(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各層がα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む、層の第一の組と、
各層がα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含む。）との混合物を含む、層の第二の組と
を含む物品であって、前記層の第一の組の１つ又はそれより多くの各層が、前記層の第二の組の１つ又はそれより多くの各層と交互に配置されている物品。
【請求項２】
前記層の第二の組の各層中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2の比が約１：１であるか、または約４．６６７：５．３３３である、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
各層がα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む、層の第一の組と、
各層がα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含み、ｘは０より大きく、１より小さい数である。）を含む、層の第二の組と
を含む物品であって、前記層の第一の組の１つ又はそれより多くの各層が、前記層の第二の組の１つ又はそれより多くの各層と交互に配置されている物品。
【請求項４】
ｘが約０．５に等しいか、または約０．４６６７に等しい、請求項３に記載の物品。
【請求項５】
交換スプリング結合により、前記層の第二の組の１つ又はそれより多くの各層が、前記層の第一の組の１つ又はそれより多くの各層と磁気的に結合している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の物品。
【請求項６】
強磁性ドーパント、非磁性ドーパント、又は相安定剤の少なくとも１種を更に含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の物品。
【請求項７】
前記層の第一の組の少なくとも１つの層が、軟質磁性材料を含む少なくとも１つのドメインを更に含み、前記層の第一の組の少なくとも１つの層中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2が、軟質磁性材料を含む少なくとも１つのドメインと磁気的に結合している、請求項１〜６のいずれか１項に記載の物品。
【請求項８】
前記物品が、電気モーター、発電機、センサ、アクチュエーター、自動車の部品、又は風力タービンの部品である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の物品。
【請求項９】
鉄ソースを加熱して鉄含有化合物を含む蒸気を形成すること、
鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を基材上方に堆積させて、鉄と窒素を含む第一の層を形成すること、
鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気から炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を前記基材上方に堆積させて、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を形成すること、及び
前記第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を、前記第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含み、ｘはゼロより大きく、１より小さい数である。）を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
【請求項１０】
鉄ソースを加熱して鉄含有化合物を含む蒸気を形成すること、
鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を基材上方に堆積させて、鉄と窒素を含む第一の層を形成すること、
鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気から炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を前記基材上方に堆積させて、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を形成すること、及び
前記第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を、前記第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む。）を含む少なくとも幾らかの結晶とを形成することを含む方法。
【請求項１１】
前記第一の層が前記基材上に形成され、前記第二の層が前記第一の層上に形成されるか、または前記第二の層が前記基材上に形成され、前記第一の層が前記第二の層上に形成される、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記鉄ソースが鉄粉末又は鉄薄膜の少なくとも１種を含む固体鉄を含む、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
鉄ソースがＦｅ2Ｏ3粉末又はＦｅ2Ｏ4粉末の少なくとも１種を含む固体鉄前駆体を含む、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記鉄ソースがＦｅＣｌ3又はＦｅ（ＣＯ）5の少なくとも１種を含む液体鉄前駆体を含む、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記窒素含有化合物を含む前記蒸気が、
少なくとも尿素を加熱して尿素を含む蒸気を形成することにより形成されるか、または
少なくともアミド又はヒドラジンの少なくとも１種を加熱して窒素含有化合物を含む蒸気を形成することにより形成され、あるいは
ＮＨ3蒸気を含むか、または
プラズマを用いて二原子窒素から形成された原子状窒素を含む、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気を与えることが、純粋な炭素又は尿素の少なくとも１種を含む炭素の固体ソースを加熱して炭素を含む蒸気を形成することを含む、請求項９〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気が、一酸化炭素、二酸化炭素、又はメタンの少なくとも１種を含む蒸気を含む、請求項９〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記鉄含有化合物を含む蒸気及び前記窒素含有化合物を含む蒸気を加熱して前記鉄含有化合物を含む蒸気及び前記窒素含有化合物を含む蒸気を分解して、前記第一の層中で前記基材上に堆積する原子状窒素と原子状鉄を形成することを更に含む、請求項９〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
原子状窒素及び原子状鉄が前記第一の層中で前記基材上に堆積するように、前記鉄含有化合物を含む蒸気、及び前記窒素含有化合物を含む蒸気の少なくとも１種の分解温度を超えて前記基材を加熱することを更に含む、請求項９〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記鉄含有化合物を含む蒸気と、前記窒素含有化合物を含む蒸気と、前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気とを加熱して、前記鉄含有化合物を含む蒸気と、前記窒素含有化合物を含む蒸気と、前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気とを分解して、前記第二の層中で前記基材上に堆積する原子状窒素と、原子状鉄と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種の原子とを形成することを更に含む、請求項９〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
原子状窒素、原子状鉄、及び炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種の原子が前記第二の層中で前記基材上に堆積するように、前記鉄含有化合物を含む蒸気、前記窒素含有化合物を含む蒸気、及び前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気の少なくとも１種の分解温度を超えて前記基材を加熱することを更に含む、請求項９〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記第一の層と前記第二の層をアニールすることが、約５時間〜８０時間、約１００℃〜約３００℃の温度にて層を加熱することを含む、請求項９〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
窒素含有溶媒と鉄ソースとを含む第一のコーティング溶液に基材を浸漬させるに際し、前記第一のコーティング溶液が、前記第一のコーティング溶液から堆積される鉄‐窒素混合物の液相線温度を超える第一の温度にて鉄ソースにより飽和されること、
前記第一のコーティング溶液を鉄‐窒素混合物の液相線温度未満の第二の温度に冷却して過飽和の第一のコーティング溶液を形成すること、
前記過飽和の第一のコーティング溶液中に前記基材を維持することにより、鉄と窒素を含む第一の層を前記基材上方に形成すること、
窒素含有溶媒と、鉄ソースと、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む化合物とを含む第二のコーティング溶液に前記基材を浸漬させるに際し、前記第二のコーティング溶液が、前記第二のコーティング溶液から堆積される混合物の液相線温度を超える第三の温度にて鉄ソースにより飽和されること、
前記第二のコーティング溶液を混合物の液相線温度未満の第四の温度に冷却して過飽和の第二のコーティング溶液を形成すること、
前記過飽和の第二のコーティング溶液中に前記基材を維持することにより、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を前記基材上方に形成すること、
前記第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成すること、及び
前記第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含み、ｘはゼロより大きく、１より小さい数である。）を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
【請求項２４】
窒素含有溶媒と鉄ソースとを含む第一のコーティング溶液に基材を浸漬させるに際し、前記第一のコーティング溶液が、前記第一のコーティング溶液から堆積される鉄‐窒素混合物の液相線温度を超える第一の温度にて鉄ソースにより飽和されること、
前記第一のコーティング溶液を鉄‐窒素混合物の液相線温度未満の第二の温度に冷却して過飽和の第一のコーティング溶液を形成すること、
前記過飽和の第一のコーティング溶液中に前記基材を維持することにより、鉄と窒素を含む第一の層を前記基材上方に形成すること、
窒素含有溶媒と、鉄ソースと、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む化合物とを含む第二のコーティング溶液に前記基材を浸漬させるに際し、前記第二のコーティング溶液が、前記第二のコーティング溶液から堆積される混合物の液相線温度を超える第三の温度にて鉄ソースにより飽和されること、
前記第二のコーティング溶液を混合物の液相線温度未満の第四の温度に冷却して過飽和の第二のコーティング溶液を形成すること、
前記過飽和の第二のコーティング溶液中に前記基材をある期間に亘って維持することにより、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を前記基材上方に形成すること、並びに
前記第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成すること、及び前記第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む。）との混合物を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
【請求項２５】
前記第一の層が前記基材上に形成され、前記第二の層が前記第一の層上に形成されるか、または前記第二の層が前記基材上に形成され、前記第一の層が前記第二の層上に形成される、請求項２３又は２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記溶媒が、アミド又はヒドラジンの少なくとも１種を含み、前記鉄ソースが、実質的に純粋な鉄、ＦｅＣｌ3、Ｆｅ（ＣＯ）5、又は酸化鉄の少なくとも１種を含む、請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記第二の温度が約６００℃〜約８００℃である、請求項２３〜２６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
前記第一のコーティングが、約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）の鉄と窒素の原子比率を含む、請求項２３〜２７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２９】
前記第二のコーティングが、約１１．５：１〜約５．６５：１の鉄：窒素＋炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種の原子比率を含む、請求項２３〜２８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３０】
前記第一のコーティングをアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成すること、及び前記第二のコーティングをアニールしてα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2又はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2との混合物を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することが、約５時間〜約８０時間、約１００℃〜約３００℃の温度にて前記第一のコーティング及び前記第二のコーティングを加熱することを含む、請求項２３〜２９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本件は、全体の内容が参照により本開示に組み入れられる、２０１４年８月８日に出願された米国特許仮出願第６２／０３５，２３０号の利益を主張する。
【０００２】
技術分野
本開示は、硬質磁性材料を形成する硬質磁性材料及び手法に関する。
【０００３】
背景
硬質磁性材料から製造された永久磁石は、例えば代替的なエネルギーシステムを含む多くの電気機械システムにおいて役割を果たす。例えば、永久磁石は乗り物、風力タービン、及び他の代替的なエネルギー機構において用いることができる電気モーター又は発電機において用いられる。現在使用されている多くの永久磁石は、高いエネルギー積をもたらすネオジム等の希土類元素を含む。これらの希土類元素は比較的供給不足であり、将来価格の上昇及び／又は供給不足に直面する可能性がある。加えて、希土類元素を含む幾つかの永久磁石は、製造が高コストである。例えば、ＮｂＦｅＢ及びフェライト磁石の製造は、一般的に材料を押しつぶすこと、材料を圧縮すること、及び１０００℃超の温度にて焼結することを含み、これらの全ては磁石の高い製造コストに寄与する。加えて、希土類の採鉱は、深刻な環境破壊をもたらす可能性がある。
【発明の概要】
【０００４】
本開示は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む多層硬質磁性材料、及びα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む多層硬質磁性材料の形成方法を記載する。例えば、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む多層硬質磁性材料は、化学気相堆積（ＣＶＤ）又は液相エピタキシー（ＬＰＥ）を用いて形成することができる。Ｆｅ16Ｎ2が高い飽和磁化、高い磁気異方性定数、及び高いエネルギー積を有するため、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む多層硬質磁性材料は、希土類元素を含む永久磁石の代替物を提供することができる。多層硬質磁性材料は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの層、及び軟質磁性材料を含む少なくとも１つの層を含むことができる。幾つかの例において、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む各層は、軟質磁性材料を含む各層と交互に配置されることができる。
【０００５】
幾つかの例において、本開示は鉄ソースを加熱して鉄含有化合物を含む蒸気を形成すること、及び鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を基材上方に堆積させて、鉄と窒素を含む第一の層を形成することを含む方法を記載する。加えて、方法は、鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気から炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を基材上方に堆積させて、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を形成することを含むことができる。幾つかの例において、方法は、第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成すること、及び第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含み、ｘはゼロより大きく、１より小さい数である。）を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することをさらに含む。
【０００６】
幾つかの例において、本開示は、鉄ソースを加熱して鉄含有化合物を含む蒸気を形成すること、及び鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を基材上方に堆積させて、鉄と窒素を含む第一の層を形成することを含む方法を記載する。加えて、方法は、鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気から炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を基材上方に堆積させて、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を形成することを含むことができる。幾つかの例において、方法は、第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成すること、及び第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む。）を含む少なくとも幾らかの結晶とを形成することをさらに含む。
【０００７】
幾つかの例において、本開示は、窒素含有溶媒と鉄ソースを含む第一のコーティング溶液中に基材を浸漬するに際し、第一のコーティング溶液が、第一のコーティング溶液から堆積される鉄‐窒素混合物の液相線温度を超える第一の温度にて鉄ソースにより飽和されること、第一のコーティング溶液を鉄‐窒素混合物の液相線温度未満の第二の温度に冷却して過飽和の第一のコーティング溶液を形成すること、及び過飽和の第一のコーティング溶液中に基材を維持することにより、鉄と窒素を含む第一の層を基材上方に形成することを含む方法を記載する。方法は、窒素含有溶媒と、鉄ソースと、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む化合物とを含む第二のコーティング溶液中に基材を浸漬するに際し、第二のコーティング溶液が、第二のコーティング溶液から堆積される混合物の液相線温度を超える第三の温度にて鉄ソースにより飽和されること、第二のコーティング溶液を混合物の液相線温度未満の第四の温度に冷却して過飽和の第二のコーティング溶液を形成すること、及び過飽和の第二のコーティング溶液中に基材を維持することにより、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を基材上方に形成することを含むこともできる。幾つかの例において、方法は、第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成すること、及び第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含み、ｘはゼロより大きく、１より小さい数である。）を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することをさらに含む。
【０００８】
幾つかの例において、本開示は、窒素含有溶媒と鉄ソースを含む第一のコーティング溶液に基材を浸漬するに際し、第一のコーティング溶液が、第一のコーティング溶液から堆積される鉄‐窒素混合物の液相線温度を超える第一の温度にて鉄ソースにより飽和されること、第一のコーティング溶液を鉄‐窒素混合物の液相線温度未満の第二の温度に冷却して過飽和の第一のコーティング溶液を形成すること、及び過飽和の第一のコーティング溶液中に基材を維持することにより、鉄と窒素を含む第一の層を基材上方に形成することを含む方法を記載する。方法は、窒素含有溶媒と、鉄ソースと、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む化合物とを含む第二のコーティング溶液に基材を浸漬するに際し、第二のコーティング溶液が、第二のコーティング溶液から堆積される混合物の液相線温度を超える第三の温度にて鉄ソースにより飽和されること、第二のコーティング溶液を混合物の液相線温度未満の第四の温度に冷却して過飽和の第二のコーティング溶液を形成すること、及び過飽和の第二のコーティング溶液中に基材を維持することにより、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を基材上方に形成することを含むこともできる。幾つかの例において、方法は、第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成すること、及び第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐ＦｅＺ2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む。）との混合物を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することをさらに含む。
【０００９】
幾つかの例において、本開示は、各層がα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む、層の第一の組と、各層がα’’‐Ｆｅ16Ｎ2及びα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含む。）の混合物を含む、層の第二の組とを含む物品であって、層の第一の組の１つ又はそれより多くの各層が、層の第二の組の１つ又はそれより多くの各層と交互に配置されている、物品を記載する。
【００１０】
幾つかの例において、本開示は、各層がα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む、層の第一の組と、各層がα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含み、ｘはゼロより大きく、１より小さい数である。）を含む、層の第二の組であって、層の第一の組の１つ又はそれより多くの各層が、層の第二の組の１つ又はそれより多くの各層と交互に配置されている、層の第一の組と第二の組を記載する。
【００１１】
１つ又はそれより多くの例の詳細は、添付の図面及び以下の詳細な説明に記載される。他の特徴、物品、及び利点は、明細書及び図面、並びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
概要、及び以下の詳細な説明は、添付の図面と関連して読む際に更に理解される。本開示を示す目的のために、図面において例が示されているが、本開示は開示された特定の方法、組成物、及び装置に限定されない。加えて、図面は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。
【図１】図１は、基材と、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの層を含む多層硬質磁性材料とを含む例示的な物品を示す概念概略図である。
【図２】図２は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ユニットセルを示す概念図である。
【図３】図３は、鉄又は鉄窒化物（例えばＦｅ8Ｎ）のドメイン及びα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメインを有する材料を示す概念図である。
【図４】図４は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2のドメイン及びα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含む。）のドメインを含む軟質磁性材料を示す概念図である。
【図５】図５は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの層を含む多層硬質磁性材料を形成する例示的な化学気相堆積装置を示す概念概略図である。
【図６】図６は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの層を含む多層硬質磁性材料を形成する例示的な化学気相堆積装置を示す概念概略図である。
【図７】図７は、ＬＰＥを用いて基材上方に鉄窒化物を含む少なくとも１つの層と、鉄、窒素、及び炭素を含む少なくとも１つの層とを含む多層コーティングを形成する例示的な装置を示す概念概略図である。
【図８】図８は、例示的な液体‐固体鉄‐窒素相図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示は、本開示の一部を形成する添付の図面及び例に関連してとられる以下の詳細な説明を参照することにより、より容易に理解することができる。本開示は、本開示に記載され、及び／又は示された特定の装置、方法、応用、条件、又はパラメータに限定されないこと、並びに本開示で用いられる専門用語は、特に例を記載する目的であり、特許請求の範囲を限定するように意図されていないことを理解されたい。値の範囲が表されている場合、別の例は、１つの特定の値から及び／又は他の特定の値までを含む。同様に、値が、先行詞「約」の使用により概算として表されている場合、特定の値が別の例を形成することが理解されるであろう。全ての範囲は包括的であり、組み合わせることができる。更に、範囲に記載された値への言及は、その範囲内の各及び全ての値を含む。本開示で用いられる用語「含む」の使用は、用語「からなる」及び「本質的に〜からなる」を使用する他の実施態様も包含するべきである。
【００１４】
わかりやすさのために別個の例の文脈において本開示で記載された本開示のある特徴は、単独の例の組み合わせで与えられてもよいことが理解されるであろう。逆に言うと、わかりやすさのために単独の例の文脈において記載された本開示の種々の特徴は、別個に又は任意のサブコンビネーションで与えられてもよい。
【００１５】
本開示は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの層を含む多層硬質磁性材料、及び多層硬質磁性材料を形成する技術を開示する。Ｆｅ16Ｎ2が高い飽和磁化、高い磁気異方性定数、及び高いエネルギー積を有するため、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの層を含む多層硬質磁性材料は、希土類元素を含む永久磁石の代替物を提供することができる。
【００１６】
α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの層を含む硬質磁性材料を形成する方法としては、化学気相堆積（ＣＶＤ）又は液相エピタキシー（ＬＰＥ）を挙げることができる。これらの方法のいずれかを用いて、基材上にα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの層、及び軟質磁性材料を含む少なくとも１つの層を含む薄膜を堆積させることができる。幾つかの例において、基材としてはシリコン、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどの半導体を挙げることができる。他の例において、基材はガラス、高温ポリマー、ＳｉＣ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2（例えばＳｉ又は他の半導体基材上のＳｉＯ2の層）、金属、たとえばＦｅ、Ａｌ、又は銅などの別の材料を含むことができる。
【００１７】
α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの層を含む多層硬質磁性材料は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの層に加えて少なくとも１つの他の層も含む。例えば、多層構造はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む幾つかの層と、軟質磁性材料を含む幾つかの層とを含むことができる。幾つかの例において、軟質磁性材料は、α’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、ｘはゼロより大きく、１より小さい数である。）、又はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、Ｚはホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、又は酸素（Ｏ）の少なくとも１種である。）との混合物を含むことができる。軟質磁性材料の別の例としては、純粋なＦｅが挙げられる。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む１つ又はそれより多くの層は、軟質磁性材料を含む１つ又はそれより多くの層と交互に配置されることができる。幾つかの例において、層の各々をＣＶＤ又はＬＰＥを用いて堆積させることができる。軟質磁性材料を含む層は、多層構造が硬質磁性材料として働くように、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む層と交換結合することができる。
【００１８】
ＣＶＤ又はＬＰＥは、半導体デバイスへのα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料の組み入れ、及び半導体プロセスへのα’’‐Ｆｅ16Ｎ2形成の組み入れを可能にすることができる。例えば、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、磁性体論理デバイス、磁気ストレージデバイス、磁気微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、微小モーター、マイクロアクチュエーターなどに組み入れることができる。
【００１９】
他の例において、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2と軟質磁性材料を含む層とを含む硬質磁性材料は、例えば複数の層を結合することによりバルク磁性材料に組み入れることができる。バルク磁性材料は、硬質磁性材料（例えば永久磁石)であることができ、電気モーター、発電機、磁気センサ、アクチュエーター、自動車の部品、風力タービンの部品などの物品中で使用することができる。幾つかの例において、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2と軟質磁性材料を含む層とを含む硬質磁性材料は、加工対象物（ペレット、ロッド、薄膜、ナノ粒子、粉末、又はナノスケール粉末を挙げることができる）に組み入れることができる。
【００２０】
図１は、基材１２と、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの層を含む多層硬質磁性材料１４とを含む例示的な物品１０を示す概念概略図である。図１に示されるように、多層硬質磁性材料１４は、層１６の第一の組と、層１８の第二の組とを含む。層１６の第一の組の１つ又はそれより多くの各層は、層１８の第二の組の１つ又はそれより多くの各層と交互であり、または交互に配置されることができる。物品１０の例としては、半導体デバイス、ＭＲＡＭ、磁性体論理デバイス、磁気ストレージデバイス、磁気ＭＥＭＳ、マイクロモーター、マイクロアクチュエーター、マイクロセンサなどが挙げられる。
【００２１】
幾つかの例において、層１６の第一の組の層はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含み、層１８の第二の組の層は軟質磁性材料を含む。他の例において、層１６の第一の組の層は軟質磁性材料を含み、層１８の第二の組の層はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む。言い換えると、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む層が基材１２の最近接であることができ、または軟質磁性材料を含む層が基材１２の最近接であることができる。記述の目的のみのために、層１６の第一の組は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含むとして以下で記載され、層１８の第二の組は、軟質磁性材料を含むとして以下で記載される。
【００２２】
基材１２は、任意の材料であって、その上に多層硬質磁性材料１４を形成することができるものを含むことができる。幾つかの例において、基材１２は、シリコン、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどの半導体を含むことができる。他の例において、基材は別の材料、たとえばガラス、高温ポリマー、ＳｉＣ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2（例えばＳｉ又は他の半導体基材上のＳｉＯ2の層）、金属、たとえばＦｅ、Ａｌ、又はＣｕなどを含むことができる。
【００２３】
幾つかの例において、基材１２は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2、α’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含む。）及び／又はα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、ｘはゼロより大きく、１より小さい数である。）とは異なる格子構造、異なる格子パラメータ、又は両方を有する結晶性材料を含むことができる。幾つかの例において、加えて、または代わりに、基材１２はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2、α’’‐Ｆｅ16Ｚ2、及び／又はα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2とは異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有することができる。基材１２が、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2、α’’‐Ｆｅ16Ｚ2、及び／又はα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2とは異なる格子構造、異なる格子パラメータ、又は異なるＣＴＥのうちの少なくとも１つを含む例において、基材１２はアニール法中の多層硬質磁性材料１４に歪みを与える場合があり、このことは多層硬質磁性材料１４の各層１６及び１８中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2、α’’‐Ｆｅ16Ｚ2、及び／又はα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2の形成を促進する場合がある。
【００２４】
α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む層１６は、硬質磁性材料を含むことができる。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2は、体心立方（ｂｃｔ）結晶構造を有する。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2中では、窒素原子は鉄格子内で規則的である。図２は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ユニットセルを示す概念図である。図２に示されるように、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2相中で、窒素原子は（００２）（鉄）結晶面に沿って整列している。また、図２に示されるように、鉄窒化物ユニットセルは、＜００１＞軸に沿ったα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ユニットセルの長さが約６．２８オングストローム（Å）である一方、＜０１０＞及び＜１００＞軸に沿ったα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ユニットセルの長さが約５．７２Åであるように無秩序である。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ユニットセルは、歪んだ状態である際、ｂｃｔユニットセルとよばれる場合がある。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ユニットセルが歪んだ状態である際、＜００１＞軸はユニットセルのｃ軸とよばれる場合がある。ｃ軸は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ユニットセルの磁気容易軸であることができる。言い換えると、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2結晶は、磁気異方性を示す。
【００２５】
α’’‐Ｆｅ16Ｎ2は、高い飽和磁化及び高い磁気異方性定数を有する。高い飽和磁化及び磁気異方性定数は、希土類磁石より高い場合がある磁気エネルギー積をもたらす。例えば、薄膜α’’‐Ｆｅ16Ｎ2永久磁石から集められた実験的証拠は、バルクα’’‐Ｆｅ16Ｎ2永久磁石が、約１３４メガガウス*エールステッド（ＭＧＯｅ）程度（約６０ＭＧＯｅのエネルギー積を有する）ＮｄＦｅＢのエネルギー積の約２倍である）のエネルギー積を含む望ましい磁気特性を有する場合があることを示唆する。加えて、鉄と窒素は豊富な元素であるため、それほど高価でなく、製造が容易である。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2磁石の高いエネルギー積は、数ある応用の中でも特に、電気モーター、発電機、変圧器、磁気記録メディア、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）磁石、磁気センサ、磁気アクチュエーター、自動車の部品、及び風力タービンの部品に有用である場合がある。
【００２６】
しかし、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を製造することは難しく、層１６の第一の組中の各層の一部だけがα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む場合がある。図３は、鉄又は鉄窒化物（例えばＦｅ8Ｎ）のドメイン２２と、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメイン２４とを有する材料を示す概念図である。幾つかの例において、層１６の第一の組中の各層中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメイン２４は、各層内の鉄又は鉄窒化物（例えばＦｅ8Ｎ）のドメイン２２と交換スプリング結合することができる。これにより、層の一部だけがα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメイン２４を含むとしても、実質的に全体においてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメイン２４の特性を示す層をもたらすことができる。
【００２７】
幾つかの例において、層１６の第一の組の各層は、ナノメートルスケールで構造化されてよく（例えば、鉄又は鉄窒化物のドメイン２２、及びα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメイン２４のサイズはナノメートルオーダーである）、磁気的に硬質のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメイン２４と磁気的に軟質の鉄又は鉄窒化物のドメイン２２との磁気結合は、実質的に層１６の第一の組の各層のそれぞれの全体に亘って生じることができる。幾つかの例において、ドメインのサイズは約５ｎｍ〜約１００ｎｍであることができる。より大きいドメインサイズは層１６の第一の組の保磁力を減少させる場合がある。磁気的に軟質の材料がＦｅ又はＦｅ8Ｎを含む場合などの幾つかの例において、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメイン２４とＦｅ又はＦｅ8Ｎドメイン２２の結晶学的組織は、コヒーレントであることができる。言い換えると、ドメイン２２及び２４間の格子整合があってよい。このことは、磁気的に硬質のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメイン２４及び磁気的に軟質のＦｅ又はＦｅ8Ｎドメイン２２間で、特に相界面を横切って、効率的な交換スプリング結合を促進する場合がある。
【００２８】
交換スプリング結合は、磁気的に軟質の材料を効果的に硬質化させ、完全にα’’‐Ｆｅ16Ｎ2で形成された層のものと類似のバルク材料の磁気特性を与えることができる。磁性材料の体積全体に亘る交換スプリング結合を達成するために、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメイン２４を層１６の第一の組からの各層全体に亘って、例えばナノメートル又はマイクロメートルスケールで分散させることができる。例えば、磁気的に硬質のＦｅ16Ｎ2ドメイン２４は、層１６の第一の組の層の全体積の約５体積％〜約４０体積％、又は層の全体積の約５体積％〜約２０体積％、又は層の全体積の約１０体積％〜約２０体積％、又は層の全体積の約１０体積％〜約１５体積％、又は層の全体積の約１０体積％を構成することができ、体積の残りは磁気的に軟質の材料である。磁気的に軟質の材料としては、例えばＦｅ、ＦｅＣｏ、Ｆｅ8Ｎ又はこれらの組み合わせを挙げることができる。
【００２９】
幾つかの例において、層１６の第一の組は強磁性若しくは非磁性のドーパント及び／又は相安定剤等の少なくとも１種のドーパントを追加的に含むことができる。幾つかの例において、少なくとも１種の強磁性又は非磁性のドーパントは、強磁性又は非磁性の不純物とよばれる場合があり、及び／または相安定剤は、相安定化不純物とよばれる場合がある。強磁性又は非磁性のドーパントを、層１６の第一の組から形成された硬質磁性材料の磁気モーメント、磁気保磁力、又は熱的安定性のうちの少なくとも１つを増大させるのに用いることができる。強磁性又は非磁性のドーパントの例としては、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、及びＴａが挙げられる。例えば、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む鉄窒化物材料中に約５ａｔ％〜約１５ａｔ％の濃度でＭｎドーパント原子を含むことは、Ｍｎドーパント原子を含まない鉄窒化物材料に比べてＦｅ16Ｎ2相ドメインの熱的安定性及び材料の磁気保磁力を向上させる場合がある。幾つかの例において、１種より多くの（例えば少なくとも２種の）強磁性又は非磁性ドーパントは、鉄と窒素を含む混合物において含むことができる。幾つかの例において、強磁性又は非磁性のドーパントは、ドメイン壁ピン止めサイトとして機能する場合があり、それは層１６の第一の組から形成された磁性材料の保磁力を向上させる場合がある。表１は、層１６の第一の組内の強磁性又は非磁性のドーパントの例示的な濃度を含む。
【００３０】
【表１】
0006334812.tif 000002
【００３１】
代わりに、又は加えて、層１６の第一の組は少なくとも１種の相安定剤を含むことができる。少なくとも１種の相安定剤は、Ｆｅ16Ｎ2の体積比、熱的安定性、保磁力及び耐腐食性のうちの少なくとも１つを向上させるように選択された元素であることができる。層１６の第一の組に存在する場合、少なくとも１種の相安定剤は、約０．１ａｔ％〜約１５ａｔ％の濃度にて鉄と窒素を含む混合物中に存在することができる。混合物中に少なくとも２種の相安定剤が存在する幾つかの例において、少なくとも２種の相安定剤の全濃度は、約０．１ａｔ％〜約１５ａｔ％であることができる。少なくとも１種の相安定剤としては、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、及び／又はＳを挙げることができる。例えば、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む鉄窒化物材料中に約５ａｔ％〜約１５ａｔ％の濃度でＭｎドーパント原子を含むことは、Ｍｎドーパントを含まない鉄窒化物材料と比べてＦｅ16Ｎ2相ドメインの熱的安定性及び鉄窒化物材料の磁気保磁力を向上させる場合がある。
【００３２】
層１８の第二の組の層は、磁気的に軟質の材料を含むことができる。例えば、磁気的に軟質の材料としては、Ｆｅ、ＦｅＣｏ、Ｆｅ8Ｎなどを挙げることができる。幾つかの例において、磁気的に軟質の材料としては、α’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2又はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含む。）との混合物を挙げることができる。
【００３３】
上記のとおり、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2は、ｃ軸に沿って磁気容易軸がある硬質磁性材料である。計算は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2の磁気結晶異方性が、約１．６×１０7ｅｒｇ／ｃｍ3であることができることを示す。また、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2は約２．３ボーア磁子毎Ｆｅ原子（μB／Ｆｅ）の比較的高い理論磁気飽和モーメントを有する。
【００３４】
同様に、α’’‐Ｆｅ16Ｚ2は、Ｚ原子が鉄結晶格子内で規則的である場合、硬質磁性材料であることができる。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2と同様に、規則的なα’’‐Ｆｅ16Ｚ2中のＺ原子（Ｃ、Ｂ、又はＯ）は、鉄結晶内の格子間サイトに位置することができる。例えば、規則的なα’’‐Ｆｅ16Ｚ2中のＺ原子（Ｃ、Ｂ、又はＯ）は、図２示されるＮ原子と同じ場所に位置することができる。しかし、規則的なα’’‐Ｆｅ16Ｚ2では、格子パラメータはα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とは異なることができる。
【００３５】
更に、Ｚが炭素（Ｃ）である場合などの規則的なα’’‐Ｆｅ16Ｚ2は、ａ‐ｂ面（例えば［１００］、ｃ軸に対して垂直）にある磁気容易軸による磁気結晶異方性を示す場合がある。したがって、α’’‐Ｆｅ16Ｃ2中の磁気結晶異方性の方向は、α’’‐Ｆｅ16Ｃ2中の磁気結晶異方性の方向に対して実質的に垂直であることができる。計算は、規則的なα’’‐Ｆｅ16Ｎ2中の磁気結晶異方性が約−１．４×１０7ｅｒｇ／ｃｍ3であることができることを示す。また、α’’‐Ｆｅ16Ｃ2は、約２．１μB／Ｆｅの比較的高い理論磁気飽和モーメントを有する。
【００３６】
したがって、α’’‐Ｆｅ16Ｃ2とα’’‐Ｆｅ16Ｎ2結晶の各々のｃ軸を実質的に同じ方向に配向しつつ、規則的なα’’‐Ｆｅ16Ｃ2を所定量でα’’‐Ｆｅ16Ｎ2と混合する際、磁気結晶異方性を実質的に相殺することができ、ゼロに近い磁気結晶異方性値を有する材料を残しつつ、約２．２μB／Ｆｅ（α’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｃ2の理論磁気飽和モーメントの平均）の理論磁気飽和モーメントを与える。例えば、約４．６６７：５．３３３の体積比でα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｃ2を含む磁性材料は、約０の保磁力と約２．２μB／Ｆｅの理論磁気飽和モーメントを有することができる。このように、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメインとα’’‐Ｆｅ16Ｃ2ドメインの所定量の混合物は、ゼロに近い磁気結晶異方性値と比較的高い磁気飽和モーメントを有する軟質磁性材料を作り出すことができる。同様の結果を、Ｃ、Ｂ、及びＯの類似の原子半径に基づいて、Ｂ、Ｏ、又は両方とＣが置き換わった場合に予測することができる。
【００３７】
幾つかの例において、得られる材料は、図４に示されたものと類似であることができる。図４は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2のドメイン３２と、ＺがＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含むα’’‐Ｆｅ16Ｚ2のドメイン３４とを含む軟質磁性材料を示す概念図である。幾つかの例において、別個のα’’‐Ｆｅ16Ｚ2のドメイン３４と共に別個のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2のドメイン３２が存在することができる。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2のドメイン３２の容易軸が図４に実質的に垂直に配向するように示されている一方、α’’‐Ｆｅ16Ｚ2のドメインの容易軸は、図４に実質的に水平に配向するように示されている。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2のドメイン１２とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2のドメイン１４が所定の量（例えば約４．６６７：５．３３３）で存在する場合、互いに打ち消し合う類似の大きさで反対の符号の磁気結晶異方性をもたらすことができ、高い飽和磁化と低い磁気結晶異方性を有する材料をもたらす。
【００３８】
他の例において、各α’’‐Ｆｅ16Ｎ2のドメイン３２の全てが実質的に同じ方向にある磁気容易軸を有するのではなく、各α’’‐Ｆｅ16Ｎ2のドメイン３２の各容易軸は、実質的にランダムに分散することができる。同様に、各α’’‐Ｆｅ16Ｚ2のドメイン３４の各容易軸は、実質的にランダムに分散することができる。これにより、高い飽和磁化と低い磁気結晶異方性を有する材料をもたらすこともできる。
【００３９】
幾つかの例において、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2と各α’’‐Ｆｅ16Ｚ2の別個のドメインを含むのではなく、材料は、α’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含み、ｘはゼロより大きく、１より小さい数である。）の１つ又はそれより多くの結晶を含むことができる。これらの例において、別個のドメインを形成するのではなく、鉄、窒素、及びＺ原子は、幾つかの格子間位置が窒素原子により充填され、幾つかの格子間位置がＺ原子により充填されている結晶構造を形成する。例えば、図２は例示的なα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ユニットセルを示す概念図である。図２中のユニットセルは、５つのＮ原子（１つのＮ原子は完全にユニットセル中にあり、４つのＮ原子は部分的にユニットセル中にある）を示す。α’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2中では、Ｎ原子の少なくとも幾つかをＺ（Ｃ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種）原子により置換することができる。α’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2は、各ユニットセル中に幾つかのＮ原子及び幾つかのＺ原子を含まない場合がある（例えば幾つかのユニットセルはＮ原子だけを含むことができ、幾つかのユニットセルはＺ原子だけを含むことができる）ものの、軟質磁性材料の体積で平均された際、ＦｅとＮとＺ原子の比を化学式Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2で表すことができる。
【００４０】
軟質磁性材料を含む層１８の第二の組の層は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む層１６の第一の組の層と交互に配置される。層１６の第一の組の層と、層１８の第二の組の層の厚さは、層１８の第二の組の層が層１６の第一の組の層と磁気的に交換スプリング結合するように選択することができる。例えば、層１６と層１８の各々は、約５０ｎｍ未満の（基材１２の表面と垂直の）厚さを規定することができる。層１６の第一の組の層と層１８の第二の組の層の隣接する層との交換スプリング結合は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む層１６の第一の組のものと類似の特性を示す実質的に全体の体積の多層硬質磁性材料１４をもたらすことができる。
【００４１】
幾つかの例において、多層硬質磁性材料１４は、化学気相堆積（ＣＶＤ）又は液相エピタキシー（ＬＰＥ）を用いて形成することができる。図５は、多層コーティング４８を形成する例示的なＣＶＤ装置４０を示す概念概略図である。多層コーティング４８を次いでアニールし、図１に関して記載される多層硬質磁性材料１４を形成することができる。
【００４２】
装置４０は、サセプタ４４を取り囲むことができるＣＶＤチャンバ４２を含む。基材４６はサセプタ４４により保持され、多層コーティング４８は基材４６の少なくとも一部の上に形成される。ＣＶＤチャンバ４２は、例えばクオーツ又は別の耐火性材料を含むことができる。幾つかの例において、ＣＶＤチャンバ４２を、ラジオ周波数（ＲＦ）磁気エネルギーに対して実質的に透明な材料で形成することができる。
【００４３】
幾つかの例において、ＣＶＤチャンバ４２は、ＲＦ誘導コイル５０により少なくとも部分的に取り囲まれる。ＲＦ誘導コイル５０を流れるように、ＲＦにおいて交流電流を生じさせるＲＦソース（図５には示されていない）にＲＦ誘導コイル５０を電気的に接続することができる。幾つかの例において、ＲＦ誘導コイル５０により生成したＲＦ磁場は、ＲＦエネルギーを熱に変換するサセプタ４４により吸収されてよい。これは、基材４６を加熱する。したがって、幾つかの例において、サセプタ４４はＲＦ誘導コイル５０により発生する周波数のＲＦエネルギーを吸収するグラファイト又は別の材料を含むことができる。
【００４４】
幾つかの例において、サセプタ４４はインレット５２に対する斜面において、基材４６を配置するように形成され、または配向されてよい。インレット５２に対する斜面において基材４６を配置することは、コーティングガスが実質的に水平な基材４６に沿って流れる際のコーティングガスからの反応物の減少に起因する、基材４６の下流位置が基材４６の上流位置より薄いコーティングによりコーティングされる現象である下流デプレションを低減し、または実質的に消滅させることができる。
【００４５】
幾つかの例において、ＲＦ誘導コイル５０により加熱されたサセプタ４４を含むのではなく、ＣＶＤチャンバ４２の全体積が加熱されるように、ＣＶＤチャンバ４２を加熱することができる。例えば、ＣＶＤチャンバ４２を炉内に配することができ、またはＣＶＤチャンバ４２を、ＲＦエネルギーを吸収し、ＣＶＤチャンバ４２の体積を加熱する材料で形成することができる。
【００４６】
基材４６は、任意の材料であって、その上に多層コーティング４８を形成することができる材料を含むことができ、図１に関して記載される基材１２の例であることができる。例えば、基材４６はシリコン、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどの半導体を含むことができる。他の例において、基材は別の材料、たとえばガラス、高温ポリマー、ＳｉＣ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2（例えばＳｉ又は他の半導体基材上のＳｉＯ2の層）、などを含むことができる。
【００４７】
幾つかの例において、基材４６は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2、α’’‐Ｆｅ16Ｚ2、又はα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含む。）のうちの少なくとも１つとは異なる格子構造、異なる格子パラメータ、又は両方を有する結晶性材料を含むことができる。幾つかの例において、加えて、または代わりに、基材４６はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2、α’’‐Ｆｅ16Ｚ2、又はα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2のうちの少なくとも１つとは異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有することができる。基材４６が、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2、α’’‐Ｆｅ16Ｚ2、又はα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2のうちの少なくとも１つとは異なる格子構造、異なる格子パラメータ、又は異なるＣＴＥのうちの少なくとも１つを含む例において、基材４６はアニール法中のコーティング４８に歪みを与える場合があり、このことはコーティング４８中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2、α’’‐Ｆｅ16Ｚ2、又はα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2のうちの少なくとも１つの形成を促進する場合がある。
【００４８】
ＣＶＤチャンバ４２は、インレット５２及びアウトレット５４を含むことができる。インレット５２を、コーティングガスの１種又はそれより多くのソースに流体的に接続することができる。例えば、装置４０において、インレット５２はキャリアガスソース５６、コーティング成分の第一のソース６０、コーティング成分の第二のソース６４、及びコーティング成分の第三のソース６８に流体的に接続される。
【００４９】
幾つかの例において、キャリアガスソース５６は、ＣＶＤチャンバ１２の内側にコーティングガスを運ぶガスを含むことができる。幾つかの例において、キャリアガスソース５６は、実質的に不活性のガス（例えば装置４０の動作中に装置４０内に存在する他の元素及び化合物と実質的に反応性でないガス）のソースを含むことができる。実質的に不活性のガスとしては、例えばアルゴン等の希ガスを挙げることができる。
【００５０】
幾つかの例において、キャリアガスソース５６は、加えて、または代わりに、装置４０内に存在する１種又はそれより多くの元素及び化合物と反応することができるガスを含むことができる。例えば、キャリアガスソース５６は、水素ガス（Ｈ2）のソースを含むことができる。幾つかの例において、水素ガスは鉄前駆体と反応して鉄を遊離させることができる。幾つかの例において、キャリアガスソース５６は実質的に不活性のガスと、装置４０内に存在する１種又はそれより多くの元素及び化合物と反応するガスとの混合物を含むことができる。例えば、キャリアガスソース５６は、水素ガスとアルゴンとの混合物を含むことができる。
【００５１】
キャリアガスソース５６を、管路又はパイプ、及び少なくとも１つのバルブ５８を介してＣＶＤチャンバ４２に流体的に接続することができる。バルブ５８を、キャリアガスソース５６からＣＶＤチャンバ４２へのキャリアガスの流れを制御するのに用いることができる。
【００５２】
装置４０は第一のソース６０も含む。第一のソース６０は、窒素含有化合物を含む蒸気のソースを含むことができる。幾つかの例において、第一のソース６０は、ガス状アンモニア（ＮＨ3）等の窒素前駆体のガス状ソースを含むことができる。他の例において、第一のソース６０は硝酸アンモニウム（ＮＨ4ＮＯ3、固体）、アミド(液体又は固体）、又はヒドラジン（液体）等の窒素前駆体の液体又は固体ソースを含むことができる。
【００５３】
アミドはＣ‐Ｎ‐Ｈ結合を含み、ヒドラジンはＮ‐Ｎ結合を含む。硝酸アンモニウム、アミド及びヒドラジンは、鉄窒化物を含む材料を形成する窒素ドナーとして働くことができる。任意のアミドを用いることができるが、例示的なアミドとしては、カルバミド（（ＮＨ2）2ＣＯ、尿素ともよばれる）、メタンアミド（式１）、ベンズアミド（式２）、及びアセトアミド（式３）が挙げられる。
【００５４】
【化１】
0006334812.tif 000003
【００５５】
幾つかの例において、アミン基によるカルボン酸のヒドロキシル基の置換により、アミドをカルボン酸から誘導することができる。この種類のアミドは、酸アミドとよばれる場合がある。
【００５６】
第一のソース６０中の窒素含有化合物が固体又は液体である例において、第一のソース６０は、窒素含有化合物を揮発させ、窒素含有化合物を含む蒸気を形成する熱源を含むことができる。
【００５７】
第一のソース６０を、管路又はパイプ及び少なくとも１つのバルブ６２を介してＣＶＤチャンバ４２に流体的に接続することができる。バルブ６２を、第一のソース６０からＣＶＤチャンバ４２への窒素含有蒸気の流れを制御するのに用いることができる。
【００５８】
装置４０は、第二のソース６４も含む。第二のソース６４は、Ｚが炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含むＺ原子含有化合物を含む蒸気のソースを含むことができる。記述の目的のみのために、図５及び６は炭素含有化合物のソースである第二のソース６４により記載される。しかし、同様の原理をホウ素含有材料のソース、酸素含有材料のソース、又はその両方に適用することができることが理解されるであろう。
【００５９】
幾つかの例において、第二のソース６４は、ガス状一酸化炭素（ＣＯ）、ガス状二酸化炭素（ＣＯ2）、又はガス状メタン（ＣＨ4）等の炭素含有化合物のガス状ソースを含むことができる。他の例において、第二のソース６４は、純粋な炭素（例えばグラファイト）又は尿素等の炭素含有化合物の液体又は固体ソースを含むことができる。第二のソース６４中の炭素含有化合物が固体又は液体である例において、第二のソース６４は、炭素含有化合物を揮発させ、炭素含有化合物を含む蒸気を形成する熱源を含むことができる。
【００６０】
第二のソース６４を、管路又はパイプ及び少なくとも１つのバルブ６６を介してＣＶＤチャンバ４２に流体的に接続することができる。バルブ６６を、第二のソース６４からＣＶＤチャンバ４２への炭素含有蒸気の流れを制御するのに用いることができる。
【００６１】
尿素が炭素ソース及び窒素ソースの両方に用いられる場合などの幾つかの例において、装置４０は、窒素含有化合物及び炭素含有化合物のための別個の第一及び第二のソース６０及び６４を含まない場合があるが、代わりに、窒素含有化合物及び炭素含有化合物の両方のための単一のソースを含むことができる。
【００６２】
装置４０は第三のソース６８も含む。第三のソース６８は、鉄又は鉄前駆体（又はドナー）のソースを含むことができる。図５に示される例において、第三のソース６８はＦｅＣｌ3又はＦｅ（ＣＯ）5等の液体鉄ドナー７０を含む。第三のソース６８は、ガスソース７２から第三のソース６８へのガスの流れを制御するバルブ７４を介してガスソース７２に流体的に結合される。幾つかの例において、ガスソース７２は水素（Ｈ2）ガス又は別の還元ガスのソースであることができる。
【００６３】
ガスソース７２からのガスは、第三のソース６８に流入し、液体鉄ドナー７０の少なくとも幾らかを揮発させる。ガスソース７２からのガスは、次いで鉄含有化合物を含む蒸気を、インレット５２を介してＣＶＤチャンバ４２に運ぶ。
【００６４】
バルブ５８、６２、６６及び７４は、ＣＶＤチャンバ４２へのガス及び蒸気の全流速と、ＣＶＤチャンバ４２へ流入するガス及び蒸気中のキャリアガス、窒素含有化合物を含む蒸気、炭素含有化合物を含む蒸気、及び鉄含有化合物を含む蒸気の相対割合とを制御するのに用いることができる。例えば、バルブ５８、６２、６６及び７４を、層１６の第一の組の層と層１８の第二の組の層を交互に配置するように制御して、図１に示される多層硬質磁性材料１４を製造することができる。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む層１６の第一の組の層を形成するために、バルブ５８、６２、６６及び７４を、炭素含有化合物を含む蒸気がＣＶＤチャンバ４２に流入することを防ぎつつ、キャリアガス、窒素含有化合物を含む蒸気、及び鉄含有化合物を含む蒸気がＣＶＤチャンバ４２に流入するように制御することができる。幾つかの例において、層１６の第一の組の層を形成するために、バルブ５８、６２、６６及び７４を制御することにより、ＣＶＤチャンバ４２に流入するキャリアガス、窒素含有化合物を含む蒸気、及び鉄含有化合物を含む蒸気が、約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）のＣＶＤチャンバ４２へ流入するガス及び蒸気中の鉄と窒素の原子比率を生成することができる。例えば、ＣＶＤチャンバ１２へ流入するガス及び蒸気中の鉄と窒素原子の原子比率は、約９：１（鉄：窒素）、約８：１（鉄：窒素）、又は約６．６５：１（鉄：窒素）であることができる。
【００６５】
幾つかの例において、層１６の第一の組の層を形成するために、キャリアガスの流速は、約５標準ｃｍ3／分（ｓｃｃｍ）〜約５０００ｓｃｃｍであることができ、窒素含有化合物を含む蒸気の流速は約１０ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍであることができ、鉄含有化合物を含む蒸気の流速は約１００ｓｃｃｍ〜約５０００ｓｃｃｍであることができる。これらのような流速は、約１００マイクロメートル毎時（μｍ／ｈ）〜約１０００μｍ／ｈの層１６の第一の組の層の成長速度をもたらす場合がある。
【００６６】
幾つかの例において、鉄含有化合物の分解温度、窒素含有化合物の分解温度、又はその両方を超えて、基材４６をサセプタ４４及びＲＦ誘導コイル５０により加熱することができる。例えば、基材４６をサセプタ４４及びＲＦ誘導コイル５０により約２００℃〜約１０００℃の温度に加熱することができる。
【００６７】
実質的にサセプタ４４及び基材４６のみが加熱される幾つかの例において、鉄含有化合物及び窒素含有化合物は分解して鉄及び窒素を放出することができ、または互いに反応して鉄窒化物化合物を形成することができる。基材４６が加熱されるため、この１種又は複数種の反応は、基材４６の表面にて起こることができ、形成され、鉄及び窒素を含む層１６の第一の組の層をもたらす。
【００６８】
（例えば炉により）実質的にＣＶＤチャンバ４２の全体積が加熱される例において、分解反応又は鉄含有化合物と窒素含有化合物との反応は、ＣＶＤチャンバ４２の体積内の基材上方で起こることができる。放出された鉄及び窒素原子又は鉄窒化物化合物は、次いで層１６の第一の組の層において基材４６の表面上方に堆積することができる。
【００６９】
幾つかの例において、鉄含有化合物と窒素含有化合物との反応は、
１６ＦｅＣｌ3＋２ＮＨ3＋２１Ｈ2→２Ｆｅ8Ｎ＋４８ＨＣｌ
を含むことができる。
【００７０】
上記のように、層１６の第一の組の層の形成中、ＣＶＤチャンバ４２に入るガス及び蒸気中の鉄と窒素の比は、約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）、たとえば約８：１（鉄：窒素）であることができる。層１６の第一の組の層は、ＣＶＤチャンバ４２に入るガス及び蒸気中の鉄と窒素の比とほぼ同じ比を含むことができる。したがって、層１６の第一の組の層は約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）、たとえば約９：１（鉄：窒素）、約８：１（鉄：窒素）、又は約６．６５：１（鉄：窒素）の鉄対窒素比を含むことができる。
【００７１】
幾つかの例において、層１６の第一の組の層は堆積された際、鉄及び／又は窒素に加えて鉄窒化物、たとえばＦｅＮ、Ｆｅ2Ｎ（例えばξ‐Ｆｅ2Ｎ）、Ｆｅ3Ｎ（例えばε‐Ｆｅ3Ｎ）、Ｆｅ4Ｎ（例えばγ’‐Ｆｅ4Ｎ、γ‐Ｆｅ4Ｎ、又はその両方）、Ｆｅ2Ｎ6、Ｆｅ8Ｎ、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2、又はＦｅＮx（式中、ｘは約０．０５〜約０．５である。）の少なくとも１種を含むことができる。幾つかの例において、層１６の第一の組の層は、少なくとも９２原子パーセント（ａｔ．％）の純度（例えば合計の鉄及び窒素含有量）を有することができる。
【００７２】
層１６の第一の組の層は、任意の選択された厚さを含むことができ、厚さは、ＣＶＤ法が実施される時間を含むＣＶＤパラメータに、少なくとも部分的に依存する場合がある。幾つかの例において、層１６の第一の組の層の選択された厚さは、層１８の第二の組の層と層１６の第一の組の層との交換スプリング結合を可能にする厚さに基づくことができる。例えば、層１６の第一の組の層の厚さは、約５０ｎｍ未満であることができる。
【００７３】
幾つかの例において、軟質磁性材料を含む層１８の第二の組の層を形成するために、バルブ５８、６２、６６及び７４を、窒素含有化合物及び炭素含有化合物を含む蒸気がＣＶＤチャンバ４２に流入することを防ぎつつ、キャリアガス、及び鉄含有化合物を含む蒸気がＣＶＤチャンバ４２に流入するように制御することができる。これにより、堆積した実質的に純粋な鉄を含む層をもたらすことができる。
【００７４】
他の例において、層１８の第二の組の層を形成するために、バルブ５８、６２、６６及び７４を制御して、キャリアガス、窒素含有化合物を含む蒸気、炭素含有化合物を含む蒸気、及び鉄含有化合物を含む蒸気をＣＶＤチャンバ４２に流入させ、約１１．５：１（鉄：窒素＋炭素）〜約５．６５：１（鉄：窒素＋炭素）のＣＶＤチャンバ４２へ流入するガス及び蒸気中の鉄と窒素及び炭素の組み合わせとの原子比率を生成することができる。例えば、ＣＶＤチャンバ４２へ流入するガス及び蒸気中の鉄と窒素及び炭素の組み合わせとの原子比率は、約９：１（鉄：窒素＋炭素）、約８：１（鉄：窒素＋炭素）、又は約６．６５：１（鉄：窒素＋炭素）であることができる。
【００７５】
加えて、バルブ６２及び６６を制御することにより、窒素含有化合物を含む蒸気と炭素含有化合物を含む蒸気の相対的な流速を制御して、ＣＶＤチャンバ４２へ流入するガス中の窒素と炭素の所定の原子比率を生成することができる。例えば、バルブ６２及び６６を制御することにより、窒素含有化合物を含む蒸気と炭素含有化合物を含む蒸気の相対的な流速を制御して、約０．１：１〜約１０：１、たとえば約１：１又は約４．６６７：５．３３３の窒素と炭素の原子比率を生成することができる。
【００７６】
幾つかの例において、層１８の第二の組の層を形成するために、キャリアガスの流速は、約５ｓｃｃｍ〜約５０００ｓｃｃｍであることができ、窒素含有化合物を含む蒸気の流速は約１０ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍであることができ、炭素含有化合物を含む蒸気の流速は、約０．１ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍであることができ、鉄含有化合物を含む蒸気の流速は約１００ｓｃｃｍ〜約５０００ｓｃｃｍであることができる。これらのような流速は、約１００マイクロメートル毎時（μｍ／ｈ）〜約１０００μｍ／ｈの層１８の第二の組の層の成長速度をもたらす場合がある。
【００７７】
幾つかの例において、鉄含有化合物の分解温度、窒素含有化合物の分解温度、又は炭素含有化合物の分解温度のうちの少なくとも１つを超えて、基材４６をサセプタ４４及びＲＦ誘導コイル５０により加熱することができる。例えば、基材４６をサセプタ４４及びＲＦ誘導コイル５０により約２００℃〜約１０００℃の温度に加熱することができる。
【００７８】
実質的にサセプタ４４及び基材４６のみが加熱される幾つかの例において、鉄含有化合物、窒素含有化合物、及び炭素含有化合物は分解して鉄、窒素及び炭素を放出することができ、または互いに反応して鉄‐窒素‐炭素化合物を形成することができる。基材４６が加熱されるため、この１種又は複数種の反応は、基材４６の表面にて起こることができ、形成され、鉄、窒素、及び炭素を含む層１８の第二の組の層をもたらす。
【００７９】
（例えば炉により）実質的にＣＶＤチャンバ４２の全体積が加熱される例において、分解反応又は鉄含有化合物、窒素含有化合物、及び炭素含有化合物との間の反応は、ＣＶＤチャンバ４２の体積内の基材上方で起こることができる。放出された鉄、窒素、及び炭素原子又は鉄‐炭化物‐窒化物化合物は、次いで層１８の第二の組の層において基材４６の表面上方に堆積することができる。
【００８０】
本開示において用いられる、基材「上方に」堆積すること又は形成することは、基材の表面上に直接的に層が堆積し、又は形成すること、及び別の層に層が堆積することの両方を含む。他の層は、基材の表面上に直接的にあることができ、または基材上又は基材上方の更に別の層上にあることができる。例えば、図５は基材４６上方の層１６の第一の組の層と、基材４６上方の層１８の第二の組の層とを形成するように記載されている。このことは、層１６の第一の組の層を基材４６上に直接的に形成することができ、層１８の第二の組の層上に形成することができ、または別の層上に形成することができることを意味する。同様に、このことは、層１８の第二の組の層を基材４６上に直接的に形成することができ、層１６の第一の組の層上に形成することができ、または別の層上に形成することができることを意味する。「上に」堆積すること、又は形成することは、層が下にある層上に直接的に形成され、間に層がないことを意味する。
【００８１】
幾つかの例において、鉄含有化合物、窒素含有化合物、及び炭素含有化合物の間の反応は、
１６ＦｅＣｌ3＋２ＮＨ3＋２ＣＨ4＋１７Ｈ2→２Ｆｅ8ＮＣ＋４８ＨＣＬ
を含むことができる。
【００８２】
上記のように、層１８の第二の組の層の形成中にＣＶＤチャンバ４２に入るガス及び蒸気中の鉄と窒素＋炭素との比は、約１１．５：１（鉄：（窒素＋炭素））〜約５．６５：１（鉄：（窒素＋炭素））、たとえば約８：１（鉄：（窒素＋炭素））であることができる。層１８の第二の組の層は、ＣＶＤチャンバ４２に入るガス及び蒸気中の鉄と窒素の比とほぼ同じ比を含むことができる。したがって、層１８の第二の組の層は、約１１．５：１（鉄：（窒素＋炭素））〜約５．６５：１（鉄：（窒素＋炭素））、たとえば約９：１（鉄：（窒素＋炭素））、約８：１（鉄：（窒素＋炭素））、又は約６．６５：１（鉄：（窒素＋炭素））の鉄と窒素＋炭素との比を含むことができる。
【００８３】
層１８の第二の組の層は、任意の選択された厚さを含むことができ、厚さは、ＣＶＤ法が実施される時間を含むＣＶＤパラメータに、少なくとも部分的に依存する場合がある。幾つかの例において、層１８の第二の組の層の選択された厚さは、層１８の第二の組の層と層１６の第一の組の層との交換スプリング結合を可能にする厚さに基づくことができる。例えば、層１８の第二の組の層の厚さは、約５０ｎｍ未満であることができる。
【００８４】
層１６の第一の組の層と層１８の第二の組の層とを交互に堆積させ、図１に示される多層硬質磁性材料１４と類似する、または実質的に同じ構造の形成をもたらすように、バルブ５８、６２、６６及び７４を制御することができる。層１６の第一の組の層と層１８の第二の組の層の数を、多層コーティング４８から形成することができる多層硬質磁性材料１４の所望の最終的な構造に基づいて選択することができる。
【００８５】
幾つかの例において、コーティング４８が形成されるようにさらされる基材４６の部分だけを残しつつ、基材４６の一部をマスクすることができる。他の例において、多層コーティング４８によりコーティングされた基材４６の部分だけを残しつつ、多層コーティング４８の堆積後に多層コーティング４８の一部をエッチングして、多層コーティング４８の一部を除去することができる。このように、多層コーティング４８を基材４６の選択された部分のみの上で制御可能に形成することができ、その後多層硬質磁性材料１４に転換することができる。
【００８６】
多層コーティング４８が所定の厚さに形成されたら、基材１６及びコーティング１８をＣＶＤチャンバ１２から取り出し、アニール法に供することができる。アニール法は、多層硬質磁性材料１４を促進することができる。
【００８７】
アニール法は、基材４６と多層コーティング４８の熱膨張係数の差により多層コーティング４８の少なくとも１つの中に歪みを生成する温度にて実施することにより、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2、α’’‐Ｆｅ16Ｚ2相、又はα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2相（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含む。）の少なくとも１種にアクセスしてよい。加えて、アニール法は、多層コーティング４８の各層中の鉄結晶内にＮ＋イオン、Ｚ＋イオン、又はその両方を拡散させて、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2、α’’‐Ｆｅ16Ｚ2、又はα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2を形成する。幾つかの例において、比較的低温でのアニールは、部分的なＦｅ8Ｎ無秩序相のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2秩序相への転換を可能にする。同様に、比較的低温でのアニールは、部分的なＦｅ8Ｚ無秩序相のα’’‐Ｆｅ16Ｚ2秩序相への転換と、部分的なＦｅ8（ＮxＺ1-x）無秩序相のα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2秩序相への転換を可能にすることが予測される。
【００８８】
幾つかの例において、アニール中の歪みは、多層コーティング４８中の少なくとも幾らかの粒子ドメイン（例えば、層１６の第一の組の少なくとも幾つかの層中の少なくとも幾らかのα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメイン）の形状を引き延ばす場合がある。粒子の引き伸ばしは、層１６の第一の組中の層の磁気異方性に寄与する場合がある。加えて、幾つかの例において、層１６の第一の組中の層の寸法及び形状は、形状異方性に寄与する場合があり、それは層１６の第一の組中の層の磁気異方性に更に寄与する場合がある。
【００８９】
幾つかの例において、アニール法は、約３００℃未満の温度、たとえば約１２０℃〜約３００℃、約１２０℃〜約２２０℃、又は約１５０℃〜約２２０℃にて実施することができる。アニール法は、窒素（Ｎ2）又はアルゴン（Ａｒ）雰囲気中、又は真空又は近真空中で実施することができる。
【００９０】
アニール工程の温度及び継続時間は、例えばサンプルのサイズ、及びアニール温度における鉄中の窒素原子及び鉄中のＺ原子の拡散係数に基づいて選択することができる。これらの要因に基づいて、温度及び継続時間は、窒素原子及びＺ原子が多層コーティング４８の各層内の位置へ拡散してＦｅ16Ｎ2ドメイン、α’’‐Ｆｅ16Ｚ2ドメイン、及び／又はα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2ドメインを形成するのに十分な時間を与えるように選択することができる。
【００９１】
加えて、アニール法の温度及び継続時間は、多層コーティング４８の各層中の各相ドメインの所望の体積分率に基づいて選択することができる。例えば、選択された温度において、より長いアニール法は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2のより高い体積分率をもたらすことができる。同様に、所定のアニール法継続時間に対して、より高い温度はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2のより高い体積分率をもたらすことができる。しかし、上記の閾値継続時間に関して、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2の追加の体積分率は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2の体積分率が比較的安定な値に到達する際、制限され、またはなくなる場合がある。例えば、約１５０℃の温度において、約２０時間後にα’’‐Ｆｅ16Ｎ2の体積分率は安定な値に到達する。アニール工程の継続時間は、少なくとも約５時間、たとえば少なくとも約２０時間、又は約５時間〜約１００時間、又は約５時間〜約８０時間、又は約２０時間〜約８０時間、又は約４０時間であることができる。
【００９２】
Ｆｅ8Ｎ及びα’’‐Ｆｅ16Ｎ2は、類似の体心立方（ｂｃｔ）結晶構造を有する。しかし、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2中で窒素原子が鉄格子内で規則的である一方、Ｆｅ8Ｎ中では、窒素原子は鉄格子内にランダムに分布している。
【００９３】
アニール法は、アニール工程中の基材４６と多層コーティング４８の異なる膨張の結果として鉄結晶格子に与えられた歪みに少なくとも部分的に起因して、ｂｃｔα’’‐Ｆｅ16Ｎ2相結晶構造の形成を促進する。例えば、鉄の熱膨張係数が１１．８μｍ／ｍ・Ｋである一方、ケイ素では２．６μｍ／ｍ・Ｋである。この熱膨張係数の差は、多層コーティング４８中の第一の層１６のある層の主面と実質的に平行な圧縮応力と、（１１０）面を含む多層コーティング４８中の第一の層１６のある層上の＜００１＞結晶方向に沿って生成される、対応する引張力とをもたらす。幾つかの例において、多層コーティング４８中の第一の層１６のある層上の歪みは約０．３％〜約７％であることができ、それは、鉄窒化物の個々の結晶上に実質的に類似の歪みをもたらすことができ、ユニットセルは約０．３％〜約７％で＜００１＞軸に沿って伸張する。このことは、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2結晶の好ましい位置における窒素原子の組み入れを促進する場合がある。
【００９４】
幾つかの例において、多層コーティング４８中の第一の層１６の全てをα’’‐Ｆｅ16Ｎ2相に転換するのではなく、アニール法は、Ｆｅ、Ｆｅ8Ｎ、及び／又は鉄窒化物組成物のドメイン内にα’’‐Ｆｅ16Ｎ2相ドメインの形成をもたらすことができる。例えば、得られた構造は、図３に関して示され、記載された構造に類似であることができる。
【００９５】
同様に、α’’‐Ｆｅ16Ｃ2中の炭素原子及びα’’‐Ｆｅ16（ＮxＣ1-x）2中の窒素及び炭素原子は、（００２）（鉄）結晶面に沿って整列することができる。アニール法は、アニール工程中の基材４６と多層コーティング４８の異なる膨張の結果として鉄結晶格子に与えられた歪みに少なくとも部分的に起因して、層１８の第二の組の層中のｂｃｔα’’‐Ｆｅ16Ｃ2相結晶構造又はα’’‐Ｆｅ16（ＮxＣ1-x）2の形成を促進する。
【００９６】
図５は、液体鉄含有材料を用いたＣＶＤの例示的な装置４０を示すが、他の例において、ＣＶＤは固体鉄含有材料を用いて実施することができる。図６は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの層を含む多層硬質磁性材料を形成する例示的な化学気相堆積装置を示す概念概略図である。幾つかの例において、図６の装置８０は、本開示に記載の相違を除いて、図５に関連して記載された装置４０と類似であってよく、または実質的に同じであってよい。
【００９７】
装置８０は、ＣＶＤチャンバ８２を含む。ＣＶＤチャンバ８２は、図５のサセプタ４４と類似であってよく、または実質的に同じであってよいサセプタ８４を取り囲む。図６に示される例において、サセプタ８４はインレット８６、８８及び９０に対する斜面において、基材４６を配置するように形成されておらず、または配向されていない。他の例において、サセプタ８４は、インレット８６、８８及び９０に対する斜面において、基材４６を配置するように形成されることができ、または配向されることができる。ＣＶＤチャンバ８２は、例えばクオーツ又は別の耐火性材料を含むことができる。幾つかの例において、ＣＶＤチャンバ８２を、ラジオ周波数（ＲＦ）磁気エネルギーに対して実質的に透明な材料で形成することができる。
【００９８】
ＣＶＤチャンバ８２は、ＲＦ誘導コイル２０により少なくとも部分的に取り囲まれている。ＲＦ誘導コイル５０は、図５に示されたＲＦ誘導コイルと類似であってよく、または実質的に同じであってよい。ＣＤＶチャンバ８２は、多層コーティング４８が形成されている基材４６を取り囲む。基材４６は、サセプタ５４上に配される。
【００９９】
幾つかの例において、ＲＦ誘導コイル５０により加熱されたサセプタ８４を含むのではなく、ＣＶＤチャンバ８２の全体積が加熱されるように、ＣＶＤチャンバ８２を加熱することができる。例えば、ＣＶＤチャンバ８２を炉内に配することができ、またはＣＶＤチャンバ８２を、ＲＦエネルギーを吸収し、ＣＶＤチャンバ８２の体積を加熱する材料で形成することができる。
【０１００】
ＣＶＤチャンバ８２は、インレット８６、８８及び９０、並びにアウトレット５４を含むことができる。インレット８６、８８及び９０を、コーティングガスの１つ又はそれより多くのソースに流体的に接続することができる。例えば、装置８０において、インレット８６は固体鉄含有材料９４を取り囲んでいるチャンバ９２に流体的に接続され、インレット８８はバルブ６２を介してコーティング成分の第一のソース６０に流体的に結合され、インレット９０はバルブ６６を介してコーティング成分の第二のソース６４と流体的に結合される。第一のソース６０、バルブ６２、第二のソース６４、及びバルブ６６は、図５に関して上記に記載されたものと類似であってよく、または実質的に同じであってよい。例えば、第一のソース６０は、窒素含有化合物を含む蒸気のソースを含むことができ、第二のソース６４は炭素含有化合物（より一般的には、炭素含有化合物、ホウ素含有化合物、又は酸素含有化合物の少なくとも１種を含む蒸気のソース）を含む蒸気のソースを含むことができる。
【０１０１】
チャンバ９２は、固体鉄含有材料９４を取り囲む。幾つかの例において、鉄含有材料９４としては、鉄含有粉末、ビレット、又は基材上に堆積した薄膜を挙げることができる。幾つかの例において、鉄含有粉末中の粒子は、ナノメートル又はマイクロメートルオーダーの平均特性寸法を規定することができる。幾つかの例において、鉄含有薄膜は、約５００ナノメートル（ｎｍ）〜約１ミリメートル（ｍｍ）の厚さを規定することができる。幾つかの例において、鉄含有材料９４は、実質的に純粋な鉄（例えば、９０ａｔ％を超える純度の鉄）を含む。他の例において、鉄含有材料９４は、酸化鉄（例えばＦｅ2Ｏ3又はＦｅ3Ｏ4）を含むことができる。
【０１０２】
チャンバ９２は、第一のインレット９６及び第二のインレット９８を含むことができる。第一のインレット９６を、バルブ１０２により第一のガスソース１００に流体的に接続することができる。第一のガスソース１００としては、ＨＣｌ等の酸又は塩化物のソースを挙げることができる。酸又は塩化物は、鉄含有材料９４と反応して鉄含有蒸気を形成することができる。例えば、ＨＣｌは鉄含有材料９４と反応して塩化鉄（ＦｅＣｌ3）を形成することができ、それは加熱されて蒸気を形成することができる。
【０１０３】
第二のインレット９８を、バルブ１０６によりキャリアガスソース１０４に流体的に結合することができる。幾つかの例において、キャリアガスソース１０４は、実質的に不活性のガス（例えば、装置８０の動作中に装置８０内に存在する他の元素及び化合物と実質的に反応性でないガス）のソースを含むことができる。実質的に不活性のガスとしては、例えばアルゴン等の希ガスを挙げることができる。
【０１０４】
バルブ６２、６６、１０２及び１０６は、ＣＶＤチャンバ８２へのガス及び蒸気の全流速と、ＣＶＤチャンバ８２へ流入するガス及び蒸気中のキャリアガス、窒素含有蒸気、炭素含有蒸気、及び鉄含有蒸気の相対割合とを制御するのに用いることができる。例えば、バルブ６２、６６、１０２及び１０６を制御することにより、層１６の第一の組の層と層１８の第二の組の層を交互に堆積させて、図１及び図５に示される多層硬質磁性材料１４を製造することができる。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む層１６の第一の組の層を形成するために、バルブ６２、６６、１０２及び１０６を制御することにより、炭素含有化合物を含む蒸気のＣＶＤチャンバ８２への流入を防ぎつつ、キャリアガス、窒素含有化合物を含む蒸気、及び鉄含有化合物を含む蒸気をＣＶＤチャンバ８２へ流入させることができる。幾つかの例において、層１６の第一の組の層を形成するために、バルブ６２、６６、１０２及び１０６を制御することにより、ＣＶＤチャンバ８２へ流入するキャリアガス、窒素含有化合物を含む蒸気、及び鉄含有化合物を含む蒸気が、約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）のＣＶＤチャンバ８２へ流入するガス及び蒸気中の鉄と窒素の原子比率を生成することができる。例えば、ＣＶＤチャンバ８２へ流入するガス及び蒸気中の鉄と窒素原子の原子比率は、約９：１（鉄：窒素）、約８：１（鉄：窒素）、又は約６．６５：１（鉄：窒素）であることができる。
【０１０５】
幾つかの例において、層１６の第一の組の層を形成するために、キャリアガスの流速は、約５ｓｃｃｍ〜約５０００ｓｃｃｍであることができ、窒素含有化合物を含む蒸気の流速は、約１０ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍであることができ、鉄含有化合物を含む蒸気の流速は、約１００ｓｃｃｍ〜約５０００ｓｃｃｍであることができる。これらのような流速は、約１００μｍ／ｈ〜約１０００μｍ／ｈの層１６の第一の組の層の成長速度をもたらす場合がある。
【０１０６】
幾つかの例において、ＨＣｌは、以下の反応：
Ｆｅ＋ＨＣｌ→ＦｅＣｌ3＋Ｈ2
にしたがってチャンバ９２中でＦｅと反応することができる。ＦｅＣｌ3とＨ2は、蒸気をＮＨ3等の窒素含有蒸気と混合することができる第一のインレット８６を介してＣＶＤチャンバ８２に流入することができる。幾つかの例において、窒素含有蒸気及び鉄含有蒸気は、鉄と窒素の約８：１の比を含む層１６の第一の組の層を堆積させる以下の反応：
１６ＦｅＣｌ3＋２ＮＨ3＋２１Ｈ2→２Ｆｅ8Ｎ＋４８ＨＣｌ
にしたがって反応することができる。
【０１０７】
幾つかの例において、軟質磁性材料を含む層１８の第二の組の層を形成するために、バルブ６２、６６、１０２及び１０６を制御することにより、窒素含有化合物及び炭素含有化合物を含む蒸気がＣＶＤチャンバ８２に流入することを防ぎつつ、キャリアガス、及び鉄含有化合物を含む蒸気がＣＶＤチャンバ８２に流入させることができる。これにより、堆積した実質的に純粋な鉄を含む層をもたらすことができる。
【０１０８】
他の例において、層１８の第二の組の層を形成するために、バルブ６２、６６、１０２及び１０６を制御して、キャリアガス、窒素含有化合物を含む蒸気、炭素含有化合物を含む蒸気、及び鉄含有化合物を含む蒸気をＣＶＤチャンバ８２に流入させ、約１１．５：１（鉄：窒素＋炭素）〜約５．６５：１（鉄：窒素＋炭素）のＣＶＤチャンバ８２へ流入するガス及び蒸気中の鉄と窒素及び炭素の組み合わせとの原子比率を生成することができる。例えば、ＣＶＤチャンバ８２へ流入するガス及び蒸気中の鉄と窒素及び炭素の組み合わせとの原子比率は、約９：１（鉄：窒素＋炭素）、約８：１（鉄：窒素＋炭素）、又は約６．６５：１（鉄：窒素＋炭素）であることができる。
【０１０９】
加えて、バルブ６２及び６６を制御することにより、窒素含有化合物を含む蒸気と炭素含有化合物を含む蒸気の相対的な流速を制御して、ＣＶＤチャンバ８２へ流入するガス中の窒素と炭素の所定の原子比率を生成することができる。例えば、バルブ６２及び６６を制御することにより、窒素含有化合物を含む蒸気と炭素含有化合物を含む蒸気の相対的な流速を制御して、約０．１：１〜約１０：１、たとえば約１：１又は約４．６６７：５．３３３の窒素と炭素の原子比率を生成することができる。
【０１１０】
幾つかの例において、層１８の第二の組の層を形成するために、キャリアガスの流速は、約５ｃｍ３／分〜約５０００ｃｍ３／分であることができ、窒素含有化合物を含む蒸気の流速は約１０ｃｍ３／分〜約１０００ｓｃｃｍであることができ、炭素含有化合物を含む蒸気の流速は、約０．１ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍであることができ、鉄含有化合物を含む蒸気の流速は約１００ｓｃｃｍ〜約５０００ｓｃｃｍであることができる。これらのような流速は、約１００μｍ／ｈ〜約１０００μｍ／ｈの層１８の第二の組の層の成長速度をもたらす場合がある。
【０１１１】
幾つかの例において、ＨＣｌは、以下の反応：
Ｆｅ＋ＨＣｌ→ＦｅＣｌ3＋Ｈ2
にしたがってチャンバ９２中でＦｅと反応することができる。ＦｅＣｌ3とＨ2は、蒸気をＮＨ3等の窒素含有蒸気と混合することができる第一のインレット８６を介してＣＶＤチャンバ８２に流入することができる。幾つかの例において、窒素含有蒸気及び鉄含有蒸気は、鉄と窒素＋炭素との約８：１の比を含む層１８の第二の組の層を堆積させる以下の反応：
１６ＦｅＣｌ3＋２ＮＨ3＋２ＣＨ４＋１７Ｈ２→２Ｆｅ8ＮＣ＋４８ＨＣｌ
にしたがって反応することができる。
【０１１２】
図５に関して上記で記載されたように、多層コーティング４８が所定の厚さに形成されたら、多層コーティング４８をアニールして、層１６の第一の組の層中の鉄窒化物混合物の少なくとも幾らかをα’’‐Ｆｅ16Ｎ2に転換し、層１８の第二の組の層中の鉄‐炭化物‐窒化物混合物の少なくとも幾らかをα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2又はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む。）との混合物に転換することができる。アニール法は、図５に関して上記に記載されたものと類似であってよく、または実質的に同じであってよい。
【０１１３】
ＣＶＤを用いて基材４６上に多層硬質磁性材料１４を形成することにより、ＣＶＤ及びＣＶＤを利用する既存の製造技術を用いて形成された他の製品に、多層硬質磁性材料１４を組み入れることができる。マスキングを含む既存のＣＶＤ製造操作を用いて、多層硬質磁性材料１４を基材４６の所定の部分又は領域に堆積させることができる。例えば、多層硬質磁性材料１４をＣＭＯＳ（相補的金属酸化物半導体）集積回路デバイスに組み入れることができ、多層硬質磁性材料４２を形成するＣＶＤ法を既存のＣＭＯＳ加工方法に組み入れることができる。他の例において、ＣＶＤを用いて形成された多層硬質磁性材料１４を、数ある応用の中でも特に、電気モーター、発電機、変圧器、磁気記録メディア、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）磁石、ＭＲＡＭ、磁性体論理デバイス、磁気ＭＥＭＳ、及びマイクロアクチュエーター等の高質磁性材料を利用する他のデバイスに組み入れることができる。
【０１１４】
ＣＶＤは、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）等の幾つかの他の技術より速く多層コーティング層４８を成長させる場合がある一方、幾つかの例において、スパッタリング等の幾つかの他の技術と比較して優れたコーティングを形成する場合がある。
【０１１５】
他の例において、コーティング（例えば多層コーティング４８）を液相エピタキシー（ＬＰＥ）を用いて基材（例えば基材４６）上に形成することができる。ＬＰＥにおいて、コーティング材料を含む溶液を冷却して過飽和の溶液を形成することができる。溶液中のコーティング材料は、溶液に浸漬され（ｉｍｍｅｒｓｅｄ）、または浸漬された（ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ）基材上にコーティングを堆積させる。幾つかの例において、ＬＰＥ法が近平衡プロセスであるように、過飽和の程度は低くてよい。これは、高い結晶品質のコーティングをもたらす場合がある（例えば、ほとんど完全な結晶構造）。加えて、溶液中のコーティング材料の濃度が蒸気相法におけるコーティング材料の濃度よりはるかに高いため、コーティングの成長速度は、蒸気相法を用いて成長したコーティングの成長速度より高い場合がある。
【０１１６】
図７は、ＬＰＥを用いて基材４６上に鉄窒化物を含む少なくとも１つの層と鉄、窒素、及び炭素を含む少なくとも１つの層とを含む多層コーティングを形成する例示的な装置１１０を示す概念概略図である。装置１１０は、コーティング溶液１１６が含まれるるつぼ１１２を含む。装置１１０はＲＦ誘導コイル１１４も含み、それはるつぼ１１２を少なくとも部分的に取り囲んでいる。ＲＦ誘導コイル１１４を流れるように、ＲＦにおいて交流電流を生じさせるＲＦソース（図７には示されていない）にＲＦ誘導コイル１１４を電気的に接続することができる。幾つかの例において、ＲＦ誘導コイル１１４により生成したＲＦ磁場は、コーティング溶液１１６が加熱されるように、コーティング溶液１１６又はるつぼ１１２により吸収されてよい。
【０１１７】
コーティング溶液１１６は、溶媒中の鉄の溶液を含むことができる。コーティング溶液１１６は、鉄と窒素を含む層を形成する際に第一の溶液を、鉄、炭素、及び窒素を含む層を形成する際に第二の異なる溶液を含むことができる。
【０１１８】
幾つかの例において、鉄と窒素を含む層を形成する際に、溶媒は、硝酸アンモニウム、尿素、アミド又はヒドラジン等の窒素含有化合物を含むことができる。幾つかの例において、溶媒を、堆積温度及び圧力にて窒素により過飽和にすることができる。任意のアミドを用いることができるが、例示的なアミドとしては、カルバミド（尿素ともよばれる（ＮＨ2）2ＣＯ）、メタンアミド（上記の式１）、ベンズアミド（上記の式２）、アセトアミド（上記の式３）、及び酸アミドが挙げられる。アミドは、ＬＰＥ法中にコーティング溶液１１６により経験した温度にて液体であるように選択することができる。
【０１１９】
コーティング溶液１１６は、鉄ソースも含む。幾つかの例において、鉄ソースは鉄含有化合物を含むことができる。幾つかの例において、鉄ソースは液体鉄ドナー、たとえばＦｅＣｌ3又はＦｅ（ＣＯ）5を含む。他の例において、鉄ソースは鉄含有粉末を含むことができる。幾つかの例において、鉄含有粉末は、実質的に純粋な鉄（例えば９０ａｔ％を超える純度の鉄）を含むことができる。幾つかの例において、鉄含有粉末は、酸化鉄（例えばＦｅ2Ｏ3又はＦｅ3Ｏ4）を含むことができる。
【０１２０】
鉄と窒素を含む層を形成するＬＰＥプロセス中、コーティング溶液１１６を、図８に示される液体‐固体鉄‐窒素相図の液相線温度を超える温度に加熱することができる。例えば、溶媒を液体‐固体鉄‐窒素相図中の点Ａにより示される温度に加熱することができる。幾つかの例において、溶媒は、点Ａにより示された温度に加熱される際、鉄ソースを含まなくてよい。
【０１２１】
鉄ソース又は鉄含有材料を次いで溶媒に溶解させ、鉄含有材料により飽和したコーティング溶液１１６を形成することができる。この飽和溶液は、液体‐固体鉄‐窒素相図の点Ｂにより示されている。基材４６を次いでコーティング溶液１１６に浸漬することができる。
【０１２２】
コーティング溶液１１６と基材４６を、次いで鉄‐窒素コーティングが形成される液相線温度未満の点Ｃにより示された温度に冷却することができる。このことは、鉄含有材料により過飽和にされたコーティング溶液１１６を生じさせ、それはＬＰＥコーティング法を駆動する。幾つかの例において、ＬＰＥコーティング法が実施される点Ｃにより示された温度は、（点Ｃがより高い温度を示すが）約６００℃〜約８００℃であることができる。点Ｃは、析出が終わる液相線上の点Ｄに到達するまで２相領域にあり、それは、基材４６の表面上の鉄窒化物の析出の駆動力を与える。幾つかの例において、コーティング溶液８６中の鉄と窒素の濃度、及びＬＰＥコーティング法が実施される温度を制御して、約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）の鉄と窒素の原子比率を与えることができる。例えば、鉄と窒素原子の原子比率は、約９：１（鉄：窒素）、約８：１（鉄：窒素）又は約６．６５：１（鉄：窒素）であることができる。
【０１２３】
鉄と窒素を含むコーティングがＬＰＥにより形成されたら、基材４６をるつぼ１１２から取り出すことができる。
【０１２４】
第二のコーティング溶液１１６を、鉄、炭素、及び窒素を含む層を形成するために形成することができる。幾つかの例において、鉄、炭素、及び窒素を含む層を形成する際、溶媒は、硝酸アンモニウム、尿素、アミド又はヒドラジン等の窒素含有化合物を含むことができる。幾つかの例において、溶媒を、堆積温度及び圧力にて窒素により過飽和にすることができる。任意のアミドを用いることができるが、例示的なアミドとしては、カルバミド（尿素ともよばれる（ＮＨ2）2ＣＯ）、メタンアミド（上記の式１）、ベンズアミド（上記の式２）、アセトアミド（上記の式３）、及び酸アミドが挙げられる。アミドは、ＬＰＥ法中にコーティング溶液１１６により経験した温度にて液体であるように選択することができる。
【０１２５】
コーティング溶液１１６は、炭素含有化合物も含むことができる。例えば、コーティング１１６は溶解した一酸化炭素、溶解した二酸化炭素、溶解したメタン又は尿素を含むことができる。幾つかの例において、炭素含有化合物及び窒素含有化合物は同じ（例えば尿素）であることができる。
【０１２６】
コーティング溶液１１６は、鉄ソースも含む。幾つかの例において、鉄ソースは鉄含有化合物を含むことができる。幾つかの例において、鉄ソースはＦｅＣｌ3、Ｆｅ（ＣＯ）5、実質的に純粋な鉄（例えば９０ａｔ％を超える純度の鉄）、Ｆｅ2Ｏ3又はＦｅ3Ｏ4の少なくとも１種を含む。
【０１２７】
鉄、炭素、及び窒素を含む層を形成するＬＰＥプロセス中、コーティング溶液１１６を、基材４６上に堆積される鉄、炭素、及び窒素の混合物の液相線温度を超える温度に加熱することができる。幾つかの例において、溶媒は、液相線温度を超える温度に加熱される際、鉄ソース、炭素ソース、又はその両方を含まなくてよい。
【０１２８】
鉄ソース及び炭素ソースを次いで溶媒に溶解させ、鉄含有材料、炭素ソース、又はその両方により飽和したコーティング溶液１１６を形成することができる。基材４６を次いでコーティング溶液１１６に浸漬することができる。
【０１２９】
コーティング溶液１１６と基材４６を、次いで形成された鉄‐炭素‐窒素コーティングの液相線温度未満の温度に冷却することができる。これにより、鉄含有材料、炭素含有材料、又はその両方により過飽和にされたコーティング溶液１１６を生じさせ、それはＬＰＥコーティング法を駆動する。幾つかの例において、ＬＰＥコーティング法が実施される温度は、約６００℃〜約１０００℃であることができる。この温度は、２相領域にあることができ、それは、基材１２の表面上の鉄‐炭素‐窒素の析出の駆動力を与える。幾つかの例において、コーティング溶液１１６中の鉄、炭素、及び窒素の濃度、並びにＬＰＥコーティング法が実施される温度を制御して、約１１．５：１（鉄：（窒素＋炭素））〜約５．６５：１（鉄：（窒素＋炭素））の鉄と窒素＋炭素との原子比率を与えることができる。例えば、鉄と窒素原子の原子比率は、約９：１（鉄：（窒素＋炭素））、約８：１（鉄：（窒素＋炭素））又は約６．６５：１（鉄：（窒素＋炭素））であることができる。
【０１３０】
鉄及び窒素を含む少なくとも１つの層と、鉄、炭素、及び窒素を含む少なくとも１つの層とを含む多層コーティング後に、多層コーティングを図５に関して記載されたものと類似、又は実質的に同じ条件下でアニールすることができる。アニールが、鉄及び窒素を含む層中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2の形成と、鉄、Ｚ原子（例えば炭素）、及び窒素を含む層中のα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2相（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含む。）、又はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2相とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2相との混合物の形成とを促進することにより、図１に示された多層硬質磁性材料１４を形成することができる。
【０１３１】
α’’‐Ｆｅ16Ｎ2は、高い飽和磁化及び磁気異方性定数を有する。高い飽和磁化及び磁気異方性定数は、希土類磁石より高い場合がある磁気エネルギー積をもたらす。例えば、薄膜α’’‐Ｆｅ16Ｎ2永久磁石から集められた実験的証拠は、バルクＦｅ16Ｎ2永久磁石が、約１３４メガガウス*エールステッド（ＭＧＯｅ）程度（約６０ＭＧＯｅのエネルギー積を有する）ＮｄＦｅＢのエネルギー積の約２倍である）のエネルギー積を含む望ましい磁気特性を有する場合があることを示唆する。加えて、鉄と窒素は豊富な元素であるため、それほど高価でなく、製造が容易である。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2磁石の高いエネルギー積を、数ある応用の中でも特に、電気モーター、発電機、変圧器、磁気記録メディア、及び磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）磁石に用いることができる。多層硬質磁性材料１４（図１）において、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む層１６の第一の組の層は、軟質磁性材料を含む層１８の第二の組の層と交換スプリング結合することができる。このように、多層硬質磁性材料１４は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2からなる材料と類似の磁気特性を有することができる。
【０１３２】
範囲が分子量等の物理的特性、又は化学式等の化学的特性に関して本開示で用いられる場合、その特定の例に関する範囲の全ての組み合わせ及びサブコンビネーションが含まれることが意図される。
【０１３３】
この特許出願は、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０５１３８２（２０１２年８月１７日出願）、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０１５１０４（２０１４年２月６日出願）、及び国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０４３９０２（２０１４年６月２４日出願）に関連する。これらの国際特許出願の全体の内容は、参照により本開示に組み入れられる。
【０１３４】
本書面において引用され、または記載された各特許、特許出願、及び公報の開示は、その全体において参照により本開示に組み入れられる。
【０１３５】
態様１：鉄ソースを加熱して鉄含有化合物を含む蒸気を形成すること、鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を基材上方に堆積させて、鉄と窒素を含む第一の層を形成すること、鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気から炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を前記基材上方に堆積させて、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を形成すること、及び前記第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を、前記第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含み、ｘはゼロより大きく、１より小さい数である。）を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
態様２：鉄ソースを加熱して鉄含有化合物を含む蒸気を形成すること、鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を基材上方に堆積させて、鉄と窒素を含む第一の層を形成すること、鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気から炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を前記基材上方に堆積させて、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を形成すること、及び前記第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を、前記第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む。）を含む少なくとも幾らかの結晶とを形成することを含む方法。
態様３：前記第一の層が前記基材上に形成され、前記第二の層が前記第一の層上に形成される、態様１又は２に記載の方法。
態様４：前記第二の層が前記基材上に形成され、前記第一の層が前記第二の層上に形成される、態様１又は２に記載の方法。
態様５：前記鉄ソースが固体鉄を含む、態様１〜４のいずれかに記載の方法。
態様６：前記固体鉄が、鉄粉末又は鉄薄膜の少なくとも１種を含む、態様１〜４のいずれかに記載の方法。
態様７：鉄ソースが固体鉄前駆体を含む、態様１〜４のいずれかに記載の方法。
態様８：前記固体鉄前駆体が、Ｆｅ2Ｏ3粉末又はＦｅ2Ｏ4粉末の少なくとも１種を含む、態様７に記載の方法。
態様９：前記鉄ソースが液体鉄前駆体を含む、態様１〜４のいずれかに記載の方法。
態様１０：前記液体鉄前駆体が、ＦｅＣｌ3又はＦｅ（ＣＯ）5の少なくとも１種を含む、態様９に記載の方法。
態様１１：前記窒素含有化合物を含む蒸気が、少なくとも尿素を加熱して尿素を含む蒸気を形成することにより形成される、態様１〜１０のいずれかに記載の方法。
態様１２：前記窒素含有化合物を含む蒸気が、少なくともアミド又はヒドラジンの少なくとも１種を加熱して窒素含有化合物を含む蒸気を形成することにより形成される、態様１〜１０のいずれかに記載の方法。
態様１３：前記窒素含有化合物を含む蒸気がＮＨ3蒸気を含む、態様１〜１０のいずれかに記載の方法。
態様１４：前記窒素含有化合物を含む蒸気が、プラズマを用いて二原子窒素から形成された原子状窒素を含む、態様１〜１０のいずれかに記載の方法。
態様１５：前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気を与えることが、炭素の固体ソースを加熱して炭素を含む蒸気を形成することを含む、態様１〜１４のいずれかに記載の方法。
態様１６：前記炭素の固体ソースが、純粋な炭素又は尿素の少なくとも１種を含む、態様１５に記載の方法。
態様１７：前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気が、一酸化炭素、二酸化炭素、又はメタンの少なくとも１種を含む蒸気を含む、態様１〜１４のいずれかに記載の方法。
態様１８：前記鉄含有化合物を含む蒸気及び前記窒素含有化合物を含む蒸気を加熱して前記鉄含有化合物を含む蒸気及び前記窒素含有化合物を含む蒸気を分解して、前記第一の層中で前記基材上に堆積する原子状窒素と原子状鉄を形成することを更に含む、態様１〜１７のいずれかに記載の方法。
態様１９：原子状窒素及び原子状鉄が前記第一の層中で前記基材上に堆積するように、前記鉄含有化合物を含む蒸気、及び前記窒素含有化合物を含む蒸気の少なくとも１種の分解温度を超えて前記基材を加熱することを更に含む、態様１〜１８のいずれかに記載の方法。
態様２０：前記鉄含有化合物を含む蒸気と、前記窒素含有化合物を含む蒸気と、前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気とを加熱して、前記鉄含有化合物を含む蒸気と、前記窒素含有化合物を含む蒸気と、前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気とを分解して、前記第二の層中で前記基材上に堆積する原子状窒素と、原子状鉄と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種の原子とを形成することを更に含む、態様１〜１９のいずれかに記載の方法。
態様２１：原子状窒素、原子状鉄、及び炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種の原子が前記第二の層中で前記基材上に堆積するように、前記鉄含有化合物を含む蒸気、前記窒素含有化合物を含む蒸気、及び前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気の少なくとも１種の分解温度を超えて前記基材を加熱することを更に含む、態様１〜２０のいずれかに記載の方法。
態様２２：前記第一の層と前記第二の層をアニールすることが、約５時間〜８０時間、約１００℃〜約３００℃の温度にて層を加熱することを含む、態様１〜２１のいずれかに記載の方法。
態様２３：前記基材が、シリコン、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＩｎＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ガラス、又は高温ポリマーの少なくとも１種を含む、態様１〜２２のいずれかに記載の方法。
態様２４：窒素含有溶媒と鉄ソースとを含む第一のコーティング溶液に基材を浸漬させるに際し、前記第一のコーティング溶液が、前記第一のコーティング溶液から堆積される鉄‐窒素混合物の液相線温度を超える第一の温度にて鉄ソースにより飽和されること、前記第一のコーティング溶液を鉄‐窒素混合物の液相線温度未満の第二の温度に冷却して過飽和の第一のコーティング溶液を形成すること、前記過飽和の第一のコーティング溶液中に前記基材を維持することにより、鉄と窒素を含む第一の層を前記基材上方に形成すること、窒素含有溶媒と、鉄ソースと、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む化合物とを含む第二のコーティング溶液に前記基材を浸漬させるに際し、前記第二のコーティング溶液が、前記第二のコーティング溶液から堆積される混合物の液相線温度を超える第三の温度にて鉄ソースにより飽和されること、前記第二のコーティング溶液を混合物の液相線温度未満の第四の温度に冷却して過飽和の第二のコーティング溶液を形成すること、前記過飽和の第二のコーティング溶液中に前記基材を維持することにより、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を前記基材上方に形成すること、前記第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成すること、及び前記第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含み、ｘはゼロより大きく、１より小さい数である。）を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
態様２５：窒素含有溶媒と鉄ソースとを含む第一のコーティング溶液に基材を浸漬させるに際し、前記第一のコーティング溶液が、前記第一のコーティング溶液から堆積される鉄‐窒素混合物の液相線温度を超える第一の温度にて鉄ソースにより飽和されること、前記第一のコーティング溶液を鉄‐窒素混合物の液相線温度未満の第二の温度に冷却して過飽和の第一のコーティング溶液を形成すること、前記過飽和の第一のコーティング溶液中に前記基材を維持することにより、鉄と窒素を含む第一の層を前記基材上方に形成すること、窒素含有溶媒と、鉄ソースと、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む化合物とを含む第二のコーティング溶液に前記基材を浸漬させるに際し、前記第二のコーティング溶液が、前記第二のコーティング溶液から堆積される混合物の液相線温度を超える第三の温度にて鉄ソースにより飽和されること、前記第二のコーティング溶液を混合物の液相線温度未満の第四の温度に冷却して過飽和の第二のコーティング溶液を形成すること、前記過飽和の第二のコーティング溶液中に前記基材をある期間に亘って維持することにより、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を前記基材上方に形成すること、前記第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成すること、及び前記第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む。）との混合物を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
態様２６：前記第一の層が前記基材上に形成され、前記第二の層が前記第一の層上に形成される、態様２４又は２５に記載の方法。
態様２７：前記第二の層が前記基材上に形成され、前記第一の層が前記第二の層上に形成される、態様２４又は２５に記載の方法。
態様２８：前記溶媒が、アミド又はヒドラジンの少なくとも１種を含む、態様２４〜２７のいずれかに記載の方法。
態様２９：前記鉄ソースが、実質的に純粋な鉄、ＦｅＣｌ3、Ｆｅ（ＣＯ）5、又は酸化鉄の少なくとも１種を含む、態様２４〜２８のいずれかに記載の方法。
態様３０：前記第二の温度が約６００℃〜約８００℃である、態様２４〜２９のいずれかに記載の方法。
態様３１：前記第一のコーティングが、約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）の鉄と窒素の原子比率を含む、態様２４〜３０のいずれかに記載の方法。
態様３２：前記第一のコーティングが、約８：１（鉄：窒素）の鉄と窒素の原子比率を含む、態様２４〜３０のいずれかに記載の方法。
態様３３：前記第二のコーティングが、約１１．５：１〜約５．６５：１の鉄：窒素＋炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種の原子比率を含む、態様２４〜３２のいずれかに記載の方法。
態様３４：前記第二のコーティングが、約８：１の鉄：窒素＋炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種の原子比率を含む、態様２４〜３２のいずれかに記載の方法。
態様３５：前記第一のコーティングをアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成すること、及び前記第二のコーティングをアニールしてα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2又はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2との混合物を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することが、約５時間〜約８０時間、約１００℃〜約３００℃の温度にて前記第一のコーティング及び前記第二のコーティングを加熱することを含む、態様２４〜３４のいずれかに記載の方法。
態様３６：前記基材が、シリコン、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＩｎＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ガラス、又は高温ポリマーの少なくとも１種を含む、態様２４〜３５のいずれかに記載の方法。
態様３７：態様１〜３６のいずれかに記載の方法により形成された物品。
態様３８：各層がα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む、層の第一の組と、各層がα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含む。）との混合物を含む、層の第二の組とを含む物品であって、前記層の第一の組の１つ又はそれより多くの各層が、前記層の第二の組の１つ又はそれより多くの各層と交互に配置されている物品。
態様３９：前記層の第二の組の各層中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2の比が約１：１である、態様３８に記載の物品。
態様４０：各層がα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む、層の第一の組と、各層がα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含み、ｘはゼロより大きく、１より小さい数である。）を含む、層の第二の組とを含む物品であって、前記層の第一の組の１つ又はそれより多くの各層が、前記層の第二の組の１つ又はそれより多くの各層と交互に配置されている物品。
態様４１：ｘが約０．５に等しい、態様４０に記載の物品。
態様４２：高温ポリマー、シリコン、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＩＮＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、又はガラスの少なくとも１種を含む基材を更に含み、前記層の第一の組と前記層の第二の組が、前記基材上に形成されている、態様３８〜４１のいずれかに記載の物品。
態様４３：交換スプリング結合により、前記層の第二の組の１つ又はそれより多くの各層が、前記層の第一の組の１つ又はそれより多くの各層と磁気的に結合している、態様３８〜４２のいずれかに記載の物品。
【０１３６】
種々の例が記載されてきた。当業者は、種々の変更及び改変が本開示に記載の例に対してなされることができること、並びに係る変更及び改変が本開示の精神から逸脱することなくなされることができることを理解するであろう。これら及び他の例は、以下の特許請求の範囲内である。
本開示は以下も包含する。
［１］
各層がα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む、層の第一の組と、
各層がα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含む。）との混合物を含む、層の第二の組と
を含む物品であって、前記層の第一の組の１つ又はそれより多くの各層が、前記層の第二の組の１つ又はそれより多くの各層と交互に配置されている物品。
［２］
前記層の第二の組の各層中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2の比が約１：１である、上記態様１に記載の物品。
［３］
前記層の第二の組の各層中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2の比が約４．６６７：５．３３３である、上記態様１に記載の物品。
［４］
各層がα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む、層の第一の組と、
各層がα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、ＺはＣ、Ｂ、又はＯの少なくとも１種を含み、ｘは０より大きく、１より小さい数である。）を含む、層の第二の組と
を含む物品であって、前記層の第一の組の１つ又はそれより多くの各層が、前記層の第二の組の１つ又はそれより多くの各層と交互に配置されている物品。
［５］
ｘが約０．５に等しい、上記態様４に記載の物品。
［６］
前記層の第二の組の各層中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2の比が約０．４６６７である、上記態様４に記載の物品。
［７］
高温ポリマー、シリコン、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＩＮＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ガラス、又は金属の少なくとも１種を含む基材を更に含み、前記層の第一の組と前記層の第二の組が、前記基材上に形成されている、上記態様１〜６のいずれかに記載の物品。
［８］
交換スプリング結合により、前記層の第二の組の１つ又はそれより多くの各層が、前記層の第一の組の１つ又はそれより多くの各層と磁気的に結合している、上記態様１〜７のいずれかに記載の物品。
［９］
強磁性ドーパント、非磁性ドーパント、又は相安定剤の少なくとも１種を更に含む、上記態様１〜８のいずれかに記載の物品。
［１０］
前記層の第一の組の少なくとも１つの層の厚さが、約５０ｎｍ未満である、上記態様１〜９のいずれかに記載の物品。
［１１］
前記層の第一の組の少なくとも１つの層が、軟質磁性材料を含む少なくとも１つのドメインを更に含み、前記層の第一の組の少なくとも１つの層中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2が、軟質磁性材料を含む少なくとも１つのドメインと磁気的に結合している、上記態様１〜９のいずれかに記載の物品。
［１２］
前記物品が、電気モーター、発電機、センサ、アクチュエーター、自動車の部品、又は風力タービンの部品である、上記態様１〜１１のいずれかに記載の物品。
［１３］
鉄ソースを加熱して鉄含有化合物を含む蒸気を形成すること、
鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を基材上方に堆積させて、鉄と窒素を含む第一の層を形成すること、
鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気から炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を前記基材上方に堆積させて、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を形成すること、及び
前記第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を、前記第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含み、ｘはゼロより大きく、１より小さい数である。）を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
［１４］
鉄ソースを加熱して鉄含有化合物を含む蒸気を形成すること、
鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を基材上方に堆積させて、鉄と窒素を含む第一の層を形成すること、
鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気から炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を前記基材上方に堆積させて、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を形成すること、及び
前記第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を、前記第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む。）を含む少なくとも幾らかの結晶とを形成することを含む方法。
［１５］
前記第一の層が前記基材上に形成され、前記第二の層が前記第一の層上に形成される、上記態様１３又は１４に記載の方法。
［１６］
前記第二の層が前記基材上に形成され、前記第一の層が前記第二の層上に形成される、上記態様１３又は１４に記載の方法。
［１７］
前記鉄ソースが固体鉄を含む、上記態様１３〜１６のいずれかに記載の方法。
［１８］
前記固体鉄が、鉄粉末又は鉄薄膜の少なくとも１種を含む、上記態様１３〜１６のいずれかに記載の方法。
［１９］
鉄ソースが固体鉄前駆体を含む、上記態様１３〜１６のいずれかに記載の方法。
［２０］
前記固体鉄前駆体が、Ｆｅ2Ｏ3粉末又はＦｅ2Ｏ4粉末の少なくとも１種を含む、上記態様１９に記載の方法。
［２１］
前記鉄ソースが液体鉄前駆体を含む、上記態様１３〜１６のいずれかに記載の方法。
［２２］
前記液体鉄前駆体が、ＦｅＣｌ3又はＦｅ（ＣＯ）5の少なくとも１種を含む、上記態様２１に記載の方法。
［２３］
前記窒素含有化合物を含む前記蒸気が、少なくとも尿素を加熱して尿素を含む蒸気を形成することにより形成される、上記態様１３〜２２のいずれかに記載の方法。
［２４］
前記窒素含有化合物を含む蒸気が、少なくともアミド又はヒドラジンの少なくとも１種を加熱して窒素含有化合物を含む蒸気を形成することにより形成される、上記態様１３〜２２のいずれかに記載の方法。
［２５］
前記窒素含有化合物を含む蒸気がＮＨ3蒸気を含む、上記態様１３〜２２のいずれかに記載の方法。
［２６］
前記窒素含有化合物を含む蒸気が、プラズマを用いて二原子窒素から形成された原子状窒素を含む、上記態様１３〜２２のいずれかに記載の方法。
［２７］
前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気を与えることが、炭素の固体ソースを加熱して炭素を含む蒸気を形成することを含む、上記態様１３〜２２のいずれかに記載の方法。
［２８］
前記炭素の固体ソースが、純粋な炭素又は尿素の少なくとも１種を含む、上記態様２７に記載の方法。
［２９］
前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気が、一酸化炭素、二酸化炭素、又はメタンの少なくとも１種を含む蒸気を含む、上記態様１３〜２６のいずれかに記載の方法。
［３０］
前記鉄含有化合物を含む蒸気及び前記窒素含有化合物を含む蒸気を加熱して前記鉄含有化合物を含む蒸気及び前記窒素含有化合物を含む蒸気を分解して、前記第一の層中で前記基材上に堆積する原子状窒素と原子状鉄を形成することを更に含む、上記態様１３〜２９のいずれかに記載の方法。
［３１］
原子状窒素及び原子状鉄が前記第一の層中で前記基材上に堆積するように、前記鉄含有化合物を含む蒸気、及び前記窒素含有化合物を含む蒸気の少なくとも１種の分解温度を超えて前記基材を加熱することを更に含む、上記態様１３〜３０のいずれかに記載の方法。
［３２］
前記鉄含有化合物を含む蒸気と、前記窒素含有化合物を含む蒸気と、前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気とを加熱して、前記鉄含有化合物を含む蒸気と、前記窒素含有化合物を含む蒸気と、前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気とを分解して、前記第二の層中で前記基材上に堆積する原子状窒素と、原子状鉄と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種の原子とを形成することを更に含む、上記態様１３〜３１のいずれかに記載の方法。
［３３］
原子状窒素、原子状鉄、及び炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種の原子が前記第二の層中で前記基材上に堆積するように、前記鉄含有化合物を含む蒸気、前記窒素含有化合物を含む蒸気、及び前記炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む蒸気の少なくとも１種の分解温度を超えて前記基材を加熱することを更に含む、上記態様１３〜３２のいずれかに記載の方法。
［３４］
前記第一の層と前記第二の層をアニールすることが、約５時間〜８０時間、約１００℃〜約３００℃の温度にて層を加熱することを含む、上記態様１３〜３３のいずれかに記載の方法。
［３５］
前記基材が、シリコン、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＩｎＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ガラス、高温ポリマー、又は金属の少なくとも１種を含む、上記態様１３〜３４のいずれかに記載の方法。
［３６］
窒素含有溶媒と鉄ソースとを含む第一のコーティング溶液に基材を浸漬させるに際し、前記第一のコーティング溶液が、前記第一のコーティング溶液から堆積される鉄‐窒素混合物の液相線温度を超える第一の温度にて鉄ソースにより飽和されること、
前記第一のコーティング溶液を鉄‐窒素混合物の液相線温度未満の第二の温度に冷却して過飽和の第一のコーティング溶液を形成すること、
前記過飽和の第一のコーティング溶液中に前記基材を維持することにより、鉄と窒素を含む第一の層を前記基材上方に形成すること、
窒素含有溶媒と、鉄ソースと、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む化合物とを含む第二のコーティング溶液に前記基材を浸漬させるに際し、前記第二のコーティング溶液が、前記第二のコーティング溶液から堆積される混合物の液相線温度を超える第三の温度にて鉄ソースにより飽和されること、
前記第二のコーティング溶液を混合物の液相線温度未満の第四の温度に冷却して過飽和の第二のコーティング溶液を形成すること、
前記過飽和の第二のコーティング溶液中に前記基材を維持することにより、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を前記基材上方に形成すること、
前記第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成すること、及び
前記第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含み、ｘはゼロより大きく、１より小さい数である。）を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
［３７］
窒素含有溶媒と鉄ソースとを含む第一のコーティング溶液に基材を浸漬させるに際し、前記第一のコーティング溶液が、前記第一のコーティング溶液から堆積される鉄‐窒素混合物の液相線温度を超える第一の温度にて鉄ソースにより飽和されること、
前記第一のコーティング溶液を鉄‐窒素混合物の液相線温度未満の第二の温度に冷却して過飽和の第一のコーティング溶液を形成すること、
前記過飽和の第一のコーティング溶液中に前記基材を維持することにより、鉄と窒素を含む第一の層を前記基材上方に形成すること、
窒素含有溶媒と、鉄ソースと、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む化合物とを含む第二のコーティング溶液に前記基材を浸漬させるに際し、前記第二のコーティング溶液が、前記第二のコーティング溶液から堆積される混合物の液相線温度を超える第三の温度にて鉄ソースにより飽和されること、
前記第二のコーティング溶液を混合物の液相線温度未満の第四の温度に冷却して過飽和の第二のコーティング溶液を形成すること、
前記過飽和の第二のコーティング溶液中に前記基材をある期間に亘って維持することにより、鉄と、窒素と、炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種とを含む第二の層を前記基材上方に形成すること、並びに
前記第一の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成すること、及び前記第二の層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2（式中、Ｚは炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種を含む。）との混合物を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
［３８］
前記第一の層が前記基材上に形成され、前記第二の層が前記第一の層上に形成される、上記態様３６又は３７に記載の方法。
［３９］
前記第二の層が前記基材上に形成され、前記第一の層が前記第二の層上に形成される、上記態様３６又は３７に記載の方法。
［４０］
前記溶媒が、アミド又はヒドラジンの少なくとも１種を含む、上記態様３６〜３９のいずれかに記載の方法。
［４１］
前記鉄ソースが、実質的に純粋な鉄、ＦｅＣｌ3、Ｆｅ（ＣＯ）5、又は酸化鉄の少なくとも１種を含む、上記態様３６〜４０のいずれかに記載の方法。
［４２］
前記第二の温度が約６００℃〜約８００℃である、上記態様３６〜４１のいずれかに記載の方法。
［４３］
前記第一のコーティングが、約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）の鉄と窒素の原子比率を含む、上記態様３６〜４２のいずれかに記載の方法。
［４４］
前記第一のコーティングが、約８：１（鉄：窒素）の鉄と窒素の原子比率を含む、上記態様３６〜４２のいずれかに記載の方法。
［４５］
前記第二のコーティングが、約１１．５：１〜約５．６５：１の鉄：窒素＋炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種の原子比率を含む、上記態様３６〜４４のいずれかに記載の方法。
［４６］
前記第二のコーティングが、約８：１の鉄：窒素＋炭素、ホウ素、又は酸素の少なくとも１種の原子比率を含む、上記態様３６〜４４のいずれかに記載の方法。
［４７］
前記第一のコーティングをアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成すること、及び前記第二のコーティングをアニールしてα’’‐Ｆｅ16（ＮxＺ1-x）2又はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とα’’‐Ｆｅ16Ｚ2との混合物を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することが、約５時間〜約８０時間、約１００℃〜約３００℃の温度にて前記第一のコーティング及び前記第二のコーティングを加熱することを含む、上記態様３６〜４６のいずれかに記載の方法。
［４８］
前記基材が、シリコン、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＩｎＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ガラス、高温ポリマー、又は金属の少なくとも１種を含む、上記態様３６〜４７のいずれかに記載の方法。
［４９］
上記態様１３〜４８のいずれかに記載の方法により形成された物品。
［５０］
上記態様１３〜４８のいずれかに記載の方法により製造されたα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む結晶を含む加工対象物。
［５１］
前記加工対象物が、ペレット、ロッド、薄膜、ナノ粒子、粉末、又はナノスケール粉末である、上記態様５０に記載の加工対象物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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