随着第三代半导体逐渐开始在电力电子器件中的规模化应用，电子器件朝着高频化、小型化、高效化的方向发展。软磁器件在电路中通常与半导体芯片配合使用，起到储能、传输和滤波的作用，是新一代电子电力和电机器件能否高效运行的关键。其中磁导率反映了软磁材料对外加磁场响应能力，是磁性器件在高频下使用的重要参数。电子器件的高频化对软磁材料在高频下的磁导率提出了更高的要求，然而软磁材料的磁导率随着频率的增加而迅速衰减，已经成为其应用中的主要障碍。研发新一代高频高性能软磁材料，对于实现高频电子器件以及高速电机的高效率、小体积和大功率的优势起着至关重要的作用。

纳米晶合金是通过对非晶态合金前驱体进行晶化退火，在非晶态基体中析出大量细小的纳米晶而获得的。和传统的软磁材料（如硅钢、铁氧体）相比, 纳米晶合金具有更优异的高频磁导率、较低的能量损耗，被认为是最有前途的下一代软磁材料。然而基于匹配第三代半导体器件的应用场景而言，现有纳米晶合金的高频磁导率仍然有限。目前在软磁纳米晶合金中最常用的晶化策略通常是在合金里加入微量Cu和Nb元素 (Cu可以作为纳米晶的异质形核点，Nb富集在晶界处阻碍纳米晶长大)。但经过几十年的研究，基于该晶化策略的性能优化也已趋近于极限。除了采用成本更高的超薄带以外，基于成分和纳米晶化退火工艺再进一步提高其磁导率非常困难。

近期，我校先进材料研究院博士生李雪松等人在先进材料研究院首席科学家汪卫华研究员、中科院物理所孙保安研究员和白海洋研究员的指导下，在铁基非晶合金里发现了一种以磁不均匀性为形核核心的新型纳米晶化机制，在此基础上开发出一种具有优异高频磁导率的新型软磁纳米晶合金材料，该材料在100 kHz下的有效磁导率高达36000（比目前磁导率最高的FeSiBCuNb纳米晶合金高44%），并且随着频率的提高，优势变得更加显著。该材料同时表现出较高饱和磁感应强度（1.42 T）、低损耗（120 kW/m³ @0.2 T，100 kHz）。该材料还具有较低的材料成本和良好的玻璃形成能力，目前已成功实现百公斤级别的宽幅工业带材生产。

该材料主要是在传统的FeSiBCuNb纳米晶合金体系的基础上微量添加Co和Mo元素。不同于传统的基于Cu和Nb的纳米晶化机制，这里通过在外加磁场的诱导下，使Fe-Co磁性原子团簇提供了大量纳米晶的成核位点，Mo原子聚集在纳米晶界面周围，和Nb元素共同作用，从而抑制了纳米晶的生长，进而形成具有极细晶粒尺寸的非晶-纳米晶双相结构，该合金的平均晶粒尺寸仅为11.8 nm，仅为不掺杂Co和Mo的同体系合金的平均晶粒尺寸（20.8 nm）的一半左右（图1）。

图1   Fe_75.5Co_0.5Mo_0.5Cu₁Nb_1.5Si₁₃B₈和Fe_76.5Cu₁Nb_1.5Si₁₃B₈纳米晶合金的微观结构

这种新型Fe_75.5Co_0.5Mo_0.5Cu₁Nb_1.5Si₁₃B₈纳米晶合金在高频下表现出超高磁导率、极低的铁损和高饱和磁感应强度（图2）。

图2   典型软磁材料和新型Fe_75.5Co_0.5Mo_0.5Cu₁Nb_1.5Si₁₃B₈纳米晶合金软磁性能（μ_e、B_s、P_cv）统计图

基于这种全新的磁不均匀性主导的纳米晶化机制，有望开发更多具有优异综合软磁性能的纳米晶合金材料，同时新材料有望在高频高效电子器件中获得应用。相关研究成果以“Ultrahigh permeability at high frequencies via a magnetic-heterogeneous nanocrystallization mechanism in an iron-based amorphous alloy”为题，于2023年8月21日在线发表在Advanced Materials上。周靖副研究员和博士生李雪松为论文的共同第一作者，孙保安研究员和白海洋研究员为论文的共同通讯作者。上述研究工作得到了广东省基础与应用基础研究重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金委项目和中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。

《Advanced Materials》是一本由WILEY-V C H VERLAG GMBH出版的一本工程技术-材料科学的综合学术刊物，主要报道功能材料化学和物理学最前沿，发表高质量的研究文章，综述和观点。本刊已入选科学引文索引（SCI），属于国际一流期刊。该期刊的JCR分区为Q1，中科院分区为1区，2022年期刊影响因子为29.4。