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ALD 在软磁磁粉体材料改性中的应用
产品： 定制生产型 ALD 系统, Pandora 旋转床 ALD, Prometheus 流化床 ALD, PROMETHEUS XL 流化床 ALD
关键词：磁性材料，原子层沉积，ALD，复纳科技，Forge Nano
日期：2026-08-20
原子层沉积（ALD）为磁性材料提供了一种可量化的界面工程手段：凭借亚纳米级厚度控制、复杂表面的高度保形覆盖以及自限制生长机制，ALD 能够在磁粉表面构筑连续、致密且超薄的功能层。对于软磁材料，这层“看不见的界面”可以切断颗粒间涡流通路、提高电阻率，并兼顾退火保护、抗氧化、表面平滑和应力调控；对于纳米磁性材料，ALD 还可进一步调节矫顽力、界面耦合和亚稳相稳定性。因此，ALD 不仅是绝缘隔离的“防护盾”，更是连接材料微结构与器件效率、功率密度及长期可靠性的“界面手术刀”。
ALD 在颗粒表面包覆氧化铝的机理，采用流化床技术
本文以磁性材料种类为主线，梳理不同磁性材料所采用的 ALD 包覆层类型及其作用机制。
软磁材料承担着电能变换、滤波、储能、传感和电磁兼容中的“磁通通道”角色。新能源汽车、光伏储能、数据中心和 5G 通信正在同时把磁性元件推向更高开关频率、更高功率密度和更高工作温度：频率提高可以缩小电感与变压器体积，却会放大涡流损耗和界面发热；压制密度提高有利于磁导率，却更容易破坏传统绝缘层；高温退火可以释放应力，却可能导致粉末烧结、氧化或涂层失效。软磁粉末真正的难点不是单项性能不足，而是在“高磁导率、低铁损、高饱和、强直流偏置和长期可靠性”之间取得平衡[9,10]。
ALD 的优势恰好作用在这些矛盾的交汇点：它以纳米级厚度构筑连续绝缘层，尽量减少非磁性相占比；在球形、片状、尖角和多孔粉体上保持覆盖一致性；并通过Al2O3、SiO2、TiO2等不同包覆层及复合界面，分别承担绝缘、扩散阻挡、抗氧化、表面平滑和热处理保护功能。
换言之，ALD 不是简单“给磁粉镀一层膜”，而是通过控制颗粒之间如何导电、传热、接触和耦合，决定磁芯在真实器件工况下的损耗与稳定性。
从器件角度看，ALD 最值得关注的不是“包覆后电阻率提高了多少”这一单一数字，而是它能否在更高频率、更高磁通密度和更高温度下持续保持颗粒间绝缘，并在不明显降低磁性相体积分数的前提下降低总铁损。正因如此，粉末 ALD 与软磁复合材料的结合，正在成为第三代半导体电源系统进一步提高效率和功率密度的重要材料路径。
1. Fe 基软磁合金粉末
Fe 基软磁合金粉末（FeSi、FeSiAl、Fe-Ni-Mo）：Al2O3 绝缘包覆是核心方案，通过抑制颗粒间涡流、提高电阻率、防止高温烧结和氧化，并在退火过程中形成稳定的复合绝缘界面，从而优化软磁复合材料（SMC）的铁损、磁导率与频率稳定性。此类材料面向高频电感、PFC 电抗器、车载 OBC/DC-DC、光伏和储能逆变器、服务器电源磁件及电磁干扰滤波器等应用。不同合金的最佳退火温度不同（FeSi 约 1100°C，FeSiAl 约 1000°C），涂层设计必须同时考虑绝缘完整性、磁性相演变和压制成形后的界面耐久性。
图1 左上：软磁性复合材料制备原理图；左下：20、50、100 个 ALD 循环后样品的 Q 值和铁芯损耗[4]；中上：退火后的 ALD-Fe-6.5wt%Si 粉末的截面亮场 TEM / SAED/EDS 图像[2]；中下：FeSiAl 粉末的 2D 和 3D 原子力显微镜图像[3]；右：不同温度退火前后涂层表面形貌和结构演变[1]
ALD 以 TMA 和 H2O 为前驱体，经 100 循环在 FeSi 粉末表面沉积约 20 nm 的均匀、致密、非晶态 Al2O3 层。该层切断了颗粒间电流通路，将涡流限制在单颗粒内部，退火时不仅可防止颗粒发生烧结和氧化，同时起到扩散屏障的作用，阻碍 Fe 离子向外扩散，1100°C 退火后涂层演变为含 Fe2SiO4 和 3Al2O3·SiO2（铝硅酸盐）的高电阻率复合绝缘层，电阻率达 3.39 Ω·m，颗粒间涡流损耗仅2.5×10-4 mW/cm3[1, 2]。与 FeSi 不同，FeSiAl 中 Al2O3 涂层在 1100°C 即开始分解，因此 FeSiAl 的最佳退火温度为 1000°C[3]。ALD-Al2O3包覆 Fe-Ni-Mo 在经过 50 个循环后粉末电阻率较原始提高 3.9×109 倍，包覆后 SMC 在 10 kHz–2 MHz 频率内 μe 稳定性>97%[4]。
2. Ni 基磁性材料
Ni 基磁性材料（Ni颗粒、Ni纳米线）：ALD 包覆展现出从生物兼容（TiO2）到纳米存储（SiO2/Fe3O4/SiO2核壳）的功能跨度，体现了 ALD 保形包覆在多样化应用场景中的适应性。
图2 左：未包覆和包覆 TiO2 涂层Ni颗粒的 SEM 以及 SEMFIB 图像；中上：Ni 颗粒（红色）及其 ALD 涂层后（蓝色）的磁化曲线；中下：琼脂培养基上的酿酒酵母菌落[5]；右上：SiO2/Fe3O4/SiO2 包覆层的 TEM 图像；右下：样品的磁滞回线及其磁化率以及Ni/SiO2/Fe3O4/SiO2核壳纳米线阵列的磁滞小回线[6]
采用 TiCl4 和 H2O 为前驱体的两梯度温度 ALD 工艺（150°C 成核 +300°C 结晶），在球形 Ni 颗粒表面沉积约 10 nm 的锐钛矿相 TiO2 层。TiO2 的化学与机械稳定性保护 Ni 颗粒免受腐蚀，毒理实验显示包覆颗粒对细菌、酵母和淡水甲壳类均无毒性，可适用于生物兼容传感应用，此外锐钛矿相的 TiO2 光催化性质还可用于抗菌。包覆后 Ni 颗粒矫顽力从 3580 A/m 降至 238 A/m，对外磁场敏感性大幅提高，展现出更优的软磁传感属性[5]。
除了单层包覆，ALD 的高度保形和循环可控特性还适合构筑多层核壳结构。例如，利用 ALD 沉积 SiO2/Fe3O4/SiO2 多层包覆层：最内层 SiO2（5 nm）作为保护鞘，防止 Ni 核被酸蚀和空气氧化；中间 Fe3O4 壳层（8–18 nm，由 ALD-Fe2O3热还原获得）提供磁性功能；外层 SiO2（10–25 nm）作为非磁性间隔层，隔离 Ni 与 Fe3O4 壳层，降低相邻存储位点之间的杂散场耦合[6]。
3. 纳米晶
纳米晶软磁材料通过交换耦合降低有效磁各向异性，并利用非晶/纳米晶双相结构实现低矫顽力、高磁导率、高饱和磁感应强度和低铁损的协同。其应用正从传统共模电感和高频变压器，延伸到新能源汽车 OBC 与 DC-DC 模块、充电桩、光伏/储能逆变器、高频服务器电源、无线充电磁芯以及航空航天高功率密度电源。随着 SiC、GaN 功率器件提升开关频率，磁芯损耗和热管理逐渐成为限制系统小型化的关键环节。
ALD 通过在每一颗不规则纳米晶粉末表面沉积均匀致密的超薄绝缘层，填补传统包覆在尖角、片状边缘和微孔处的缺陷，将涡流限制在单颗粒尺度。与增加大量树脂或无机粘结剂相比，纳米级 ALD 层以更小的非磁性体积分数获得完整绝缘，有利于兼顾压坯密度、有效磁导率与高频损耗；同时，ALD 层可作为退火扩散和氧化屏障，减轻压制、热处理以及长期温升造成的界面劣化。因此，ALD 的价值不只是降低一次测试中的铁损，更在于把软磁粉末的高频性能、温度稳定性和批次一致性转化为器件层面的效率与可靠性。
图3 左上：粉末的横截面 SEM/TEM 图像以及对应的 EDS 元素分布图；右上：样品各参数的变化以及温度依赖性[7]；下：不同厚度 TiO2 性能对比及异质多层绝缘结构示意[8]
例如，针对片状 FeSiBNbCu 纳米晶软磁复合材料，ALD 在磷酸盐预处理层上沉积约 35 nm 的均匀致密 SiO2 绝缘层。片状粉末的尖锐边缘容易导致传统磷酸盐层厚度不均，ALD-SiO2 的保形覆盖能够平滑边缘并填补孔隙，形成连续的复合绝缘层（磷酸盐约 385 nm + SiO2 约 35 nm），使粉末电阻率提升约 108 倍，从而显著抑制颗粒间涡流。均匀包覆还有助于缓解压制引入的局部应力和微磁极，降低矫顽力及磁滞损耗[7]。除 SiO2 外，ALD-TiO2 经退火晶化和界面元素互扩散，可形成 TiO2/磷酸盐/(SiO2, Nb2O5)异质多层绝缘结构，弥补磷酸盐钝化层覆盖不完整的问题，在降低铁损的同时改善直流偏置、品质因数以及频率/温度稳定性[8]。对于高频电感和高功率密度磁件，这种“薄而连续”的绝缘界面正是降低损耗而不过度牺牲磁导率的关键。
从“磁粉包覆”走向“器件效率设计”
软磁材料的应用边界，正在由功率半导体的开关速度和整机热管理能力共同决定。无论是新能源汽车 OBC、光伏储能逆变器、服务器电源，还是 5G 滤波和航空电源，最终都落在同一个问题上：如何让磁芯在更高频率、更高功率密度下保持低损耗和稳定磁导率。传统湿法包覆常受制于尖角漏覆、厚度不均、孔隙和热处理失效，而 ALD 能够把绝缘层厚度、成分和界面反应控制到纳米尺度，为不同粉末形貌和不同工作频段提供可设计的解决方案。
评价 ALD 软磁包覆不应只看膜层是否存在，即便厚度符合要求，也会由于涂层致密度和结合力导致包覆失效。因此，应同时考察粉末电阻率、压坯密度、有效磁导率、直流偏置、不同频率和温度下的铁损，以及退火和循环使用后的绝缘完整性。只有把“材料—包覆—成形—热处理—器件工况”连成一条完整链路，ALD 才能真正从实验室界面技术转化为高效磁性元件的制造能力。
此外由于动辄需要 5-20nm 的厚膜包覆，同时涂层质量要求极高，这对ALD工艺效率和设备工程化能力都是不小的挑战。Forge Nano是全球最早开展商业化粉体ALD工艺开发的公司，设备覆盖研发、放大及量产全流程：PANDORA™ 为桌面式旋转反应器，适合毫克至克级配方筛选；PROMETHEUS™ 采用流化床反应器，批量覆盖单克至 20 kg，支持难流化粉体、臭氧和质谱等选配，用于工艺开发与中试；LITHOS™ 面向规模化生产，通过机械搅拌强化气固接触，单批处理量最高可达吨级。全系列均可在复杂粉末表面形成均匀、致密且厚度可控的纳米包覆层。
参考资料
[1] Jian Wang, Zhaoguo Qiu, Jia Xu, Zhigang Zheng, Xin Liu, Dechang Zeng; Evolution of coating layers during high-temperature annealing and their effects on magnetic behavior of Fe(Si) soft magnetic composites. Advanced Powder Technology, Volume 33, Issue 12, 2022, 103876.
[2] Jian Wang, Xin Liu, Zhigang Zheng, Zhaoguo Qiu, Kefeng Li, Jia Xu, Kechao Lu, Dechang Zeng; Reduction of core loss for FeSi soft magnetic composites prepared using atomic layer deposition-based coating and high-temperature annealing. Journal of Alloys and Compounds, Volume 909, 2022, 164655.
[3] Jian Wang, Guanbiao Li, Yihai He, Jia Xu, Zhaoguo Qiu, Zhigang Zheng, Ming Xie, Yuyu Li, Yunan Tian, Xin Liu, Dechang Zeng; Improvement in core losses for FeSiAl soft magnetic composites induced by powder annealing treatment. Journal of Materials Research and Technology, Volume 24, 2023, 2500-2513.
[4] Zhangqiao Zhou, Meiqi Wen, Qi Li, Ruilin Zhou, Xian Wang. Correlating the coating cycles, integrity and magnetic properties of Fe–Ni–Mo soft magnetic composites by a powder atomic layer deposition method. Ceramics International, Volume 50, Issue 17, Part A, 2024, 29377-29387.
[5] Peep Uudekülla, Jekaterina Kozlovaa, Hugo Mändara, Joosep Linkc, Mariliis Sihtmäeb, Sandra Käosaarb,d, Irina Blinovab, Kaja Kasemetsb, Anne Kahrub, Raivo Sternc, Tanel Tättea, Kaupo Kuklia,e, Aile Tamm; Atomic layer deposition of titanium oxide films on As-synthesized magnetic Ni particles : Magnetic and safety properties', Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 429, 299-304.
[6] Chong, Yuen Tung. Magnetic nanostructures by atomic layer deposition. Diss. Dissertation, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 2011.
[7]Bang Zhou, Wenyue Song, Chunyun Jiang, Jiayi He, Min Nie, Chunlei Dai, Hai Guo, Bo Li; Enhancing electromagnetic properties of flaky Fe-Si-B-Nb-Cu nanocrystalline soft magnetic composites via atomic layer deposition-induced uniform insulating layers. Materials Research Bulletin, Volume 192, 2025, 113587,
[8] Bang Zhou, Yang Zhou, Shuainan Xu, Tongxin Yuan, Jiayi He, Min Nie, Hai Guo, Bo Li, Hongya Yu, Zhongwu Liu; Boosting Electromagnetic Properties of Nanocrystalline Soft Magnetic Composites by Constructing a Heterogeneous Insulating Multilayer. ACS Appl. Mater. Interfaces 13 May 2026; 18 (18): 26633–26643
[9] H. Shokrollahi, K. Janghorban; Soft magnetic composite materials (SMCs). Journal of Materials Processing Technology, 189 (2007), 1–12. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.02.034
[10] Shuhan Lu, Minggang Wang, Zhankui Zhao; Recent advances and future developments in Fe-based amorphous soft magnetic composites. Journal of Non-Crystalline Solids, 616 (2023), 122440. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2023.122440
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