用于高频电感磁芯的超顺磁纳米颗粒材料设计

半导体行业的进步导致对适用于微加工电感磁芯的高频磁性材料的巨大需求。包含非导电基体中磁性纳米颗粒的纳米复合材料，可能为在MHz频段具有高磁化率或磁导率及低功率损耗的材料提供解决方案，而传统铁氧体在该频段性能不足。在此，我们提出此类材料中磁性纳米颗粒使用的设计指南。我们使用统计力学方法推导了单轴或立方各向异性下纳米颗粒的磁化率随颗粒尺寸与外加场方向的变化，并研究了形状与相互作用对磁化率的影响。利用推导的磁化率并着眼于电感磁芯应用，我们表明具有高饱和磁化强度与低磁各向异性的材料（如FeNi$_3$）的近球形颗粒为最优。此外，颗粒尺寸应优化为在相关频率下维持超顺磁行为的前提下尽可能大。基于此，我们预测对于随机取向（/单轴排列）的直径20$\pm$1 nm的FeNi$_3$颗粒，可能的颗粒高磁化率>$700（/>$1500），并具备高频稳定性，表现为在2 MHz时低的异相分量。这意味着含纳米颗粒的材料有潜力被调控以在MHz频率下超越最先进的铁氧体电感磁芯材料。