发生该分解反应或在含铁化合物和含氮化合物之间的反应。然后释放的铁和氮原子或铁氮化物化合物可以沉积在基底16的表面上的涂层18中。
在一些实施例中，在含铁化合物和含氮化合物之间的反应可以包括：
16FeCl3+2NH3+21H2→2Fe8N+48HCl
在一些实施例中，可以掩蔽部分基底16，仅留下暴露的部分基底16以用于形成涂层18。在其它实施例中，可以在涂层18的沉积以后蚀刻部分涂层18以除去部分涂层18，仅留下涂覆有涂层18的部分基底16。以这种方式，可以仅在基底16的选择部分上可控地形成涂层18。
如前文的描述，在进入CVD室12的气体和蒸汽中铁与氮的比率可以在约11.5:1(铁:氮)和约5.65:1(铁:氮)之间，如约8:1(铁:氮)。涂层18可以包括与进入CVD室12的气体和蒸汽中大约相同比率的铁和氮。因此，涂层18可以包括约11.5:1(铁:氮)至约5.65:1(铁:氮)之间的铁与氮比率，如约9:1(铁:氮)，约8:1(铁:氮)，或约6.65:1(铁:氮)。
在一些实施例中，当沉积时，除铁和/或氮之外，涂层18还可以包括至少一种类型的铁氮化物，如例如FeN、Fe2N(例如，ξ-Fe2N)、Fe3N(例如，ε-Fe3N)、Fe4N(例如，γ′-Fe4N、γ-Fe4N、或两者)、Fe2N6、Fe8N、α″-Fe16N2、或FeNx(其中x是约0.05和约0.5之间)。在一些实施例中，涂层18可以具有至少92原子百分比(at.％)的纯度(例如，铁和氮共同给的含量)。
涂层18可以包括任何选定的厚度，并且厚度可以至少部分地取决于CVD参数，包括实施CVD技术的时间。
在一些实施例中，涂层18另外可以包括至少一种掺杂剂，如铁磁性或非磁性掺杂剂和/或相稳定剂。在一些实施例中，至少一种铁磁性或非磁性掺杂剂可以称为铁磁性或非磁性杂质和/或相稳定剂可以称为相稳定杂质。铁磁性或非磁性掺杂剂可以用来增加形成自涂层18的硬磁性材料的磁矩、磁矫顽力(megnetic coercivity)、或热稳定性的至少一种。铁磁性或非磁性掺杂剂的实例包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Pt、Au、Sm、C、Pb、W、Ga、Y、Mg、Hf、和Ta。例如，相比于不包括Mn掺杂剂原子的铁氮化物材料，在包括至少一个Fe16N2相域的铁氮化物材料中，包括在约5at.％和约15at.％之间水平的Mn掺杂剂原子可以改善Fe16N2相域的热稳定性和材料的磁矫顽力。在一些实施例中，一种以上的(例如，至少两种)铁磁性或非磁性掺杂剂可以包括在包含铁和氮的混合物中。在一些实施例中，铁磁性或非磁性掺杂剂可以作为域壁钉扎点(domain wall pinningsite)，其可以改善形成自涂层18的磁性材料的矫顽力。表1包括在涂层18内铁磁性或非磁性掺杂剂的示例性浓度。
表1
掺杂剂 浓度(at.％)
Sc 0.1-33
Ti 0.1-28
V 0.1-25
Nb 0.1-27
Cr 0.1-10
Mo 0.1-3
Mn 0.1-28
Ru 2-28
Co 0.1-50
Rh 11-48
Ni 2-71
Pd 0.1-55
Pt 0.1-15
Cu 0.1-30
Ag 1-10
Au 1-10
Zn 0.1-30
Cd 0.1-35
Zr 0.1-33
Pb 0.1-60
Mg 0.1-60
W 0.1-20
Ta 0.1-20
Ga 0.1-10
Sm 0.1-11
可替换地或另外地，涂层18可以包含至少一种相稳定剂。至少一种相稳定剂可以是选择的元素以改善Fe16N2体积比、热稳定性、矫顽力、和耐腐蚀性的至少一种。当存在于涂层18中时，至少一种相稳定剂可以以约0.1at.％和约15at.％之间的浓度存在于包括铁和氮的混合物中。在一些其中在混合物中存在至少两种相稳定剂的实施例中，至少两种相稳定剂的总浓度可以在约0.1at.％和约15at.％之间。至少一种相稳定剂可以包括，例如，B、Al、C、Si、P、O、Co、Cr、Mn、和/或S。例如，相比于不包括Mn掺杂剂原子的铁氮化物材料，在包括至少一个Fe16N2相域的氮化铁材料中包括约5at.％和约15at.％之间水平的Mn掺杂剂原子可以改善Fe16N2相域的热稳定性和铁氮化物材料的磁矫顽力。
在涂层18已形成到预定厚度以后，可以从CVD室12除去基底16和涂层18并经受退火工艺。退火工艺可以促进在涂层18中α″-Fe16N2硬磁性相的形成。
可以在涂层18中在产生由于基底16和涂层18的热膨胀系数的差异导致的应变的温度下进行退火工艺，以进入α″-Fe16N2相。另外，退火工艺允许N+离子在涂层18中的铁晶体内的扩散以形成包括α″-Fe16N2相域和Fe8N相域的铁氮化物。图2是铁氮化物相图，其复制自E.H.Du Marchi Van Voorthuysen et al.Low-Temperature Extension of the LehrerDiagram and the Iron-Nitrogen Phase Diagram,33A Metallurgical and MaterialsTransactions A 2593,2597(八月2002)，其全部内容以参考的方式结合于本文。如图2所示，在相对较低的温度下的退火允许部分Fe8N无序相转换成α″-Fe16N2有序相。
在一些实施例中，可以在低于约250℃的温度下进行退火工艺，如在约120℃和约220℃之间，在约120℃和约200℃之间，在约150℃和约200℃之间，或在约150℃下。可以在氮气(N2)或氩气(Ar)气氛中，或在真空或接近真空中，进行退火工艺。
可以基于例如样品的尺寸以及在退火温度下氮原子在铁中的扩散系数，来选择退火步骤的温度和持续时间。基于这些因素，可以选择温度和持续时间以提供氮原子扩散到在涂层18内的位置的足够的时间，以形成Fe16N2域。
另外，可以基于在涂层18中α″-Fe16N2相域的所期望的体积分数来选择退火工艺的温度和持续时间。例如，在选定的温度下，较长的退火工艺能够导致α″-Fe16N2的较高的体积分数。类似地，对于给定的退火工艺持续时间，较高的温度能够导致α″-Fe16N2的较高的体积分数。然而，对于高于阈值的持续时间，由于α″-Fe16N2的体积分数达到相对稳定的值，因此可以限制或消除α″-Fe16N2的另外的体积分数。例如，在约150℃的温度下，在约20小时以后，α″-Fe16N2的体积分数达到稳定值。退火工艺的持续时间可以是至少约5小时，如至少约20小时，或在约5小时和约100小时之间，或在约5小时和约80小时之间，或在约20小时和约80小时之间，或约40小时。
Fe8N和α″-Fe16N2具有类似的体心四方(bct)晶体结构。然而，在α″-Fe16N2中，氮原子在铁晶格内是有序化的，而在Fe8N中，氮原子则随机分布在铁晶格内。图3是示出了α″-Fe16N2晶胞的概念图。如图3所示，在α″-Fe16N2相中，沿着(002)(铁)晶面排列氮原子。同样在图3中所示，铁氮化物晶胞被扭曲使得晶胞沿着<001>轴的长度是大约6.28埃而晶胞沿着<010>和<100>轴的长度则是大约当处于应变状态时，α″-Fe16N2晶胞可以称为bct晶胞。当α″-Fe16N2晶胞处于应变状态时，<001>轴可以称为晶胞的c轴。
退火工艺促进bct晶体结构的形成，这至少部分是由于施加于铁晶格的应变，其是由于在后退火步骤期间基底和铁氮化物工件的不均匀膨胀的结果。例如，铁的热膨胀系数是11.8μm/m·K，而硅的热膨胀系数则是2.6μm/m·K。热膨胀系数的这种差异导致了基本上平行于涂层18的主平面的压缩应力以及在具有(110)面的涂层18上沿着<001>结晶方向产生的相应的拉伸力。在一些实施例中，在涂层18上的应变可以在约0.3％和约7％之间，这能够导致在铁氮化物的单个晶体上基本相似的应变，使得晶胞沿着<001>轴伸长约0.3％和约7％之间。这可以促进在α″-Fe16N2晶体的优选位置处氮原子的掺入。
在一些实施例中，不是将所有涂层18转换为α″-Fe16N2相，退火工艺可以导致在Fe、Fe8N、和/或铁氮化物组合物的域内的α″-Fe16N2相域的形成。图4是示出了具有铁或铁氮化物(例如，Fe8N)域42和α″-Fe16N2域44的材料的概念图。由于可以在纳米尺度上(例如，铁或铁氮化物域42和α″-Fe16N2域44的尺寸是纳米级的)结构化涂层18，所以基本上整个涂层18可以发生在磁性硬α″-Fe16N2域44和软磁铁或铁氮化物域42之间的磁耦合。由于α″-Fe16N2和铁或铁氮化物晶体具有基本上类似的晶体结构，
所以材料可以是自然晶体结构连贯的(crystallographically coherent)，这意味着具有对齐的易轴(aligned easy axis)，其产生各向异性。这可以促进通过在α″-Fe16N2域44和铁或铁氮化物域42之间的相界的交换弹性耦合(exchange-spring coupling)。
交换弹性耦合可有效改善磁性材料的磁能积并为基体材料(bulk material)提供类似于由α″-Fe16N2形成的基体材料的磁性能。为了实现磁性材料的整个体积的交换弹性耦合，可以在整个涂层18中分布α″-Fe16N2域，例如，在纳米或微米尺度上。例如，磁性硬Fe16N2相可以构成涂层18的总体积的约5vol.％和约40vol.％之间，或涂层18的总体积的约5vol.％和约20vol.％之间，或涂层18的总体积的约10vol.％和约20vol.％之间，或涂层18的总体积的约10vol.％和约15vol.％之间，或涂层18的总体积的约10vol.％，且涂层18的体积的剩余部分是软磁材料。软磁材料可以包括例如Fe、FeCo、Fe8N、或它们的组合。
在一些实施例中，如当软磁材料包括Fe或Fe8N时，Fe16N2和Fe或Fe8N域的晶体结构可以是连贯的。换句话说，在域之间可以是晶格匹配的。这可以促进在磁性硬Fe16N2域77和软磁铁或铁氮化物域42之间的有效的交换弹性耦合，特别是跨过相界。
通过使用CVD在基底16上形成涂层18，可以将包括α″-Fe16N2的硬磁性材料结合到使用CVD和现有制造技术(其采用CVD)所形成的其它产品内。使用现有CVD制造操作，包括掩蔽，可以将包括α″-Fe16N2的硬磁性材料沉积在基底16的预定部分或区域上。例如，可以将包括α″-Fe16N2的硬磁性材料结合到CMOS(互补金属氧化物半导体)集成电路器件内，并且可以将用于形成包括α″-Fe16N2的硬磁性材料的CVD技术结合到现有CMOS处理技术中。例如，可以将包括α″-Fe16N2的硬磁性材料结合到磁随机存取存储器(MRAM)、磁性逻辑器件、磁存储器件、磁微机电系统(MEMS)、微型电动机、微驱动器、纳米电动机、纳米驱动器等中。在其它实施例中，可以将使用CVD所形成的包括α″-Fe16N2的硬磁性材料结合到利用硬磁性材料的其它器件，如电动机、发电机、磁性记录介质、和磁共振成像(MRI)磁体、以及其它应用。
CVD可以允许比一些其它技术，如分子束外延(MBE)，更快的涂层18的生长，而在一些实施例中，相比于一些其它技术，如溅射，则形成优良涂层。
虽然图1示出用于使用含液态铁材料的CVD的示例性系统10，但在其它实施例中，可以使用含固体铁材料来进行CVD。图5是示出了用于形成包括α″-Fe16N2的硬磁性材料的示例性化学气相沉积系统50的概念和示意图。在一些实施例中，除本文描述的差异之外，图5的系统50可以类似于或基本上相同于参照图1所描述的系统10。
系统50包括CVD室52。CVD室52保卫接受器54，其可以类似于或基本上相同于图1的接受器14。在图5所示的实施例中，并不成形或定向接受器54以将基底16定位于相对于进口56和58的斜面。在其它实施例中，可以成形或定向接受器54以将基底16定位于相对于进口56和58的斜面。CVD室52可以包括，例如，石英或另一种耐火材料。在一些实施例中，CVD室52可以由对于射频(RF)磁能基本上透明的材料形成。
CVD室52至少部分地被RF感应线圈20包围。RF感应线圈20可以类似于或基本上相同于图1所示的RF感应线圈。CVD室52包围基底16，在基底16上形成涂层18。将基底16设置在接受器54上。
在一些实施例中，不包括由RF感应线圈20加热的接受器54，可以加热CVD室52从而加热CVD室52的整个容积。例如，可以将CVD室52设置在加热炉中，或CVD室52可以由吸收RF能量并加热CVD室52的容积的材料形成。
CVD室52可以包括进口56和58以及出口24。进口56和58可以流体连接至涂覆气体的一个或多个源。例如，在系统50中，进口56流体连接至封闭含固体铁材料62的室60，并且经由阀门32进口58流体连接至第一源30。第一源30和阀门32可以类似于或基本上相同于上文相对于图1所描述的。例如，第一源30可以包括包含含氮化合物的蒸汽的源。
室60包围含固体铁材料62。在一些实施例中，含铁材料62可以包括含铁粉、胶粒(坯料，billet)、或沉积在基底上的薄膜。在一些实施例中，在含铁粉中的颗粒可以限定大约为纳米或微米级的平均特征尺寸。在一些实施例中，含铁薄膜可以限定为在约500纳米(nm)和约1毫米(mm)之间的厚度。在一些实施例中，含铁材料62包括基本纯铁(例如，纯度大于90at.％的铁)。在其它实施例中，含铁材料62可以包括铁氧化物(例如，Fe2O3或Fe3O4)。
室60可以包括第一进口64和第二进口66。通过阀门70，第一进口64可以流体连接至第一气体源68。第一气体源68可以包括酸或氯化物的源，如HCl。酸或氯化物可以与含铁材料62反应以形成含铁蒸汽。例如，HCl可以与含铁材料62反应以形成氯化铁(FeCl3)，其可以被加热以形成蒸汽。
通过阀门74，第二进口66可以流体连接至载气源72。在一些实施例中，载气源72可以包括基本惰性气体源(例如，在系统50的操作期间，基本上不与在系统50中存在的其它元素和化合物的气体反应)。基本上惰性气体可以包括例如稀有气体，如氩气。
阀门32、70、和74可以用来控制进入CVD室52的气体和蒸汽的总流量，以及在流入CVD室52的气体和蒸汽中载气、含氮蒸汽、和含铁蒸汽的相对比例。在一些实施例中，可以控制阀门32、70、和74以在流入CVD室52的气体和蒸汽中产生为在约11.5:1(铁:氮)和约5.65:1(铁:氮)之间的铁与氮的原子比。例如，在流入CVD室52的气体和蒸汽中的铁和氮原子之间的原子比可以是约9:1(铁:氮)，约8:1(铁:氮)，或约6.65:1(铁:氮)。
在一些实施例中，载气的流速可以在约100sccm和约5,000sccm之间，含氮蒸汽的流速可以在约10sccm和约1,000sccm，并且酸或氯化物的流速可以在约10sccm和约1,000sccm之间。流速如这些流速，能够导致约100μm/h和约1,000μm/h之间的涂层生长速率。
在一些实施例中，根据以下反应，HCl可以与室60中的Fe反应：
Fe+HCl→FeCl3+H2
通过第一进口56，FeCl3和H2可以流入CVD室52，其中蒸汽可以与含氮蒸汽如NH3混合。在一些实施例中，根据以下反应，含氮蒸汽和含铁蒸汽可以反应以沉积包括大约8:1的铁与氮的比率的涂层18：
16FeCl3+2NH3+21H2→2Fe8N+48HCl
如上文相对于图1的描述，在涂层18已形成到预定厚度以后，可以退火涂层18以将在涂层18中的至少一些铁氮化物混合物转变为α″-Fe16N2。退火工艺可以类似于或基本上相同于上文相对于图1的描述。
在其它实施例中，可以使用液相外延(LPE)在基底(例如，基底16)上形成涂层(例如，涂层18)。在LPE中，可以冷却包括涂覆材料的溶液，以形成过饱和溶液。在溶液中涂覆材料在浸没在溶液中的基底上沉积涂层。在一些实施例中，过饱和度可以是低的，使得LPE技术是近平衡过程。这可以产生具有高结晶质量(例如，近乎完美的晶体结构)的涂层。另外，由于涂覆材料在溶液中的浓度远大于在蒸汽相技术中涂覆材料的浓度，所以涂层的生长速率可以大于使用气相技术生长的涂层的生长速率。
图6是示出了用于使用LPE在基底82上形成包括α″-Fe16N2的涂层的示例性系统80的概念和示意图。系统80包括其中含有涂覆溶液86的坩埚(crucible)82。系统80还包括RF感应线圈84，其至少部分地包围坩埚82。RF感应线圈84可以电连接至RF源(在图6中未示出)，其引起在RF处流经RF感应线圈84的交流电流。在一些实施例中，通过涂覆溶液86或通过坩埚82可以吸收由RF感应线圈84生成的RF磁场，从而加热涂覆溶液86。
涂覆溶液86可以包括铁在溶剂中的溶液。在一些实施例中，溶剂可以包括含氮化合物，如硝酸铵、尿素、酰胺或肼。在一些实施例中，可以在沉积温度和压力下用氮来过饱和溶剂。示例性酰胺包括碳酰二胺((NH2)2CO；还称为脲)、甲酰胺(上述式1)、苯甲酰胺(上述式2)、乙酰胺(上述式3)、和酸酰胺，但可以使用任何酰胺。在LPE技术期间通过涂覆溶液86经历的温度下，可以将酰胺选择为液体。
涂覆溶液86还包括铁源。在一些实施例中，铁源可以包括含铁化合物。在一些实施例中，铁源包括液态铁供体，如FeCl3或Fe(CO)5。在其它实施例中，铁源可以包括含铁粉。在一些实施例中，含铁粉可以包括基本上纯铁(例如，纯度为大于90at.％的铁)。在一些实施例中，含铁粉可以包括铁氧化物(例如，Fe2O3或Fe3O4)。
在LPE过程中，可以加热涂覆溶液86至高于图7所示的液体-固体铁-氮相图的液相线温度。例如，可以加热溶剂到由在液体-固体铁-氮相图中点A表示的温度。在一些实施例中，当加热到由点A表示的温度时，溶剂可以不包括铁源。
然后可以将铁源或含铁材料溶解于溶剂中以形成饱和的含铁材料的涂覆溶液86。这种溶液饱和溶液是由在液体-固体铁-氮相图上的点B表示。然后可以将基底16浸没在涂覆溶液86中。
然后可以将涂覆溶液86和基底16冷却到由点C表示的温度，其低于液相线。这引起涂覆溶液86的铁材料过饱和，其驱动LPE涂覆技术。在一些实施例中，在其下进行LPE涂覆技术的由点C表示的温度可以是在约600℃和约800℃(虽然点C表示较高的温度)之间。点C是在两相域中，其提供在基底16的表面上沉淀铁氮化物的驱动力，直至达到沉淀结束的在液相线上的点D。在一些实施例中，可以控制铁和氮在涂覆溶液86中的浓度以及在其下进行LPE涂覆技术的温度，以提供铁与氮的约11.5:1(铁:氮)和约5.65:1(铁:氮)之间的原子比。例如，在铁和氮原子之间的原子比可以是约9:1(铁:氮)、约8:1(铁:氮)、或约6.65:1(铁:氮)。
在通过LPE来形成包括铁和氮的涂层以后，可以从坩埚82除去基底16，以及可以在类似于或基本上相同于相对于图1所描述的条件下退火涂层。退火可以促进在涂层中α″-Fe16N2的形成。
由于α″-Fe16N2具有高饱和磁化和磁各向异性常数。高饱和磁化和磁各向异性常数导致可以高于稀土磁铁的磁能积。例如，收集自薄膜α″-Fe16N2永磁铁的实验证据示出了体形Fe16N2永磁铁(bulk Fe6N2 permanent magnet)可以具有所期望的磁性能，包括高达约134兆高斯*奥斯特(MGOe)的磁能积，其是NdFeB(其具有约60MGOe的磁能积)的磁能积的约两倍。另外，铁和氮是丰富的元素，因而是相对便宜的和容易获得的。α″-Fe16N2磁铁的高磁能积可以用于电动机、发电机、磁性记录介质、和磁共振成像(MRI)磁体、以及其它应用。
当本文中针对物理性能，如分子量，或化学特性，如化学式，使用范围时，旨在包括针对其中的具体实施例的范围的所有组合和子组合。
已描述了各种实施例。本领域技术人员将理解，可以对在本公开中描述的实施例进行许多变化和修改，以及可以进行这样的变化和修改而不偏离本公开的精神。这些和其它实施例是在以下权利要求的范围内。
本专利申请与2012年8月17日提交的国际专利申请号PCT/US2012/051382；2014年2月6日提交的国际专利申请号PCT/US2014/015104；以及2014年6月24日提交的国际专利申请号PCT/US2014/043902相关。这些国际专利申请的全部内容以引用方式结合于本文。
条款1：一种方法，包括：加热铁源以形成包含含铁化合物的蒸汽；在基底上由包含含铁化合物的蒸汽沉积铁和由包含含氮化合物的蒸汽沉积氮，以形成包含铁和氮的层；以及退火包含铁和氮的层，以形成至少一些包含α″-Fe16N2的晶体。
条款2：条款1的方法，其中铁源包含固体铁。
条款3：条款1的方法，其中固体铁包含铁粉或铁薄膜的至少一种。
条款4：条款1的方法，其中铁源包含固体铁前体。
条款5：条款4的方法，其中固体铁前体包含Fe2O3粉或Fe2O4粉的至少一种。
条款6：条款1的方法，其中铁源包含液态铁前体。
条款7：条款6的方法，其中液态铁前体包含FeCl3或Fe(CO)5的至少一种。
条款8：条款1至7中任一项的方法，其中通过加热脲以形成脲蒸汽来形成包含含氮化合物的蒸汽。
条款9：条款1至7中任一项的方法，其中通过加热酰胺或肼的至少一种以形成包含氮的蒸汽来形成包含含氮化合物的蒸汽。
条款10：条款1至7中任一项的方法，其中包含含氮化合物的蒸汽包含NH3蒸汽。
条款11：条款1至7中任一项的方法，其中包含含氮化合物的蒸汽包含使用等离子体由双原子氮形成的原子氮。
条款12：条款1至11中任一项的方法，进一步包括加热包含含铁化合物的蒸汽以及包含含氮化合物的蒸汽，以分解包含含铁化合物的蒸汽和包含含氮化合物的蒸汽，从而形成沉积在基底上的原子氮和原子铁。
条款13：条款1至11中任一项的方法，进一步包括将基底加热至高于包含含铁化合物的蒸汽和包含含氮化合物的蒸汽的至少一种的分解温度。
条款14：条款1至13中任一项的方法，其中退火包含铁和氮的层以形成至少一些包含α″-Fe16N2的晶体包括在约100℃和约220℃之间的温度下加热该层约5小和至80小时之间。
条款15：条款1至14中任一项的方法，其中基底包含硅、GaAs、SiC、InGaAs、MgO、SiO2、高温聚合物、或玻璃的至少一种。
条款16：一种方法，包括：将基底浸没在包含含氮溶剂和铁源的涂覆溶液中，其中在高于待沉积自涂覆溶液的铁-氮混合物的液相线温度的第一温度下，涂覆溶液是铁源饱和的；将涂覆溶液冷却至第二温度以形成过饱和涂覆溶液，其中第二温度低于铁-氮混合物的液相线温度；将基底保持在过饱和涂覆溶液中以允许在基底上形成包含铁和氮的涂层；以及退火包含铁和氮的涂层以形成至少一些包含α″-Fe16N2的晶体。
条款17：条款16的方法，其中溶剂包含硝酸铵、酰胺、或肼的至少一种。
条款18：条款16或17的方法，其中铁源包含基本上纯铁、FeCl3、Fe(CO)5、或铁氧化物的至少一种。
条款19：条款16至18中任一项的方法，其中第二温度在约600℃和约800℃之间。
条款20：条款16至19中任一项的方法，其中包含铁和氮的涂层包含铁与氮的约11.5:1(铁:氮)和约5.65:1(铁:氮)之间的原子比。
条款21：条款16至19中任一项的方法，其中包含铁和氮的涂层包含铁与氮的约8:1(铁:氮)的原子比。
条款22：条款16至21中任一项的方法，其中退火包含铁和氮的层以形成至少一些包含α″-Fe16N2的晶体包括在约100℃和约220℃之间的温度下加热该层约5小时和80小时之间。
条款23：条款16至22中任一项的方法，其中基底包含硅、GaAs、SiC、InGaAs、MgO、SiO2、高温聚合物、或玻璃的至少一种。
条款24：一种通过条款1至23中任一项的方法形成的制品。
条款25：一种用于实施条款1至23中任一项的方法的系统。
每个专利、专利申请、以及在本文件中引用或描述的出版物的全部公开内容以引用方式结合于本文。

Claims (29)

1.一种方法，包括：
加热铁源以形成包含含铁化合物的蒸汽；
在基底上由包含所述含铁化合物的蒸汽沉积铁和由包含含氮化合物的蒸汽沉积氮，以形成包含铁和氮的层；以及
退火所述包含铁和氮的层以形成至少一些包含α″-Fe16N2的晶体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铁源包含固体铁。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述固体铁包含铁粉或铁膜的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，铁源包含固体铁前体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述固体铁前体包含Fe2O3粉或Fe2O4粉的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铁源包含液态铁前体。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述液态铁前体包含FeCl3或Fe(CO)5的至少一种。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，通过加热脲以形成脲蒸汽来形成所述包含含氮化合物的蒸汽。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，通过加热酰胺或肼的至少一种以形成包含氮的蒸汽来形成所述包含含氮化合物的蒸汽。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述包含含氮化合物的蒸汽包含NH3蒸汽。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述包含含氮化合物的蒸汽包含使用等离子体由双原子氮形成的原子氮。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，进一步包括加热所述包含含铁化合物的蒸汽和所述包含含氮化合物的蒸汽以分解所述包含含铁化合物的蒸汽和所述包含含氮化合物的蒸汽，从而形成沉积在所述基底上的原子氮和原子铁。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，进一步包括将所述基底加热至高于所述包含含铁化合物的蒸汽和所述包含含氮化合物的蒸汽的至少一种的分解温度。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中退火所述包含铁和氮的层以形成至少一些包含α″-Fe16N2的晶体包括在约100℃和约220℃之间的温度下加热所述层约5小时和80小时之间。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述基底包含硅、GaAs、SiC、InGaAs、MgO、SiO2、SiN、SiAlC、TiN、高温聚合物或玻璃的至少一种。
16.一种方法，包括：
将基底浸没在包含含氮溶剂和铁源的涂覆溶液中，其中在高于待沉积自所述涂覆溶液的铁-氮混合物的液相线温度的第一温度下所述涂覆溶液是所述铁源饱和的；
将所述涂覆溶液冷却至第二温度以形成过饱和涂覆溶液，其中所述第二温度低于所述铁-氮混合物的所述液相线温度；
将所述基底保持在所述过饱和涂覆溶液中以允许包含铁和氮的涂层形成在所述基底上；以及
退火所述包含铁和氮的涂层以形成至少一些包含α″-Fe16N2的晶体。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述溶剂包含硝酸铵、酰胺或肼的至少一种。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述铁源包含基本上纯铁、FeCl3、Fe(CO)5或铁氧化物的至少一种。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所述第二温度在约600℃和约800℃之间。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中，所述包含铁和氮的涂层包含在约11.5:1(铁:氮)和约5.65:1(铁:氮)之间的铁与氮的原子比。
21.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中，所述包含铁和氮的涂层包含约8:1(铁:氮)的铁与氮的原子比。
22.根据权利要求16至21中任一项所述的方法，其中退火所述包含铁和氮的层以形成至少一些包含α″-Fe16N2的晶体包括在约100℃和约220℃之间的温度下加热所述层约5小时和80小时之间。
23.根据权利要求16至22中任一项所述的方法，其中，所述基底包含硅、GaAs、SiC、InGaAs、MgO、SiO2、SiN、SiAlC、TiN、高温聚合物或玻璃的至少一种。
24.一种通过权利要求1至23中任一项所述的方法形成的制品。
25.一种用于实施权利要求1至23中任一项所述的方法的系统。
26.一种包含含有通过权利要求1至23中任一项所述的方法制备的α″-Fe16N2的至少一个相域的工件。
27.根据权利要求26所述的工件，其中，所述工件包含粒料、棒、膜、纳米颗粒、粉或纳米粉。
28.一种包含多个工件的制品，其中，所述多个工件的至少一个工件包含权利要求26或27所述的工件。
29.根据权利要求28所述的制品，其中，所述制品包括电动机、发电机、传感器、驱动器、机动车辆的部件或风力涡轮机的部件。
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