特許 6082128 窒化鉄永久磁石及び窒化鉄永久磁石を形成するための技術

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6082128

(24)【登録日】2017年1月27日

(45)【発行日】2017年2月15日

(54)【発明の名称】窒化鉄永久磁石及び窒化鉄永久磁石を形成するための技術

(51)【国際特許分類】

   H01F 1/047 20060101AFI20170206BHJP

   H01F 41/02 20060101ALI20170206BHJP

   C01B 21/06 20060101ALI20170206BHJP

【ＦＩ】

   H01F1/047

   H01F41/02 G

   C01B21/06 D

【請求項の数】23

【全頁数】54

(21)【出願番号】特願2015-557069(P2015-557069)

(86)(22)【出願日】2014年2月6日

(65)【公表番号】特表2016-513365(P2016-513365A)

(43)【公表日】2016年5月12日

(86)【国際出願番号】US2014015104

(87)【国際公開番号】WO2014124135

(87)【国際公開日】20140814

【審査請求日】2015年10月7日

(31)【優先権主張番号】61/762,147

(32)【優先日】2013年2月7日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】305023366

【氏名又は名称】リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ ミネソタ

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100077517

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 敬

(74)【代理人】

【識別番号】100087413

【弁理士】

【氏名又は名称】古賀 哲次

(74)【代理人】

【識別番号】100195213

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 健治

(74)【代理人】

【識別番号】100123593

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 宣夫

(74)【代理人】

【識別番号】100173107

【弁理士】

【氏名又は名称】胡田 尚則

(74)【代理人】

【識別番号】100128495

【弁理士】

【氏名又は名称】出野 知

(72)【発明者】

【氏名】ワーン ジアーン−ピーン

(72)【発明者】

【氏名】ジアーン イエンフオン

【審査官】 小池 秀介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２４６１７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０４９０８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０２−２１２３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 A.YAMAMOTO ，FORMATION OF FE16N2 IN DEFORMED IRON BY ION IMPLANTATION METHOD，1998 PROCEEDINGS OF INTERNATIONAL CONFERENCE ON ION IMPLANTATION TECHNOLOGY，米国，IEEE，１９９８年 ６月２２日，V2，P877-880

【文献】 Kensuke Nakajima，Formation of ferromagnetic iron nitride in iron thin films by high-dose nitrogen ion implantation，Journal of Applied Physics，米国，the AIP Publishing，１９８９年 ６月 １日，Vol.65,No.11，4357-4361

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｆ１／００−１／１１７

１／４０−１／４２

４１／００−４１／０４

４１／０８

４１／１０

Ｂ２２Ｆ１／００−８／００

Ｃ０１Ｂ２１／０６

Ｃ２２Ｃ１／０４−１／０５

３３／０２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメイン、
ドメイン壁ピン止めサイトを形成する複数の非磁性原子又は分子、及び、
Fe₈Nを含む残部の軟磁性材料、
を含むバルク永久磁性材料であって、ここで、前記軟磁性材料の少なくとも一部は交換スプリングカップリングによりFe₁₆N₂相ドメインに磁気的に結合されている、バルク永久磁性材料。

【請求項2】

約５体積％〜約２０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを含む、請求項１記載のバルク永久磁性材料。

【請求項3】

Fe₁₆N₂相ドメインはバルク永久磁性材料の体積全体に分散されている、請求項１又は２記載のバルク永久磁性材料。

【請求項4】

複数の非磁性原子又は分子はAl, Cu, Ti, Mn, Zr, Ta, B, C, Ni, Ru, SiO₂, A1₂0₃又はそれらの組み合わせからなる群より選ばれる、元素又は化合物を含む、請求項１〜３のいずれか１項記載のバルク永久磁性材料。

【請求項5】

バルク永久磁性材料は窒化鉄の複数のワークピースを一緒にプレスしたものを含み、窒化鉄のワークピースの各々は約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを含む、請求項１〜４のいずれか１項記載のバルク永久磁性材料。

【請求項6】

最小寸法は約１００マイクロメートルを超える、請求項１〜５のいずれか１項記載のバルク永久磁性材料。

【請求項7】

磁性材料はエネルギー積が約１０ＭＧＯｅを超える、請求項１〜６のいずれか１項記載のバルク永久磁性材料。

【請求項8】

窒化鉄材料の複数のワークピースを形成すること、ここで、複数のワークピースの各々は約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを含む、
窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に複数の非磁性原子又は分子を導入すること、及び、
窒化鉄の複数のワークピースを一緒にプレスして、約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを有する窒化鉄、ドメイン壁ピン止めサイトを形成する複数の非磁性原子又は分子、及び、Fe₈Nを含む残部の軟磁性材料を含むバルク永久磁性材料を形成すること、ここで、軟磁性材料の少なくとも一部は交換スプリングカップリングによってFe₁₆N₂相ドメインに磁気的に結合されている、
を含む方法。

【請求項9】

窒化鉄材料の複数のワークピースを形成することは、
イオン注入を用いてテクスチャー付き鉄ワークピースにＮ＋イオンを注入してテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成すること、及び、
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールし、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含む、請求項８記載の方法。

【請求項10】

高速ベルトキャスティングを用いてテクスチャー付き鉄ワークピースを形成することをさらに含む、請求項９記載の方法。

【請求項11】

イオン注入を用いてテクスチャー付きワークピースにＮ＋イオンを注入してテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成することは、
約１８０キロエレクトロンボルト未満のエネルギーにＮ＋イオンを加速することを含む、請求項９又は１０記載の方法。

【請求項12】

イオン注入を用いてテクスチャー付きワークピースにＮ＋イオンを注入してテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成することは、
約２×１０¹⁶／ｃｍ²〜約１×１０¹⁷／ｃｍ²の流束でＮ＋イオンを提供すること、
を含む、請求項９〜１１のいずれか１項記載の方法。

【請求項13】

イオン注入を用いてテクスチャー付きワークピースにＮ＋イオンを注入してテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成することは、
テクスチャー付き窒化鉄ワークピース中に約８原子％〜約１５原子％の平均窒素濃度を形成するのに十分なＮ＋イオンを提供することを含む、請求項９〜１２のいずれか１項記載の方法。

【請求項14】

窒化鉄材料の複数のワークピースを形成することは、
溶融鉄中で窒素源を混合すること、
溶融鉄を高速ベルトキャスティングしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成すること、及び、
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールし、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含む、請求項８記載の方法。

【請求項15】

溶融鉄中で窒素を混合することは、
溶融鉄中で窒素源を混合して約８原子％〜約１５原子％の窒素原子濃度を溶融鉄中にもたらすことを含む、請求項１４記載の方法。

【請求項16】

テクスチャー付き窒化鉄ワークピースは（１００）又は（１１０）結晶構造を含む、請求項８〜１５のいずれか１項記載の方法。

【請求項17】

テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースに対して約０．１％〜約７％の歪みを課すこと、及び、
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースに歪みを課している間に、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースを約１２０℃〜約２５０℃の温度に少なくとも約５時間加熱することを含む、請求項８〜１６のいずれか１項記載の方法。

【請求項18】

テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、
テクスチャー付き窒化鉄ワークピース内に約１０体積％〜約１５体積％のFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含む、請求項９〜１７のいずれか１項記載の方法。

【請求項19】

テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースの体積全体に分散したFe₁₆N₂を形成することを含む、請求項９〜１８のいずれか１項記載の方法。

【請求項20】

窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に複数の非磁性材料原子又は分子を導入することは、
イオン注入を用いて窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に非磁性イオンを注入するか、又はクラスター注入を用いて窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に非磁性分子を注入することを含む、請求項８〜１９のいずれか１項記載の方法。

【請求項21】

窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に複数の非磁性材料原子又は分子を導入することは、
窒化鉄材料の複数のワークピースの第一のワークピースと第二のワークピースとの間に複数の非磁性材料原子又は分子のワークピースを導入するか、又は窒化鉄材料の複数のワークピースの第一のワークピースと第二のワークピースとの間に少なくとも１つの鉄又は非磁性材料を含む粉末を導入することを含む、請求項８〜２０のいずれか１項記載の方法。

【請求項22】

複数の非磁性材料原子又は分子はAl, Cu, Ti, Mn, Zr, Ta, B, C, Ni, Ru, SiO₂, A1₂O₃又はそれらの組み合わせからなる群より選ばれる、請求項８〜２１のいずれか１項記載の方法。

【請求項23】

窒化鉄の複数のワークピースを一緒にプレスして、約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを有する窒化鉄を含むバルク磁石を形成することは、
窒化鉄の複数のワークピースに約０．２ギガパスカル〜約１０ギガパスカルの圧力を加えながら、窒化鉄の複数のワークピースを約２５０℃未満の温度に少なくとも約５時間加熱すること含む、請求項８〜２２のいずれか１項記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は永久磁性材料及び永久磁性材料を形成するための技術に関する。

【背景技術】

【0002】

永久磁石は、例えば、代替エネルギーシステムを含む、多くの電気機械システムで役割を果たしている。例えば、永久磁石は電気モータ又は発電機に使用することができ、それらは乗り物、風力タービン及び他の代替エネルギー機構に使用されうる。現在使用中の多くの永久磁石は高エネルギー積を生じる、ネオジムなどの希土類元素を含む。これらの希土類元素は比較的に供給が不足しており、そして将来的に価格上昇及び／又は供給不足に直面する可能性がある。また、希土類元素を含む幾つかの永久磁石は製造するのが高価である。例えば、ＮｄＦｅＢ磁石の製造は、一般的に、材料を粉砕し、材料を圧縮し、そして１０００℃を超える温度で焼結することを含み、それらのすべてが磁石の高い製造コストに寄与している。

【発明の概要】

【0003】

本開示はFe₁₆N₂を含むバルク永久磁石及びFe₁₆N₂を含むバルク永久磁石を形成するための技術を記載する。バルクFe₁₆N₂永久磁石は希土類元素を含む永久磁石の代替品を提供することができる。というのは、Fe₁₆N₂は高い飽和磁化及び磁気異方性定数を有するためである。高い飽和磁化及び磁気異方性定数は希土類磁石よりも高い可能性がある磁気エネルギー積を生じる。例えば、薄膜Fe₁₆N₂永久磁石から集められた実験的証拠は、バルクFe₁₆N₂永久磁石は約１３４メガガウス＊エルステッド（ＭＧＯｅ）という高さのエネルギー積を含む望ましい磁気特性を有することができることを示唆し、これはＮｄＦｅＢのエネルギー積（約６０ ＭＧＯｅのエネルギー積を有する）の約２倍である。さらに、鉄及び窒素は豊富な元素であるため、比較的安価で入手が容易である。Fe₁₆N₂磁石の高エネルギー積は、とりわけ、電気モータ、発電機及び磁気共鳴画像形成（ＭＲＩ）磁石での応用に高効率を提供しうる。

【0004】

本明細書で使用されるときに、バルク材料は約１００ナノメートル（ｎｍ）より大きい最小寸法（例えば、高さ、幅又は長さ）を含むことができる。幾つかの例では、バルク材料は、約１マイクロメートル（μｍ）より大きい、又は、約１００（μｍ）より大きい最小寸法を含むことができる。

【0005】

１つの態様において、本開示は約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメイン、ドメイン壁ピン止めサイトを形成する複数の非磁性原子又は分子、及び、残部の軟磁性材料を含むバルク永久磁性材料を記載し、ここで、軟磁性材料の少なくとも一部は交換スプリングカップリングによりFe₁₆N₂相ドメインに磁気的に結合されている。

【0006】

別の態様において、本開示は、窒化鉄ワークピースを形成するためにイオン注入を用いて鉄ワークピース中にＮ＋イオンを注入すること、窒化鉄ワークピースをプレアニールして基材に窒化鉄を固定すること、及び、窒化鉄ワークピースをポストアニールして窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含む方法を記載する。

【0007】

さらなる態様において、本開示は、窒化鉄材料を含む複数のワークピースを形成すること、ここで、複数のワークピースの各々は約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを含む、窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に追加の鉄又は非磁性材料を導入すること、及び、窒化鉄の複数のワークピースを一緒に焼結して、約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを有する窒化鉄を含むバルク磁石を形成することを含む方法を記載する。

【0008】

さらなる態様において、本開示は、イオン注入を用いてテクスチャー付き鉄ワークピースにＮ＋イオンを注入することにより複数のテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成して、約８原子％〜約１５原子％のＮ＋イオンを含むテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成すること、及び、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールし、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース内に約５体積％〜約４０体積％の体積分率のFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含み、残部の軟磁性材料はFe₈Nを含み、Fe₁₆N₂相ドメインの少なくとも一部は交換スプリングカップリングによってFe₈Nドメインの少なくとも一部に磁気的に結合される方法を記載する。本開示のこの態様によれば、方法は、また、窒化鉄の複数のワークピースの第一のワークピースと、複数のワークピースの第二のワークピースとの間、又は、窒化鉄の複数のワークピースのうちの少なくとも１つのワークピースの内部に非磁性材料を導入すること、及び、窒化鉄の複数のワークピースを一緒に焼結して、約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを有する窒化鉄を含むバルク磁石を形成することを含み、ここで、非磁性材料はバルク磁石内にドメイン壁ピン止めサイトを形成する。

【0009】

別の態様において、本開示は、約８原子％〜約１５原子％の溶融鉄中の窒素原子濃度をもたらすように溶融鉄中に窒素を混合し、溶融鉄を高速ベルトキャスティングしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成することにより複数のテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成すること、及び、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールして、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース内に約５体積％〜約４０体積％の体積分率のFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含み、残部の軟磁性材料はFe₈Nを含み、ここで、Fe₁₆N₂相ドメインの少なくとも一部は交換スプリングカップリングによってFe₈Nドメインの少なくとも一部に磁気的に結合される方法を記載する。本開示のこの態様によれば、この方法はまた、窒化鉄の複数のワークピースの第一のワークピースと、複数のワークピースの第二のワークピースとの間、又は、窒化鉄の複数のワークピースのうちの少なくとも１つのワークピースの内部に非磁性材料を導入すること、及び、窒化鉄の複数のワークピースを一緒に焼結して、約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを有する窒化鉄を含むバルク磁石を形成することを含み、ここで、非磁性材料はバルク磁石内にドメイン壁ピン止めサイトを形成する。

【0010】

さらなる態様において、本開示は、窒化鉄材料の複数のワークピースを形成すること、ここで、複数のワークピースの各々は約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを含む、窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に複数の非磁性原子又は分子を導入すること、及び、窒化鉄の複数のワークピースを一緒に焼結して、約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを有する窒化鉄、ドメイン壁ピン止めサイトを形成する複数の非磁性原子又は分子、及び、残部軟磁性材料を含むバルク永久磁性材料を形成することを含み、ここで、軟磁性材料の少なくとも一部は交換スプリングカップリングによってFe₁₆N₂相ドメインに磁気的に結合される方法を記載する。

【0011】

１つ以上の例の詳細を添付の図面及び以下の説明に示す。本開示の他の特徴、目的及び利点は説明及び図面なら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】

【図1】イオン注入を用いたFe₁₆N₂硬磁性ドメイン及びFe₈N軟磁性ドメインを含む永久磁石を形成するための例示的技術を示すフローダイアグラムである。

【図2】鉄中のＮ＋イオンの注入深さ（オングストローム（Å））と注入エネルギー（キロエレクトロンボルト（ｋｅＶ））との関係を示す線図である。

【図3】窒化鉄の相図である。

【図4】拡散係数の自然対数と温度の逆数との関係を示す散布図である。

【図5】鉄原子の間の隙間空間に注入された窒素原子と歪状態にある８つの鉄の単位セルを示す概念図である。

【図6】Fe₈NドメインとFe₁₆N₂ドメインとを有する材料を示す概念図である。

【図7】ドメイン壁ピン止めサイトを有する、Fe₈N軟磁性ドメインと交換スプリングにより結合されたFe₁₆N₂硬磁性ドメインを含むバルク材料を形成するための例示的技術を示すフローダイアグラムである。

【図8A】Fe₈N軟磁性ドメインと交換スプリングにより結合されたFe₁₆N₂硬磁性ドメインを含む材料のワークピースの間に不純物を導入するための技術を示す概念図である。

【図8B】Fe₈N軟磁性ドメインと交換スプリングにより結合されたFe₁₆N₂硬磁性ドメインを含む材料のワークピースの間に不純物を導入するための技術を示す概念図である。

【図9】ドメイン壁ピン止めサイトを有する、Fe₈N軟磁性ドメインと交換スプリングにより結合されたFe₁₆N₂硬磁性ドメインを含むバルク材料を形成するための例示的技術を示すフローダイアグラムである。

【図10】例示の鉄ワークピースをテクスチャー加工するために高速ベルトキャスティングするための例示的装置を示す概念図である。

【図11】鉄ワークピースを歪せることができる別の例示的な装置を示す概念図である。

【図12】ドメイン壁ピン止めサイトを有する、Fe₈N軟磁性ドメインと交換スプリングにより結合されたFe₁₆N₂硬磁性ドメインを含むバルク材料を形成するための例示的技術を示すフローダイアグラムである。

【図13】例示の窒化鉄ワークピースをテクスチャー加工するために高速ベルトキャスティングするための例示的装置を示す概念図である。

【図14】ドメイン壁ピン止めサイトを有する、Fe₈N軟磁性ドメインと交換スプリングにより結合されたFe₁₆N₂硬磁性ドメインを含むバルク材料を形成するための例示的技術を示すフローダイアグラムである。

【図15】ドメイン壁ピン止めサイトを有する、Fe₈N軟磁性ドメインと交換スプリングにより結合されたFe₁₆N₂硬磁性ドメインを含むバルク材料を形成するための例示的技術を示すフローダイアグラムである。

【図16】鉄ワークピースを歪ませ、窒素に暴露することが可能な例示的な装置を示す概念図である。

【図17】図１６に示したるつぼ加熱ステージの一例のさらなる詳細を示す図である。

【図18】尿素の拡散プロセスを介して鉄ワークピースを窒素化するために使用することができる例示的な装置を示す概略図である。

【図19】イオン注入後で窒化鉄ホイルをアニールする前の、鉄ホイル中の深さの関数としてのＮ＋イオン濃度のオージェ測定を示す線図である。

【図20】異なる窒素流束でのポストアニール後の鉄ホイル内の深さの関数としての窒素濃度を示す散布図です。

【図21A】イオン注入を用いて調製された窒化鉄ホイルの例についての、磁化vs.保磁力のヒステリシスループである。

【図21B】イオン注入を用いて調製された窒化鉄ホイルの例についての、磁化vs.保磁力のヒステリシスループである。

【図22】アニール前の鉄ホイル中の窒素深さプロファイルの例を示す線図である。

【図23】異なる窒素流束でのポストアニール後の鉄ホイル内の深さの関数としての窒素濃度を示す散布図である。

【図24】アニール前及び後の窒化鉄ホイルの例のｘ線回折（ＸＲＤ）スペクトルである。

【図25】イオン注入を用いて調製された窒化鉄ホイルの例の磁化vs.保磁力のヒステリシスループである。

【図26】アニール処理の前及び後での窒素結合エネルギーを示す２つの線図を含む。

【図27】ポストアニール処理の間に異なるレベルに歪んだ窒化鉄サンプルについて収集したＸＲＤパターンを示す。

【図28】ポストアニール処理の間に異なるレベルに歪んだ窒化鉄サンプルについて収集したＸＲＤパターンを示す。

【図29】ポストアニール処理の間に異なるレベルに歪んだ窒化鉄サンプルについて収集したＸＲＤパターンを示す。

【図30】アニールの間に異なる歪みに暴露された窒化鉄ワイヤーの例の磁化vs.保磁力のヒステリシスループである。

【図31】アニールの間に異なる歪みに暴露された窒化鉄ワイヤーの例の磁化vs.保磁力のヒステリシスループである。

【図32】アニールの間に異なる歪みに暴露された窒化鉄ワイヤーの例の磁化vs.保磁力のヒステリシスループである。

【図33】（１１１）Ｓｉ基板に直接結合した鉄ホイルを示す例の赤外線画像である。

【図34】２工程アニール前にイオン注入したサンプルの例の窒素深さプロファイルを示す図であり、そのプロファイルは深さミリング源としてＡｒ⁺を用いたオージェ電子分光（ＡＥＳ）により測定されたものである。

【図35】２工程アニール後の例の窒素深さプロファイルを示す図である。

【図36】ポストアニール後のＳｉ（１１１）基板上の異なる窒素流束を用いたホイルサンプルについての例のＸＲＤスペクトルを示す図である。

【図37】異なる段階での１×ｌ０¹⁷/ｃｍ²流束量を用いて調製したサンプルの例のヒステリシスループを示す図である。

【図38】ポストアニール後の５×ｌ０¹⁷/ｃｍ²流束量を用いて調製したサンプルの例のヒステリシスループを示す図である。

【図39】図３８に示す結果を得るために試験したフィルムのエネルギー積の計算値を示す図である。

【図40】図３８及び３９に示す結果を得るために試験したフィルムの例の高分解能透過電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）画像である。

【図41】図４０に示す結果を得るために試験したサンプルのｘ線回折パターンを示す例の画像である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本開示はFe₁₆N₂相ドメインを含む永久磁石及びFe₁₆N₂相ドメインを含む永久磁石を形成するための技術を記載する。特に、本明細書に記載の技術は、Fe₁₆N₂相ドメインを含むバルク永久磁石を形成するために使用される。幾つかの例では、Fe₁₆N₂相ドメインは軟磁性材料の相などの他の相との組み合わせで存在することができる。Fe₁₆N₂相は交換スプリングカップリングにより軟磁性材料に磁気的に結合されうる。それは軟磁性材料を効率的に硬磁性化させることができ、Fe₁₆N₂から形成されたバルク材料の磁気特性と同様のバルク材料の磁気特性を提供することができる。本開示は、また、Fe₁₆N₂相を単独で又は他の材料相との組み合わせで含むバルク磁石を製造するための技術も記載する。

【0014】

Fe₁₆N₂相を含む磁石はFe₁₆N₂永久磁石が異方性であるときに、比較的に高いエネルギー積、例えば、約１３４ＭＧＯｅまでの高さのエネルギー積を提供することができる。Fe₁₆N₂磁石が等方性である例において、エネルギー積は約３３．５ＭＧＯｅの高さまでであることができる。永久磁石のエネルギー積は残留保持力と残留磁化との積に比例する。比較のために、Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ永久磁石のエネルギー積は約６０ＭＧＯｅの高さのエネルギー積までであることができる。より高いエネルギー積はモータ、発電機などに使用されるときに永久磁石の効率の増加をもたらすことができる。

【0015】

さらに、Fe₁₆N₂相を含む永久磁石は希土類元素を含まなくてもよく、そのことは磁石の材料コストを低減することができ、磁石の製造による環境への影響を低減することができる。幾つかの例では、本明細書に記載の技術を使用することは、本技術が粉末相又は高温焼結工程の使用を含まなくてもよいので、希土類磁石を製造するために使用される方法と比較して永久磁石を製造するのに環境への影響を低減することができる。

【0016】

しかし、Fe₁₆N₂は、Fe-Nの他の安定相と競合する準安定相である。したがって、Fe₁₆N₂の高い体積分率を含むバルク材料を形成することは困難な場合がある。本開示に記載のFe₁₆N₂相ドメインを含む磁性材料は、Fe₁₆N₂ドメイン及び他の軟磁性材料のドメインを含む磁性材料を形成することによって、この困難を克服する。硬磁性のFe₁₆N₂ドメインは交換スプリングカップリングにより軟磁性材料に磁気的に結合し、効果的に軟磁性材料を硬磁性化させる。磁性材料の体積全体にわたって交換スプリングカップリングを達成するために、Fe₁₆N₂ドメインは、例えば、ナノメートル又はマイクロメートルスケールで、磁性材料全体に分散されうる。

【0017】

本明細書に記載のとおり、Fe₁₆N₂ドメイン及び他の軟磁性材料のドメインを含む磁性材料は、約４０体積％（vol.％）未満の体積分率のFe₁₆N₂ドメインを含むことができる。例えば、硬磁性のFe₁₆N₂相は磁性材料全体積の約５体積％〜約４０体積％を構成することができ、又は、磁性材料の全体積の約５体積％〜約２０体積％を構成することができ、又は、磁性材料全体積の約１０体積％〜約２０体積％を構成することができ、又は、磁性材料全体積の約１０体積％〜約１５体積％を構成することができ、又は、磁性材料全体積の約１０体積％を構成することができ、残部の体積は軟磁性材料である。軟磁性材料としては、例えば、Fe、FeCo、Fe₈N又はそれらの組み合わせが挙げられる。

【0018】

幾つかの例において、例えば、軟磁性材料がFe又はFe₈Nを含む場合には、Fe₁₆N₂ドメイン及びFe又はFe₈Nドメインの結晶組織は整合的であることができる。換言すれば、ドメイン間に格子整合があり、整列磁化容易軸を含むことができる。これは、強磁性Fe₁₆N₂ドメインと軟磁性Fe又はFe₈Nドメインとの間で、特に、相の境界を横切って、効率的な交換スプリングカップリングを促進することができる。

【0019】

幾つかの例では、磁性材料はバルク磁性材料であることができる。本明細書で使用されるときに、用語「バルク磁性材料」及び「バルク永久磁性材料」とは、その最小寸法（例えば、長さ、高さ又は幅）が約１００ｎｍを超える磁性材料及び永久磁性材料を指す。他の例では、「バルク磁性材料」及び「バルク永久磁性材料」は、約１μｍを超える、又は、約１００μｍを超える最小寸法（例えば、長さ、高さ又は幅）を有することができる。

【0020】

本明細書に記載の磁性材料は、約１０ＭＧＯｅより大きいなどの比較的に大きなエネルギー積を有することができる。幾つかの例では、本明細書に記載の磁性材料は、約３０ＭＧＯｅを超え、約６０ＭＧＯｅを超え、約６０ＭＧＯｅ〜約１３５ＭＧＯｅであり、約６５ＭＧＯｅを超え、又は、約１００ＭＧＯｅを超えるエネルギー積を有することができる。このことは、軟磁性ドメインに交換スプリングカップリングされたFe₁₆N₂相ドメインを単独で含むか、又は、ドーパント元素（例えば、原子）又は化合物（例えば、分子）との組み合わせで含み、磁性材料内でドメイン壁ピン止めサイトを形成することにより達成されうる。

【0021】

本開示はまた、Fe₁₆N₂ドメインを含むバルク永久磁石を形成するための複数の方法を記載する。幾つかの例では、その技術は、結晶学的にテクスチャー付きの鉄ワークピース中にＮ＋イオンを注入するイオン注入法を使用することを含むことができる。他の例では、Ｎ＋イオンを、例えば、アンモニア、アンモニウムアジ化物又は尿素などの反応体から液体の鉄に導入し、次いで、鉄及び窒素イオンを含むテクスチャー付きワークピースをキャスティングして形成することができる。

【0022】

形成方法に関係なく、鉄及び窒素イオンを含むワークピースはアニール処理されてFe₈N相内でFe₁₆N₂相を形成することができる。アニール処理を比較的に低い温度（例えば、約１５０℃〜約２５０℃、又は、約２１４℃未満）で約５時間〜約１００時間行い、Fe₈N相内でFe₁₆N₂相を形成することができる。アニール処理の間に、窒化鉄材料は歪んで、体心立方（ｂｃｃ）鉄結晶から体心正方晶（bct）窒化鉄結晶に容易に変態することができる。

【0023】

幾つかの例では、Fe₁₆N₂+Fe₈Nの材料の複数のワークピースを、軟磁性もしくは非磁性ドーパントの導入をして又は導入せずに、合わせて、そして一緒にプレスして、バルク永久磁石を形成することができる。軟磁性材料又は非磁性材料はFe₁₆N₂ + Fe₈N材料のワークピース中へのイオン注入を用いて、又は、Fe₁₆N₂ + Fe₈N材料のワークピース中へのクラスター注入を用いて、材料のワークピースとして提供することができる。軟磁性又は非磁性材料は材料内にドメイン壁ピン止めサイトを生成することができ、それは材料の保磁力を増大させることができる。

【0024】

図１は、イオン注入を用いて、Fe₁₆N₂硬磁性ドメイン及びFe₈N軟磁性ドメインを含む永久磁石を形成するための例示的な技術を示すフローダイアグラムである。図１に示された技術は、Fe₁₆N₂硬磁性ドメイン及びFe₈N軟磁性ドメインを含む永久磁石を形成するための１つの技術であり、Fe₈Nなどの軟磁性材料に交換カップリングされたFe₁₆N₂を基礎とするバルク永久磁石を形成するために、単独で又は他の処理工程と組み合わせて使用することができる。例えば、図１に示すこの技術は、図９及び１３に示すような他の処理工程と組み合わせて、バルク磁性材料を形成することができる。

【0025】

図１に示される技術は、イオン注入を用いて鉄ワークピース中にＮ＋イオン注入すること（１２）を含む。鉄ワークピースは、複数の鉄結晶を含むことができる。幾つかの例では、複数の鉄結晶は実質的に同じ方向に配向した結晶軸を有することができる。例えば、鉄ワークピースの主表面は鉄結晶のすべて又は実質的にすべての（１１０）面に平行であることができる。他の例では、鉄ワークピースの主表面は鉄結晶のすべて又は実質的にすべての別の表面に平行であることができる。すべて又は実質的にすべての鉄結晶が実質的に整列された結晶軸を有するワークピースを使用することにより、Fe₈N相及びFe₁₆N₂相の形成が実質的に整列されうる場合に異方性が形成される。

【0026】

幾つかの例では、ワークピースはワークピースの他の寸法よりも、長い、例えば、はるかに長い寸法を含む。他の寸法よりも長い寸法を有する例示のワークピースとしては、繊維、ワイヤー、フィラメント、ケーブル、フィルム、厚膜、ホイル、リボン、シートなどが挙げられる。他の例では、ワークピースは、ワークピースの他の寸法よりも長い寸法を有していないことができる。例えば、ワークピースは、球、円柱、フレック、フレーク、正多面体、不規則な多面体及びそれらの任意の組み合わせなどの粒子又は粉末を含むことができる。適切な正多面体の例としては、四面体、六面体、八面体、十面体、十二面体などが挙げられ、その非限定的な例としては、立方体、プリズム、ピラミッドなどが挙げられる。

【0027】

図１の技術の幾つかの例では、ワークピースはホイルを含む。ワークピースは、約数百ナノメートルからミリメートルの厚さを画定することができる。幾つかの例では、鉄ワークピースは約５００ナノメートル（ｎｍ）〜約1ミリメートル（ｍｍ）の厚さを画定することができる。後述するように、鉄ワークピースの厚さはワークピースのイオン注入及びアニール処理のために使用されるパラメータに影響を及ぼすことができる。ワークピースの厚さはワークピースが取り付けられた基材の表面に対して実質的に垂直な方向で測定されうる。

【0028】

鉄ワークピース中のＮ＋イオンの注入の前に、鉄ワークピースはシリコン基板やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板の表面上に配置することができる。任意の結晶方位を使用することができるが、幾つかの例では、鉄ワークピースは（単結晶）シリコン基板の（１１１）面上の位置であることができる。幾つかの例では、鉄ワークピースは、この時点で、基板の表面に付着させることができる。

【0029】

Ｎ＋イオンが鉄ワークピースに注入される平均深さは、Ｎ＋イオンを加速するエネルギーに依存することができる。ＳＲＩＭ（「物質中でのイオンの停止及び範囲」、www.srim.orgでJames F. Zieglerから入手可能なソフトウエア）を用いて決定したとおりの鉄中の注入深さ（オングストローム（Å））及びＮ＋イオンの注入エネルギー（キロエレクトロンボルト（ｋｅＶ））の関係を示す線図である。図２に示すように、Ｎ＋イオンの平均注入深さは注入エネルギーの増加とともに増加する。図２には示していないが、それぞれの注入エネルギーに関して、Ｎ＋イオンは平均注入深さを付近の範囲の深さで鉄ワークピース内に注入される。

【0030】

Ｎ＋イオンを注入するために使用される注入エネルギーは、鉄ワークピースの厚さに少なくとも部分的に基づいて選択することができる。注入エネルギーは、また、鉄ワークピース中の鉄結晶の結晶格子など、鉄ワークピースに過度に重大な損傷を与えることなしにＮ＋イオンを注入するように選択することができる。例えば、より大きな注入エネルギーでは、より深い平均深さでＮ＋イオンを注入することができるが、より高い注入エネルギーは、鉄結晶の結晶格子に損傷を与え、Ｎ＋イオンの衝撃により鉄原子の一部を融蝕するなど、鉄ワークピースへの損傷を増加させる可能性がある。したがって、幾つかの例では、注入エネルギーは約１８０ｋｅＶ未満に限定されうる。幾つかの例では、注入の入射角は約０度（例えば、鉄ワークピースの表面に対して実質的に垂直）であることができる。他の例では、注入の入射角は格子損傷を低減するように調整することができる。例えば、注入の入射角が垂直から約３°〜約７°の間であることができる。

【0031】

１つの例として、鉄ワークピースが約５００ｎｍの厚さを画定するときに、約１００ ｋｅＶのの注入エネルギーは鉄ワークピースにＮ＋イオンを注入するために使用することができる。約１００ｋｅＶの注入のエネルギーはまた、他の厚さの鉄ワークピースにおいてＮ＋イオンを注入するために使用することができる。他の例では、異なる注入エネルギーは約５００ｎｍの厚さを画定する鉄ワークピースのために使用することができ、同じ又は異なる注入エネルギーは５００ｎｍとは異なる厚さを画定するワークピースに使用することができる。

【0032】

さらに、Ｎ＋イオンの流束は鉄ワークピース内にＮ＋イオンの所望の投与量を注入するように選択することができる。幾つかの例では、Ｎ＋イオンの流束は鉄ワークピース内にほぼ化学量論数のＮ＋イオンを注入するように選択することができる。Fe₁₆N₂における鉄／窒素の化学量論比は８：１である。したがって、鉄ワークピース中の鉄原子のおおよその数を決定することができ、鉄原子の約１/８（１２．５％）に等しい、例えば、約８ａｔ％〜約１５ａｔ％のＮ＋イオンの数は鉄ワークピース中に注入されうる。例えば、約１ｃｍ×１ｃｍ×５００ｎｍの測定値を有する鉄ワークピースは約４．２３×１０¹⁸個の鉄原子を含むことができる。したがって、鉄ワークピース中の鉄原子／Ｎ＋イオンの化学量論比を達成するために、約５．２８×１０¹⁷個のＮ＋イオンをサンプル中に注入することができる。

【0033】

イオン注入の間の鉄ワークピースの温度も制御することができる。幾つかの例では、鉄ワークピースの温度は約室温〜約５００℃であることができる。

【0034】

Ｎ＋イオンが鉄ワークピース中に一旦注入されたら（１２）、鉄ワークピースに、プレアニール工程と呼ぶことができる第一のアニール処理工程（１４）を施すことができる。プレアニール工程は、例えば、基材にしっかりと鉄ワークピースを取り付けることを含む複数の機能を果たすことができる。以下に説明するように、基材への鉄ワークピースの確実な取り付けにより、鉄ワークピースに応力を発生させるポストアニール工程が可能になり、それにより、体心立方（ｂｃｃ）鉄から体心正方（ｂｃｔ）窒化鉄へと鉄ワークピース中の結晶の少なくとも一部の結晶構造の変換を促進する。幾つかの例では、プレアニール工程はまた、注入されたＮ＋イオンを活性化し、イオン注入手順による鉄結晶格子の損傷を修復し、及び／又は、ワークピース中の酸素を除去することができる。幾つかの例では、プレアニール工程は約３０分〜約４時間、約４５０℃〜約５５０℃の温度で行うことができる。１つの例として、プレアニール工程は、約３０分〜約１時間の間、約５００℃の温度で行うことができる。

【0035】

幾つかの例では、鉄ワークピース及び基材を加熱することに加えて、プレアニール工程は、約０．２ギガパスカル（ＧＰａ）〜約１０ＧＰａの外力を鉄ワークピース及び基材の間に課すことを含むことができる。外力は鉄ワークピース及び基材の結合を補助することができる。

【0036】

プレアニール工程が行われる雰囲気としては、例えば、窒素、アルゴン、及び／又は水素を挙げることができ、例えば、約４体積％の水素、約１０体積％の窒素及び約８６体積％のアルゴンの混合物であることができる。雰囲気の組成は、ワークピースから酸素を除去し、ワークピースの表面を清浄化するのを助けることができる。

【0037】

プレアニール工程（１４）に続いて、注入されたＮ＋イオンを含む鉄ワークピース及び基材はポストアニール工程と呼ぶことができる第二のアニール工程（１６）に暴露されうる。ポストアニール工程は、基材と鉄ワークピースとの熱膨張係数の違いにより、鉄ワークピース中に歪みを生成し、そしてFe₁₆N₂相にアクセスする温度で行うことができる。また、ポストアニール工程は、Fe₁₆N₂相ドメイン及びFe₈N相ドメインを含む、窒化鉄を形成するようにＮ＋イオンを拡散させることができる。図３は、E.H. Du Marchi Van VoorthuysenらのLow-Temperature Extension of the Lehrer Diagram and the Iron-Nitrogen Phase Diagram, 33A Metallurgical and Materials Transactions A 2593, 2597 (2002年8月)から窒化鉄の相図を再現している。図３に示すように、比較的に低い温度でのアニール処理は部分Fe₈N無秩序相をFe₁₆N₂秩序層へ変態させることができる。幾つかの例では、ポストアニール工程は約２５０℃未満の温度、例えば、約１２０℃〜約２１４℃、約１２０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２００℃、又は、約１５０℃の温度で行うことができる。ポストアニール工程は窒素（Ｎ₂）又はアルゴン（Ａｒ）雰囲気中で、又は、真空又は真空付近で行ってよい。

【0038】

ポストアニール工程の温度及び時間は、例えば、サンプルのサイズ及びポストアニール温度での鉄中の窒素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、温度及び時間はFe₁₆N₂ドメインを形成するように鉄ワークピース中の位置に窒素原子を拡散するのに十分な時間を提供するように選択することができる。図４は拡散係数の自然対数と温度の逆数との関係を示す散布図である。図４に示す関係に基づいて、拡散係数の自然対数は、所与の温度に対して決定でき、拡散長は、拡散係数を使用して、所与の時間に対して決定することができる。１つの例として、２００℃の温度及び４０時間のアニール時間で、鉄中の窒素の拡散長さは約０．５マイクロメートル（μｍ）である。

【0039】

また、ポストアニール工程の温度及び時間は窒化鉄ワークピースにおけるFe₁₆N₂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、選択された温度で、より長いポストアニール工程はFe₁₆N₂のより高い体積分率をもたらすことができる。同様に、所与のポストアニール工程時間では、より高い温度はFe₁₆N₂の高い体積分率をもたらすことができる。しかしながら、閾値を超える持続時間では、Fe₁₆N₂の体積分率が比較的安定した値に到達するので、Fe₁₆N₂の追加の体積分率は制限又は排除されうる。例えば、約１５０℃の温度では、約２０時間後に、Fe₁₆N₂の体積分率は安定値に達する。ポストアニール工程の時間は少なくとも約５時間であり、例えば、少なくとも約２０時間、又は、約５時間〜約１００時間、又は、約２０時間〜約１００時間、又は、約４０時間であることができる。

【0040】

Fe₈N及びFe₁₆N₂は類似体心正方晶（ｂｃｔ）の結晶構造を有する。しかしながら、Fe₁₆N₂では、窒素原子は鉄の格子内に整列しているが、Fe₈Nでは、窒素原子は鉄の格子内にランダムに分散されている。図５は、Fe₁₆N₂相における鉄原子の間の格子間空間に注入された窒素原子による歪状態で８個の鉄の単位セルを示す概念図である。図５に示すように、Fe₁₆N₂相では、窒素原子は（００２）結晶面に沿って配列されている。また、図５に示すように、窒化鉄単位セルは、＜００１＞軸に沿った単位セルの長さが約３．１４オングストローム（Å）であり、＜０１０＞及び＜１００＞軸に沿った単位セルの長さは約２．８６Åであるように歪んでいる。この窒化鉄単位セルは、歪み状態のときにｂｃｔ単位セルと呼ぶことができる。窒化鉄単位セルが歪み状態にある場合に、＜００１＞軸は単位セルのｃ軸と呼ぶことができる。

【0041】

ポストアニール工程はポストアニール工程中の基材と窒化鉄ワークピースとの膨張差の結果として、鉄の結晶格子に加わる歪みを少なくとも部分的な原因とするｂｃｔ結晶構造の形成を促進する。例えば、鉄の熱膨張係数は１１．８μｍ／ｍ・Κであり、一方、シリコンでは、２．６μｍ／ｍ・Κである。熱膨張係数のこの差は実質的に鉄ワークピースの主要面に実質的に平行な圧縮応力をもたらし、対応する伸縮力を、（１１０）面で鉄ワークピース上で＜００１＞結晶方向に沿って生成する。

【0042】

ポストアニール工程は、Fe₈N及び、その他のＦｅ及び／又は窒化鉄組成物のドメイン内でのFe₁₆N₂相ドメインの形成をもたらす。図６はFe₈Nドメイン２２及びFe₁₆N₂ドメイン２４を有する材料を示す概念図である。鉄ワークピースはナノメートルスケール（例えば、Fe₈Nドメイン２２及びFe₁₆N₂ドメイン２４のサイズはナノメートルの程度である）で構成されているので、硬磁性のFe₁₆N₂ドメイン２４及び軟磁性のFe₈Nドメイン２２の間の磁気結合はワークピース全体に実質的に発生することができる。Fe₁₆N₂及びFe₈N結晶は実質的に同様の結晶構造を有するので、材料は自然結晶学的に整合的であることができ、異方性を生成する整列容易軸を有することを意味する。これはFe₁₆N₂とFe₈Nとの間の相界面を介して交換結合を促進することができる。

【0043】

図７は、ドメイン壁ピン止め部位とともに、Fe₈N軟磁性ドメインと交換スプリングカップリングされたFe₁₆N₂硬磁性ドメインを含むバルク材料を形成するための例示的技術を示すフローダイアグラムである。図７は一般的な技術であり、図７の一般的な技術の例のさらなる詳細は図９、１２、１４及び１５の技術を参照しながら、下記に説明することにする。

【0044】

図７の技術は、Fe₁₆N₂相ドメインを含む、窒化鉄材料を形成すること（３２）を含む。図１を参照して説明するように、鉄ホイルなどの鉄ワークピースにＮ＋イオンを注入するイオン注入、次いで、１つ以上の、例えば、２つのアニール工程を用いることは、Fe₁₆N₂相を含む窒化鉄材料（又はワークピース）を形成するための１つの技術である。 Fe₁₆N₂相ドメインを含む窒化鉄材料を形成する（３２）ための他の技術を図９、１２、１４及び１５を参照しながら下記に述べる。これらの技術は、テクスチャー付き鉄板などのテクスチャー付き鉄ワークピースを形成すること、テクスチャー付き鉄ワークピースにＮ＋イオンを注入して、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成すること、及び、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをアニール処理して、Fe₁₆N₂相ドメインを形成することを含む。この技術はまた、溶融鉄中に窒素を混合しFe₁₆N₂相ドメインを形成するためにテクスチャー窒化鉄ワークピースをアニールすることにより、テクスチャー付き窒化鉄板などの、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成することを含むことができる。技術はまた、鉄ワークピースを形成すること、歪んだ鉄ワークピースを窒素化すること、及び、窒素化された鉄ワークピースをアニールすることを含むことができる。

【0045】

図７に示された技術は、また、追加の鉄又は非磁性材料を導入すること（３４）を含む。幾つかの例では、図９及び１２を参照して説明されるように、追加の鉄又は非磁性材料は、Fe₁₆N₂相ドメインを含む窒化鉄材料のワークピースを差し込んだ鉄又は非磁性材料のワークピースとして導入することができる。他の例では、図１４を参照して説明されるようい、追加の鉄又は非磁性材料はFe₁₆N₂相ドメインを含む窒化鉄材料中に、イオン注入及び／又はクラスター注入を用いて導入することができる。使用することができる例示の非磁性元素（例えば、原子）又は化合物（例えば、分子）としては、Al, Cu, Ti, Mn, Zr, Ta, B, C, Ni, Ru, SiO₂, A1₂O₃又はそれらの組み合わせが挙げられる。鉄又は非磁性材料は、材料のワークピースとして導入することができる。ワークピース又はFe又は非磁性粉末は、数ナノメートルから数百ナノメートルの範囲のサイズ（例えば、厚さ又は直径）を有することができ、加圧処理後にドメイン壁ピン止めサイトとして機能することができる。ドメイン壁ピン止めサイトは永久磁石の保磁力を高めることができる。

【0046】

図７に示された技術は、ワークピースを焼結し、バルク磁性材料を形成すること（３６）をさらに含む。複数のワークピースを一緒に焼結することができる例を図８Ａ及び８Ｂに示す。例えば、複数の窒化鉄ワークピース４２ａ〜４２ｃ（Fe₁₆N₂相ドメインを含む）は鉄又は非磁性材料を含む複数のワークピース４４ａ、４４ｂが差し込まれてよい。３つの窒化鉄ワークピース４２ａ〜４２ｃ及び鉄又は非磁性材料を含むワークピース４４ａ、４４ｂは図８Ａ及び８Ｂに示されているが、他の例では、任意の数の窒化鉄ワークピース４２ａ〜４２ｃ及び鉄又は非磁性材料を含むワークピース４４ａ、４４ｂを使用することができる。

【0047】

それぞれの窒化鉄ワークピース４２ａ〜４２ｃの＜００１＞軸が実質的に整列されるように窒化鉄ワークピース４２ａ〜４２ｃが配置されうる。それぞれの窒化鉄ワークピース４２ａ〜４２ｃの＜００１＞軸が窒化鉄ワークピース４２ａ〜４２ｃのそれぞれの長軸に実質的に平行である実施例において、窒化鉄ワークピースワーク４２ａ〜４２ｃを実質的に整列させることとしては、１つの窒化鉄ワークピース４２ａ〜４２ｃを別の窒化鉄ワークピース４２ａ〜４２ｃの上に重ねることを挙げることができる。それぞれの窒化鉄ワークピース４２ａ〜４２ｃの＜００１＞軸を整列させることは、磁性材料４６に一軸磁気異方性を提供することができる（図８Ｂ）。

【0048】

図８Ａに示すようにワークピースが差し込まれた後に、ワークピースを一緒にプレスしてそして焼結することができる。焼結圧力、温度及び時間を、窒化鉄ワークピース４２ａ〜４２ｃ（例えば、Fe₁₆N₂相ドメインを含むとき）の結晶構造を維持しながら、ワークピースを機械的に結合するように選択することができる。したがって、幾つかの例では、焼結工程は比較的に低い温度で行うことができる。例えば、焼結温度は、約２５０℃未満であり、例えば、約１２０℃〜約２５０℃、約１５０℃〜約２５０℃、約１２０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２００℃、又は、約１５０℃であることができる。焼結圧力は、例えば、約０．２ギガパスカル（ＧＰａ）〜約１０ＧＰａであることができる。焼結時間は、少なくとも約５時間、例えば、少なくとも約２０時間、又は、約５時間〜約１００時間、又は、約２０時間〜約１００時間、又は、約４０時間であることができる。焼結時間、温度及び圧力は、鉄又は非磁性材料を含むワークピース４４ａ、４４ｂ中の材料によって影響を受けることができる。焼結は周囲雰囲気中、窒素雰囲気、真空又は別の不活性雰囲気中で行われてよい。

【0049】

窒化鉄ワークピース４２ａ〜４２ｃ及び鉄又は非磁性材料を含む２つのワークピース４４ａ、４４ｂを焼結した後に、バルク磁性材料４６が形成されうる。バルク磁性材料４６は、Fe₈N及びFe₁₆N₂の間の交換スプリングカップリング及び鉄又は非磁性材料により提供されるドメイン壁ピン止めサイトの両方を含むことができる。このようにして、バルク磁性材料４６は望ましくは高いエネルギー積を有することができ、それは純粋なFe₁₆N₂（約１３４ＭＧＯｅ）のエネルギー積に近づくことができる。

【0050】

バルク磁性材料４６は、図７に関して説明した一般的な技術範囲内に入る複数の異なる技術によって形成することができる。これらの異なる技術の例を、図９、１２、１４及び１５を参照して説明し、バルク磁性材料４６を形成するための他の技術は本開示の内容に基づいて明らかであろう。

【0051】

図９は、ドメイン壁ピン止めサイトとともに、Fe₈N軟磁性ドメインと交換スプリングカップリングされたFe₁₆N₂硬磁性ドメインを含むバルク材料を形成するための例示の技術を示すダイヤグラムである。図９の技術は、テクスチャー付き鉄ワークピースを形成すること（５２）を含む。幾つかの例では、テクスチャー付き鉄ワークピースはテクスチャー付き鉄板７４ａ及び７４ｂを含むことができる（図１０）。他の例では、テクスチャー付き鉄ワークピースは、繊維、ワイヤー、フィラメント、ケーブル、フィルム、厚膜、ホイル、リボンなどの別のワークピースを含むことができる。テクスチャー付き鉄ワークピースは、例えば、ベルトキャスティングを用いて形成することができる。図１０は、例示の鉄ワークピースをテクスチャー加工する高速ベルトキャスティングのための１つの例示の装置６０を示す概念図である。

【0052】

高速ベルトキャスティング装置６０は溶融鉄のインゴット６２を含み、加熱コイルの形などで、加熱源６４によって加熱されるインゴットチャンバー６６を含むことができる。幾つかの例では、インゴットチャンバー６６内の溶融鉄インゴット６２の温度は約１８００ケルビン（Ｋ；約１５２６．８５℃）より高いことができる。インゴットチャンバー６６中の鉄インゴット６２の圧力は約０．０６ＭＰａ〜約０．１２ ＭＰａであることができる。

【0053】

鉄ストリップ７０を形成するためにノズルヘッド６８を通してインゴットチャンバー６６から溶融鉄インゴット６２が流れ出る。鉄ストリップ７０は、第一のピンチローラ７２ａ及び第二のピンチローラ７２ｂ（総称して、「ピンチロール７２」）であって、反対方向に回転されているピンチローラの表面どうしの間のギャップゾーンに供給される。幾つかの例では、ピンチローラ７２の表面までのノズルヘッド６８からの距離は約２ｍｍ〜１０ｍｍであり、例えば約４ｍｍであることができる。

【0054】

幾つかの例では、第一のピンチローラ７２ａ及び第二のピンチローラ７２ｂの回転速度は、約１０回転／分（ｒｐｍ）〜１０００ｒｐｍで変更可能であり、ローラ７２の回転速度はほぼ同じであることができる。幾つかの例では、ピンチローラ７２を積極的に冷却し、例えば、水冷を用いて冷却し、水冷は鉄ストリップ７０の温度よりも低い温度に維持され、冷却及び鉄ストリップ７０をキャスティングするのを助ける。例えば、ピンチローラ７２の温度は約３００Ｋ（約２６．８５℃）〜約４００Ｋ（約１２６．８５℃）の間に維持することができる。ピンチローラ７２により鉄インゴットに課される圧力は、約０．０４ＭＰａ〜約０．１ＭＰａであることができる。

【0055】

鉄ストリップ７０がピンチローラ７２の間でプレスされそして冷却された後に、鉄ストリップ７０はテクスチャー付き鉄板７４ａ及び７４ｂを形成する。幾つかの例では、テクスチャー付き鉄板７４ａ及び７４ｂ（総称して、「テクスチャー付き鉄板７４」）は、テクスチャー付き鉄リボンを形成することができ、少なくとも１つの寸法（例えば、厚さ）は約１μｍ〜約１０ｍｍであり、例えば、約５μｍ〜約１ｍｍである（個別に、又は、複数の鉄ワークピースの圧縮後のいずれか）。テクスチャー付き鉄板７４の各々は、例えば、（１００）又は（１１０）結晶組織を含むことができる。換言すれば、各テクスチャー付き鉄板７４の主表面はテクスチャー付き鉄板７４のそれぞれの中の鉄結晶のすべて又は実質的にすべての（１００）又は（１１０）面に平行であることができる。鉄結晶のすべて又は実質的にすべてが次の処理工程で実質的に整列された結晶軸を有するテクスチャー付き鉄板７４を用いることにより、Fe₈N相ドメイン及びFe₁₆N₂相ドメインを形成するときに形成される異方性は、結晶内で実質的に整列されていることができる。

【0056】

テクスチャー付き鉄板７４の形成（５２）に次いで、Ｎ＋イオンはイオン注入を使用してテクスチャー付き鉄板７４の各々に注入することができる（１２）。Ｎ＋イオンは図１を参照して説明されるのと同様の技術及びパラメータを用いてテクスチャー付き鉄板７４ａ及び７４ｂ中に注入されうる。例えば、Ｎ＋イオンを注入するために使用される注入エネルギーは、テクスチャー付き鉄板７４のそれぞれの中の鉄結晶の結晶格子を含む、テクスチャー付き鉄板７４の１つへの過度に重大な損傷を回避しながら、Ｎ＋イオンを注入するテクスチャー付き鉄板７４の各々の寸法（例えば、厚さ）に少なくとも部分的に基づいて選択されうる。例えば、より高い注入エネルギーは、より大きい平均を深さでのＮ＋イオンの注入を可能にするが、より高い注入エネルギーは鉄結晶の結晶格子の損傷及びＮ＋イオンの衝突に起因する鉄原子の一部の融蝕など、テクスチャー付き鉄板７４への損傷を増加させる可能性がある。したがって、幾つかの例では、注入エネルギーは約１８０ｋｅＶ未満、例えば、約１００ｋｅＶ未満に限定されうる。

【0057】

幾つかの例では、注入の入射角はほぼ０°であることができる（例えば、テクスチャー付き鉄板７４の表面に実質的に垂直）。他の例では、注入の入射角は格子の損傷を低減するように調整することができる。例えば、注入の入射角は垂直から約３°〜約７°であることができる。

【0058】

イオン注入の間のテクスチャー付き鉄板７４の温度も制御することができる。幾つかの例では、テクスチャー付き鉄板７４の温度は、約室温から約５００℃であることができる。

【0059】

さらに、Ｎ＋イオンの流束はテクスチャー付き鉄板７４の各々１つの内部へのＮ＋イオンの所望の用量のＮ＋イオンを注入するように選択されるべきである。幾つかの例では、Ｎ＋イオンの流束はテクスチャー付き鉄板７４の各々１つの内部にほぼ化学量論数のＮ＋イオンを注入するように選択されるべきである。Fe₁₆N₂中の鉄／窒素の化学量論比は８：１である。したがって、テクスチャー鉄板７４の各々１つにおける鉄原子のおおよその数を決定することができ、鉄原子の約１／８（１２．５％）に等しいＮ＋イオンの数は、約８ａｔ％〜約１５ａｔ％などでテクスチャー付き鉄板７４の１つに注入することができる。

【0060】

選択された数のＮ＋イオンがテクスチャー付き窒化鉄板を形成するためにテクスチャー付き鉄板７４ａ又は７４ｂに注入された後に、テクスチャー付き窒化鉄板はアニール処理されて、鉄結晶内の適切な位置にＮ＋イオンを拡散させ、それにより、テクスチャー付き窒化鉄板内にFe₁₆N₂相ドメイン及びFe₈N相ドメインを形成することができる（１６）。この段階でのアニール処理は、図１を参照して説明したポストアニール工程と同様であることができる。図３に示すように、比較的に低い温度でのアニール処理が部分Fe₈N無秩序相をFe₁₆N₂秩序相へと変態させることができる。幾つかの例では、ポストアニール工程は、約２５０℃未満、例えば、約１２０℃〜約２１４℃、約１２０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２００℃、又は、約１５０℃の温度で行うことができる。ポストアニール工程は、窒素（Ｎ₂）又はアルゴン（Ａｒ）雰囲気中で、又は、真空又は真空付近で行ってよい。

【0061】

ポストアニール工程の温度及び時間は、例えば、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース（例えば、テクスチャー付き窒化鉄板）のサイズ、及び、ポストアニール温度での鉄中の窒素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、温度及び時間は窒素原子がFe₁₆N₂ドメインを形成するためのテクスチャー付き窒化鉄ワークピース内の位置に拡散するのに十分な時間を提供するように選択することができる。

【0062】

また、ポストアニール工程の温度及び時間は、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース内におけるFe₁₆N₂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、選択された温度で、より長いポストアニール工程はより高い体積分率のFe₁₆N₂をもたらすことができる。同様に、所与のポストアニール工程時間では、より高い温度がより高い体積分率のFe₁₆N₂をもたらすことができる。しかしながら、閾値を超える時間では、Fe₁₆N₂の追加の体積分率は限定又は排除され、そのとき、Fe₁₆N₂の体積分率は比較的安定した値に到達する。ポストアニール工程の時間は少なくとも約５時間、例えば、少なくとも約２０時間、又は約５時間〜約１００時間、又は、約２０時間〜約１００時間、又は、約４０時間であることができる。

【0063】

ポストアニール工程の間に、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースは歪みを受けて、ｂｃｃ鉄結晶の少なくとも一部のｂｃｔ結晶構造への変態を促進することができる。種々の歪み誘導装置を使用してテクスチャー付き窒化鉄ワークピースに歪みを課すことができる。例えば、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースの第一の端部は第一のローラ（例えば、巻き取り）により受けることができ、そしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピースの第二の端部は第二のローラ（例えば、巻き取り）により受けることができる。ローラはテクスチャー付き窒化鉄ワークピースに引張力を加えるように反対方向に回転させることができる。

【0064】

他の例では、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースの両端を機械的なグリップ、例えば、クランプで把持することができ、そして機械的なグリップは互いに離れて、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースに引張力を課すことができる。図１１は本明細書中に記載のようにテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを歪ませることができる別の例示的な装置を示す概念図である。装置８０は、ねじ８６ａ〜８６ｄを締めることによりテクスチャー付き窒化鉄ワークピース９０の両端を固定することができる第一のクランプ８２及び第二のクランプ８４を含むことができる。一旦、鉄ワークピース９０が装置８０内に固定されると、ボルト８８のねじ体を回転させ、第一のクランプ８２及び第二のクランプ８４との間の距離を増加させるためにボルト８８を回すことができる。クランプ８２と８４との間の距離の増加はテクスチャー付き窒化鉄ワークピース９０に対して引張力を課す。ボルト８８の回転により発生する伸長又は応力の値は、例えば、歪みゲージなどの任意の適切なゲージで測定することができる。幾つかの例では、装置８０を炉（例えば、チューブ炉）又は他の加熱環境に置き、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース９０が装置８０により歪められている間及び／又はその後に、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース９０を加熱することができる。

【0065】

歪み誘導装置は、特定の伸びまでテクスチャー付き窒化鉄ワークピース９０を歪ませることができる。例えば、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース９０に対する歪みは約０．１％〜約７％であることができる。他の例では、テクスチャー付き窒化鉄板９０に対する歪みは、約０．１％未満であるか、又は、約７％を超えることができる。幾つかの例では、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース９０に対して特定の歪みを課すことで、単位セルが＜００１＞軸に沿って約０．１％〜約７％伸長されるように、鉄結晶の個々の単位セルに対して実質的に同様の歪みをもたらすことができる。

【0066】

テクスチャー付き窒化鉄ワークピースの断面積（鉄ワークピースが延伸され／歪められている方向に対して実質的に直交方向の平面における）は所与の歪みをテクスチャー付き窒化鉄ワークピースにもたらすように加えられなければならない力の量に影響を及ぼすことができる。例えば、約０．００７８５ｍｍ²の断面積を有するテクスチャー付き窒化鉄ワークピースに対して約１４４Ｎの力を加えると、約７％の歪みをもたらすことができる。別の例として、約０．０３１４ｍｍ²の断面積を有するテクスチャー付き窒化鉄ワークピースに対して約５７６Ｎの力を加えると、約７％の歪みをもたらすことができる。別の例として、約０．０７０７ｍｍ²の断面積を有するテクスチャー付き窒化鉄ワークピースに約１２９６Ｎの力を加えると、約７％の歪みをもたらすことができる。別の例として、約０．１２６ｍｍ²の断面積を有するテクスチャー付き窒化鉄ワークピースに約２３０４Ｎの力を加えると、約７％の歪みをもたらすことができる。別の例として、約０．１９６ｍｍ²の断面積を有するテクスチャー付き窒化鉄ワークピースに約３６００Ｎの力を加えると、約７％の歪みをもたらすことができる。

【0067】

例えば、図６に示すように、ポストアニール及び歪み工程はFe₈Nのドメイン及び他のFe及び／又は窒化鉄組成物中にFe₁₆N₂相ドメインの形成をもたらす。テクスチャー付き窒化鉄ワークピースはナノメートルスケールで構成されているので（例えば、Fe₈Nドメイン２２及びFe₁₆N₂ドメイン２４はナノメートルのオーダーであるから）、硬磁性Fe₁₆N₂ドメイン２４及び軟磁性Fe₈Nドメイン２２の磁気カップリングはワークピースの実質的に全体にわたって発生することができる。Fe₁₆N₂結晶及びFe₈N結晶は実質的に同様の構造を有しているので、材料は自然に結晶学的に整合的であることができ、これは異方性を生成する整列容易軸を有することを意味する。これにより、Fe₁₆N₂及びFe₈Nの間の相境界を介した交換カップリングを促進することができる。

【0068】

図９中のテクスチャー付き鉄ワークピース（例えば、テクスチャー付き鉄板）を形成すること（５２）、イオン注入を用いてＮ＋イオンを注入すること（１２）、及び、アニール処理すること（１６）は、一緒に、図７に示すFe₁₆N₂ 相ドメインを含む窒化鉄材料を形成すること（３２）を構成することができる。図９の技術はまた、窒化鉄のワークピース（例えば、シート）の間に追加の鉄又は非磁性材料を導入すること（５４）を含むことができ、これは図７を参照して説明した追加の鉄又は非磁性材料の導入（３４）の例である。使用することができる例示の非磁性元素（例えば、原子）又は化合物（例えば、分子）としては、Al, Cu, Ti, Mn, Zr, Ta, B, C, Ni, Ru, SO₂, A1₂O₃又はそれらの組み合わせが挙げられる。

【0069】

鉄又は非磁性材料は、材料のワークピース又は粉末として導入されてよく、そしてFe₁₆N₂相ドメインを含むテクスチャー付き窒化鉄ワークピースの間に導入してよい。材料のワークピース、又は、Fe又は非磁性粉末は、サイズ（例えば、厚さ又は直径）が数ナノメートルから数百ナノメートルの範囲であることができ、焼結処理後にドメイン壁ピン止めサイトとして機能することができる。そのドメイン壁ピン止めサイトは永久磁石の保磁力を高めることができる。

【0070】

図９の技法はワークピース（例えば、シート）を焼結して、バルク磁性材料を形成すること（３６）を含むことができる。図７、８Ａ及び８Ｂに関連して説明したように、焼結圧力、温度及び時間はテクスチャー付き窒化鉄ワークピースの結晶構造（例えば、Fe₁₆N₂相ドメインを含むとき）を維持しながら、ワークピースを機械的に結合するように選択されうる。したがって、幾つかの例では、焼結工程は比較的に低い温度で行うことができる。例えば、焼結温度は、約２５０℃未満、例えば、約１２０℃〜約２５０℃、約１５０℃〜約２５０℃、ば約１２０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２００℃、又は、約１５０℃であることができる。焼結圧力は、例えば、約０．２ＧＰａ〜約１０ＧＰａであることができる。焼結時間は、少なくとも約５時間、例えば、少なくとも約２０時間、又は、約５時間〜約１００時間、又は、約２０時間〜約１００時間、又は、約４０時間であることができる。焼結時間、温度及び圧力は鉄又は非磁性材料を含むワークピース４４ａ、４４ｂ中の材料によって影響されうる。

【0071】

鉄又は非磁性材料と一緒にテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを焼結した後に、バルク磁性材料（例えば、バルク永久磁石）が形成されうる。バルク磁性材料はFe₈N及びFe₁₆N₂の間の交換スプリングカップリング、及び、鉄又は非磁性材料によって提供されるドメイン壁ピン止めサイトの両方を含むことができる。このようにして、バルク磁性材料は所望の高いエネルギー積を有することができ、それは純粋なFe₁₆N₂のエネルギー積（約１３４ＭＧＯｅ）に近づくことができる。

【0072】

図１２はドメイン壁ピン止めサイトを含む、Fe₈N軟磁性ドメインと交換スプリングカップリングされたFe₁₆N₂硬磁性ドメインを含むバルク材料を形成するための例示的な技術を示すフローダイアグラムである。図１２の技法はテクスチャー付き窒化鉄ワークピース（例えば、テクスチャー付き窒化鉄板）を形成すること（９２）を含む。テクスチャー付き窒化鉄ワークピースは、例えば、ベルトキャスティングを用いて形成することができる。図１３は例示の窒化鉄ワークピースをテクスチャー処理するための高速ベルトキャスティングのための一例の装置１００を示す概念図である。

【0073】

高速ベルトキャスティング装置１０は溶融鉄インゴット６２を含み、加熱コイルなどの形で源６４を加熱することにより加熱されるインゴットチャンバー６６を含むことができる。幾つかの例では、インゴットチャンバー６６内の溶融鉄インゴット６２の温度は約１８００ケルビン（Ｋ；約１５２６．８５℃）を超えることができる。インゴットチャンバー６６内の鉄インゴット６２の圧力は約０．０６ＭＰａ〜約０．１２ＭＰａであることができる。

【0074】

インゴットチャンバー６６は、また、溶融窒化鉄混合物１０４を形成するために窒素源が溶融鉄インゴット６２内に導入される窒素インレット１０２を含む。様々な形態で、又は、様々な源から窒素インレット１０２を通して窒素を提供することができる。例えば、窒素は、窒素インレット１０２を通して導入し、その後、溶融窒化鉄混合物１０４内の溶融鉄との混合時に分解して窒素原子を解放することができるアンモニア、アジ化アンモニウム又は尿素の形で提供されうる。

【0075】

幾つかの例では、窒化鉄混合物１０４内にほぼ化学量論数の窒素原子となるように窒素源は提供されうる。Fe₁₆N₂中の鉄／窒素の化学量論比は８：１である。このように、窒化鉄混合物１０４中の鉄原子の概略数が決定され、そして約８ａｔ．％〜約１５ａｔ．％などの鉄原子の約１/８（１２．５％）に等しい数の窒素原子は窒化鉄混合物１０４に窒素インレット１０２を通して提供されうる。

【0076】

溶融窒化鉄混合物１０４はノズルヘッド６８を通してインゴットチャンバー６６から流れ出て、窒化鉄ストリップ１０６を形成する。窒化鉄ストリップ１０６を、第一のピンチローラ７２ａと第二のピンチローラ７２ｂ（総称的に「ピンチローラ７２」）の表面の間のギャップゾーンに供給し、それらのローラは反対方向に回転されている。幾つかの例では、ノズルヘッド６８からピンチローラ７２の表面への距離は約１ｍｍ〜約５０ｍｍであることができ、例えば約４ｍｍである。

【0077】

幾つかの例では、第一のピンチロール７２ａと第二のピンチローラ７２ｂの回転速度が約１０回転／分（ｒｐｍ）〜１０００ｒｐｍで変更可能であり、ローラ７２の回転速度はほぼ同じであってよい。幾つかの例では、ピンチローラ７２を、例えば、冷水を用いて、積極的に冷却し、それは窒化鉄ストリップ１０６の温度よりも低い温度にローラ７２の表面を維持し、そして窒化鉄ストリップ１０６を冷却しそしてキャスティングするのを助ける。例えば、ピンチローラ７２の温度は約３００Ｋ（約２６．８５℃）〜約４００Ｋ（約１２６．８５℃）に維持することができる。ピンチローラ７２により窒化鉄ストリップ１０６に対して課される圧力は約０．０４ＭＰａ〜約０．１ＭＰａであることができる。

【0078】

窒化鉄ストリップ１０６をピンチローラ７２の間で押圧し、冷却した後に、窒化鉄ストリップ１０６はテクスチャー付き窒化鉄板１０８ａ及び１０８ｂを形成する。幾つかの例では、テクスチャー付き窒化鉄板１０８ａ及び１０８ｂ（総称して「テクスチャー付き窒化鉄板１０８」と呼ぶ）は、約１μｍ〜約１０ｍｍ、例えば、約５μｍ〜約１ｃｍ（個別に、又は、複数のテクスチャー付き窒化鉄板１０８の圧縮後のいずれか）の少なくとも１つの寸法（例えば、厚さ）を有するテクスチャー付き窒化鉄リボンを形成することができる。テクスチャー付き窒化鉄板１０８の各々は、例えば、（１００）又は（１１０）結晶組織を含むことができる。換言すれば、テクスチャー付き窒化鉄板１０８の各々の主表面は、テクスチャー付き窒化鉄板１０８のそれぞれ１つの内部のすべての又は実質的にすべての鉄結晶の（１００）又は（１１０）面に平行であることができる。すべて又は実質的にすべての鉄結晶が後続の処理工程において実質的に整列された結晶軸を有するテクスチャー付き窒化鉄板１０８ａ又は１０８ｂを使用することにより、Fe₈N及びFe₁₆N₂相ドメインを形成する際に形成される異方性は結晶中で整列されていることができる。

【0079】

テクスチャー付き窒化鉄板１０８を形成した後に（９２）、テクスチャー付き窒化鉄板１０８はFe₁₆N₂相ドメイン及びFe₈N相ドメインを形成するようにアニール処理することができる（１６）。この工程は図１及び９に関連して説明したのと同様又は実質的に同様であることができる。例えば、ポストアニール工程は、約２５０℃未満、例えば、約１２０℃〜約２１４℃、約１２０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２００℃、又は、約１５０℃の温度で行うことができる。ポストアニール工程は、窒素（Ｎ₂）又はアルゴン（Ａｒ）雰囲気、又は、真空又は真空付近の中で行うことができる。ポストアニール工程の時間は少なくとも約５時間、例えば、少なくとも約２０時間、又は、約５時間〜約１００時間、又は、約２０時間〜約１００時間、又は、約４０時間であることができる。

【0080】

ポストアニール工程の温度及び時間は、例えば、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース（例えば、テクスチャー付き窒化鉄板）のサイズ、ポストアニール温度での鉄中の窒素原子の拡散係数、及び、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース中のFe₁₆N₂相ドメインの所望の体積分率に基づいて選択されうる。これらの要因に基づいて、温度及び時間は、窒素原子がFe₁₆N₂ドメインを形成するためのテクスチャー付き窒化鉄ワークピース内での位置に拡散するのに十分な時間を提供するように選択することができる。

【0081】

ポストアニール工程中、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースに歪みを施し、ｂｃｃ鉄結晶の少なくとも一部のｂｃｔ結晶構造への変態を促進する。歪み誘導装置は、特定の伸びにテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを歪ませることができる。例えば、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースに対する歪みは、約０．１％〜約７％であることができる。他の例では、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースに対する歪みは約０．１％未満であることができ、又は、約７％を超えることができる。幾つかの例では、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースに対して特定の歪みを課すことで、単位セルが＜００１＞軸に沿って約０．１％〜約７％伸長されるように、鉄結晶の個々の単位セルに対して実質的に同様の歪みをもたらすことができる。

【0082】

図１２中、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース（例えば、シート）を形成すること（９２）及びテクスチャー付き窒化鉄ワークピースをアニールすること（１６）の工程は、一緒に、図７に示す、Fe₁₆N₂相ドメインを含む窒化鉄材料を形成すること（３２）を構成することができる。図１２の技法は、また、窒化鉄のワークピース（例えば、シート）の間に追加の鉄又は非磁性材料を導入すること（５４）を含むことができ、これは図７を参照して説明した追加の鉄又は非磁性材料の導入（３４）の例である。使用することができる例示の非磁性元素（例えば、原子）又は化合物（例えば、分子）としては、Al, Cu, Ti, Mn, Zr, Ta, B, C, Ni, Ru, SO₂, A1₂O₃又はそれらの組み合わせが挙げられる。

【0083】

鉄又は非磁性材料は、材料のワークピース又は粉末として導入されてよく、そしてFe₁₆N₂相ドメインを含むテクスチャー付き窒化鉄ワークピースの間に導入してよい。材料のワークピース、又は、Fe又は非磁性粉末は、サイズ（例えば、厚さ又は直径）が数ナノメートルから数百ナノメートルの範囲であることができ、焼結処理後にドメイン壁ピン止めサイトとして機能することができる。そのドメイン壁ピン止めサイトは永久磁石の保磁力を高めることができる。

【0084】

図１２の技法はワークピース（例えば、シート）を焼結して、バルク磁性材料を形成すること（３６）を含むことができる。図７、８Ａ及び８Ｂに関連して説明したように、焼結圧力、温度及び時間はテクスチャー付き窒化鉄ワークピースの結晶構造（例えば、Fe₁₆N₂相ドメインを含むとき）を維持しながら、ワークピースを機械的に結合するように選択されうる。したがって、幾つかの例では、焼結工程は比較的に低い温度で行うことができる。例えば、焼結温度は、約２５０℃未満、例えば、約１２０℃〜約２５０℃、約１５０℃〜約２５０℃、ば約１２０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２００℃、又は、約１５０℃であることができる。焼結圧力は、例えば、約０．２ＧＰａ〜約１０ＧＰａであることができる。焼結時間は、少なくとも約５時間、例えば、少なくとも約２０時間、又は、約５時間〜約１００時間、又は、約２０時間〜約１００時間、又は、約４０時間であることができる。焼結時間、温度及び圧力は鉄又は非磁性材料を含むワークピース４４ａ、４４ｂ中の材料によって影響されうる。

【0085】

鉄又は非磁性材料と一緒にテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを焼結した後に、バルク磁性材料（例えば、バルク永久磁石）が形成されうる。バルク磁性材料はFe₈N及びFe₁₆N₂の間の交換スプリングカップリング、及び、鉄又は非磁性材料によって提供されるドメイン壁ピン止めサイトの両方を含むことができる。このようにして、バルク磁性材料は所望の高いエネルギー積を有することができ、それは純粋なFe₁₆N₂のエネルギー積（約１３４ＭＧＯｅ）に近づくことができる。

【0086】

図１４はドメイン壁ピン止めサイトを含む、Fe₈N軟磁性ドメインと交換スプリングカップリングされたFe₁₆N₂硬磁性ドメインを含むバルク材料を形成するための例示的な技術を示すフローダイアグラムである。図１４の技法は図９に関して説明した技法と類似であるが、窒化鉄のワークピース（例えば、シート）の間に追加の鉄又は非磁性材料を導入すること（５４）の代わりに、図１４の技法はイオン注入又はクラスター注入を用いてFe₁₆N₂相ドメインを含むテクスチャー付き窒化鉄ワークピースをドープすること（１０８）を含む。このため、図１４の技法は、例えば、ベルトキャスティングを用いてテクスチャー付き鉄ワークピースを形成すること（５２）を含むことができる。図１４の技法はまた、イオン注入を用いてテクスチャー付き鉄ワークピース中にＮ＋イオンを注入して、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成し（１２）、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをアニール処理して、Fe₁₆N₂相ドメインを形成すること（１６）を含む。

【0087】

図１４の技法はイオン注入又はクラスター注入を使用してFe₁₆N₂相ドメインを含むテクスチャー付き窒化鉄ワークピースをドープすること（１０８）を含む。テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをドープするために使用されうる非磁性元素（例えば、原子）又は化合物（例えば、分子）としては、Al, Cu, Ti, Mn, Zr, Ta, B, C, Ni, Ru, SiO₂, A1₂O₃又はそれらの組み合わせが挙げられる。テクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にこれらの元素又は化合物を注入することにより、一緒にワークピースを焼結する前に、これらの材料の粒子又はワークピースにテクスチャー付き窒化鉄ワークピースが差し込まれる実施例に比較して、ドメイン壁ピン止め効果を増加させることができる。ドメイン壁ピン止め効果の増加はバルク磁性材料の保磁力を含む最終バルク磁性材料の磁気特性を改善することができる。

【0088】

図１４の技法はドープされたテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを焼結し、バルク磁性材料を形成すること（３６）を含む。図７、８Ａ及び８Ｂに関連して説明したように、焼結圧力、温度及び時間はテクスチャー付き窒化鉄ワークピースの結晶構造（例えば、Fe₁₆N₂相ドメインを含むとき）を維持しながら、ワークピースを機械的に結合するように選択されうる。したがって、幾つかの例では、焼結工程は比較的に低い温度で行うことができる。例えば、焼結温度は、約２５０℃未満、例えば、約１２０℃〜約２５０℃、約１５０℃〜約２５０℃、ば約１２０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２００℃、又は、約１５０℃であることができる。焼結圧力は、例えば、約０．２ＧＰａ〜約１０ＧＰａであることができる。焼結時間は、少なくとも約５時間、例えば、少なくとも約２０時間、又は、約５時間〜約１００時間、又は、約２０時間〜約１００時間、又は、約４０時間であることができる。焼結時間、温度及び圧力は鉄又は非磁性材料を含むワークピース４４ａ、４４ｂ中の材料によって影響されうる。

【0089】

鉄又は非磁性材料と一緒にテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを焼結した後に、バルク磁性材料（例えば、バルク永久磁石）が形成されうる。バルク磁性材料はFe₈N及びFe₁₆N₂の間の交換スプリングカップリング、及び、鉄又は非磁性材料によって提供されるドメイン壁ピン止めサイトの両方を含むことができる。このようにして、バルク磁性材料は所望の高いエネルギー積を有することができ、それは純粋なFe₁₆N₂のエネルギー積（約１３４ＭＧＯｅ）に近づくことができる。

【0090】

図１５はドメイン壁ピン止めサイトを含む、Fe₈N軟磁性ドメインと交換スプリングカップリングされたFe₁₆N₂硬磁性ドメインを含むバルク材料を形成するための例示的な技術を示すフローダイアグラムである。図１５の技法は図１６及び１７を同時に参照して説明される。図１６は鉄ワークピースを歪ませ、窒素に暴露することができる装置の概念図を示す。図１７は図１６に示される低温るつぼ加熱ステージの一例のさらなる詳細を示す。

【0091】

図１６の例示の装置は、第一のローラ１２２、第二のローラ１２４及びるつぼ加熱ステージ１２６を含む。第一のローラ１２２及び第二のローラ１２４は鉄ワークピース１２８の、それぞれ、第一の端部１３８及び第二の端部１４０を受け入れるように構成されている。鉄ワークピース１２８は第一の端部１３８及び第二の端部１４０の間の主要軸を画定している。図１７に最も良好に見られるとおり、鉄ワークピースはるつぼ加熱ステージ１２６により画定される開口１３０を通過する。るつぼ加熱ステージ１２６はるつぼ加熱ステージ１２６により画定される開口１３０の少なくとも一部を包囲するインダクタ１３２を含む。

【0092】

図１５の例示的な技術は、鉄ワークピース１２８内の少なくとも１つの鉄結晶の＜００１＞軸に対して実質的に平行な（例えば、平行又はほぼ平行な）方向に沿って鉄ワークピース１２８を歪ませること（１１２）を含む。幾つかの例では、鉄ワークピース１２８は体心立方晶（ｂｃｃ）構造を有する鉄から形成されている。

【0093】

幾つかの例では、鉄ワークピース１２８は、ｂｃｃ単結晶構造で形成されている。他の例では、鉄ワークピース１２８は、複数のｂｃｃ鉄結晶から形成されうる。これらの例の幾つかでは、複数の鉄結晶は個々の単位セル及び／又は結晶の＜００１＞軸の少なくとも一部、例えば、大部分又は実質的にすべてが鉄ワークピース１２８に歪みが課される方向に対して実質的に平行となるように配向される。例えば、鉄が鉄ワークピース１２８として形成されているとき、＜００１＞軸の少なくとも一部は図１６及び１７に示される通り、鉄ワークピース１２８の主軸に実質的に平行であることができる。上述のとおり、幾つかの例では、単結晶窒化鉄ワークピースはるつぼ技術を用いて形成することができる。このようなるつぼ技術に加えて、マイクロ溶融ゾーンフローティング又はマイクロシェーパからの引張りのいずれかにより鉄ワークピース１２８を形成することにより単結晶鉄ワークピースを形成することができる。

【0094】

幾つかの例では、鉄ワークピース１２８は結晶テクスチャー付き構造を有することができる。結晶テクスチャー付き（例えば、ワークピースの特定の方向に沿って所望の結晶配向を有する）鉄ワークピースを形成するために使用されうる技術は図９及び１０を参照して説明したように、高速ベルトキャスティングを含む。

【0095】

歪みは、様々な歪み誘導装置を用いて、鉄ワークピース１２８に対して課すことができる。例えば、図１６に示すとおり、鉄ワークピース１２８の第一の端部１３８及び第二の端部１２８は第一のローラ１２２（例えば、巻き取り）及び第二のローラ１２４により受けることができ、ローラ１２２、１２４は鉄ワークピース１２８に引張力を加えるように反対方向（図１６中、矢印１３４及び１３５により示されている）に回転させることができる。他の例では、鉄ワークピース１２８の両端を機械的なグリップ、例えば、クランプで把持することができ、そして機械的なグリップは互いに離れて、鉄ワークピース１２８に引張力を課すことができ、図１１を参照して上述したとおりである。

【0096】

歪み誘導装置は、特定の伸びまで鉄ワークピース１２８を歪ませることができる。例えば、鉄ワークピース１２８に対する歪みは約０．１％〜約７％であることができる。他の例では、鉄ワークピース１２８に対する歪みは、約０．１％未満であるか、又は、約７％を超えることができる。幾つかの例では、鉄ワークピース１２８に対して特定の歪みを課すことで、単位セルが＜００１＞軸に沿って約０．１％〜約７％伸長されるように、鉄の個々の単位セルに対して実質的に同様の歪みをもたらすことができる。

【0097】

鉄ワークピースの寸法、例えば、鉄線の直径又は鉄板の断面積（鉄板を延伸／歪ませる方向と実質的に直交する平面）は所与の歪みをもたらすのに鉄ワークピース１２８に加えられなければならない力の量に影響を及ぼしうる。例えば、直径が約０．１ｍｍの鉄線に約１４４Ｎの力を加えると、約７％の歪みをもたらすことができる。別の例として、直径が約０．２ｍｍの鉄線に約５７６Ｎの力を加えると、約７％の歪みをもたらすことができる。別の例として、直径が約０．３ｍｍの鉄線に約１２９６Ｎの力を加えると、約７％の歪みをもたらすことができる。別の例として、直径が約０．４ｍｍの鉄線に約２３０４Ｎの力を加えると、約７％の歪みをもたらすことができる。別の例として、直径が約０．５ｍｍの鉄線に約３６００Ｎの力を加えると、約７％の歪みをもたらすことができる。

【0098】

幾つかの例では、鉄ワークピース１２８はFe₁₆N₂相構成が形成されたら、Fe₁₆N₂相構成を安定させるために役立つドーパント元素を含むことができる。例えば、相安定化ドーパント元素としては、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）などが挙げられる。

【0099】

歪み誘導装置が鉄ワークピース１２８に歪み課したときに、及び／又は、歪み誘導装置が鉄ワークピース１２８に実質的に一定の歪みを課すと、鉄ワークピース１２８を窒素化させることができる（１１４）。幾つかの例では、窒素化プロセス中に、鉄ワークピース１２８を、加熱装置を用いて加熱することができる。鉄ワークピース１２８を加熱するために使用することができる加熱装置の一例を図１６及び１７に示す。

【0100】

るつぼ加熱ステージ１２６は鉄ワークピース１２８が通過する（例えば、鉄ワークピース１２８の一部分が配置される）開口１３０を画定する。幾つかの例では、鉄ワークピース１２８の加熱中に、るつぼ加熱ステージ１２６はいずれの箇所も鉄ワークピース１２８に接触しない。幾つかの実施形態において、このことは、所望しない元素又は化学種が鉄ワークピース１２８と接触しそして拡散する危険性を低下させるので有利である。所望されない元素又は化学種は鉄ワークピース１２８の特性に影響を与える可能性があり、鉄ワークピース１２８と他の材料との接触を低減又は制限することが望ましいことがある。

【0101】

るつぼ加熱ステージ１２６は、るつぼ加熱ステージ１２６により画定される開口１３０の少なくとも一部を包囲するインダクタ１３２をも含む。インダクタ１３２は電流を通過させることができるアルミニウム、銀又は銅などの導電性材料を含む。電流は鉄ワークピース１２８において渦電流を誘導しそして鉄ワークピース１２８を加熱することができる交流電流（ＡＣ）によるものであってよい。他の例において、鉄ワークピース１２８を加熱するためにるつぼ加熱ステージ１２６を使用する代わりに、他の非接触加熱源を使用することができる。例えば、赤外線加熱ランプなどの輻射熱源を使用して、鉄ワークピース１２８を加熱することができる。別の例として、プラズマアークランプを使用して、鉄ワークピース１２８を加熱することができる。

【0102】

窒素化プロセス中に鉄ワークピース１２８を加熱するために使用される加熱装置に関係なく、加熱装置は鉄ワークピース１２８の厚さ、直径又は内部体積の実質的に全体にわたって所定の濃度まで窒素を拡散させることを可能にするのに十分な時間、温度に鉄ワークピース１２８を加熱することができる。このように、加熱時間及び温度は、鉄ワークピース１２８の組成及び／又は幾何形状と関連があり、それらによって影響を受ける可能性がある。例えば、鉄ワークピース１２８は約１２５℃〜約７００℃の温度に約２時間〜約９時間加熱することができる。幾つかの例では、鉄ワークピース１２８は約５００℃〜約６６０℃の温度に約２時間〜約４時間加熱することができる。

【0103】

幾つかの例では、鉄ワークピース１２８としては、直径が約０．１ｍｍの鉄線が挙げられる。これらの例の幾つかでは、鉄ワークピース１２８は約１２５℃の温度に約８．８５時間、又は、約６００℃の温度に約２．４時間、又は、約６６０℃の温度に約４時間加熱することができる。一般に、所与の温度で、窒素化処理時間は鉄ワイヤーの直径又は鉄板の厚さなどの鉄ワークピース１２８の特徴的寸法の二乗に反比例することができる。

【0104】

鉄ワークピース１２８を加熱することに加えて、鉄ワークピース１２８を窒素化すること（１１４）は原子状窒素物質に鉄ワークピース１２８を暴露することを含み、該物質は鉄ワークピース１２８中に拡散する。幾つかの例では、原子状窒素物質は二原子窒素（Ｎ₂）として供給することができ、これは、次いで、個々の窒素原子に分離（破壊）される。他の例では、原子状窒素は、アンモニア（ＮＨ₃）などの別の原子状窒素前駆体から提供されてもよい。他の例では、原子状窒素は、尿素（ＣＯ（ＮＨ₂）₂）又はアジ化アンモニウム（（ＮＨ₄）Ｎ₃）から提供されてもよい。

【0105】

窒素を気相単独（例えば、実質的に純粋なアンモニア、アジ化アンモニウム又は尿素、又は、二原子窒素ガス）で、又は、キャリアガスとの混合物として供給することができる。幾つかの例では、キャリアガスはアルゴン（Ａｒ）である。ガス又はガス混合物は任意の適切な圧力で、例えば、約０．００１トル（約０．１３３パスカル（Ｐａ））〜約１０トル（約１３３３Ｐａ）、例えば、約０．０１トル（約１．３３Ｐａ）〜約０．１トル（約１３．３３Ｐａ）で供給することができる。幾つかの例において、窒素をキャリアガスとの混合物の一部として送達するときに、窒素又は窒素前駆体（例えば、ＮＨ₃）の分圧は約０．０２〜約０．１であることができる。

【0106】

窒素前駆体（例えば、Ｎ₂又はＮＨ₃）は様々な技術を用いて破壊させ、原子状窒素物質を形成することができる。例えば、窒素前駆体は放射線を用いて加熱して、原子状窒素物質を形成し、及び／又は、窒素前駆体と鉄ワークピース１２８との間の反応を促進することができる。別の例として、プラズマアークランプを用いて窒素前駆体を分割して、原子状窒素物質を形成し、及び／又は、窒素前駆体と鉄ワークピース２８との間の反応を促進することができる。

【0107】

幾つかの例では、鉄ワークピース１２８は、尿素拡散プロセスを介して窒素化されてよく（１１４）、ここで、尿素を窒素源として利用する（例えば、二原子窒素又はアンモニアでなく）。尿素（カルバミドとしても呼ばれる）はある場合に窒素放出肥料として使用することができる化学式ＣＯ（ＮＨ₂）₂を有する有機化合物である。鉄ワークピース１２８を窒素化するために（１１４）、尿素を、例えば、鉄ワークピース１２８を含む炉内で加熱して、分解された窒素原子を生成することができ、該原子が鉄ワークピース１２８中に拡散することができる。下記にさらに説明するとおり、得られた窒素化鉄材料の構成は、拡散処理の温度、ならびに、処理するために使用される鉄／尿素の比率（例えば、質量比）によりある程度制御することができる。他の例では、鉄ワークピース１２８は、ドープ剤を導入するための半導体プロセスで使用されるものと同様の注入プロセスによって窒素化されうる。

【0108】

図１８は、尿素の拡散プロセスを介して鉄ワークピース１２８を窒素化するために使用することができる例示的な装置１６４を示す概略図である。このような尿素拡散プロセスは、例えば、単結晶鉄、複数の結晶構造又はテクスチャー付き構造を有する場合に、鉄ワークピース１２８を窒素化するために使用することができる。また、ワイヤー、シート又はバルクなどの異なる形状を有する鉄材料は、そのようなプロセスを使用して拡散されうる。ワイヤー材料の場合、ワイヤー直径は、例えば、数マイクロメートルから数ミリメートルの範囲で変更されうる。シート材料では、シートの厚さは、例えば、数ナノメートルから数ミリメートルであることができる。バルク材料では、材料の質量は、約１ミリグラムから数キログラムであることができる。

【0109】

示すとおり、装置１６４は真空炉１６８内にるつぼ１６６を含む。鉄ワークピース１２８は窒素源の尿素１７２とともにるつぼ１６６内に配置される。図１８に示すように、Ａｒ及び水素を含むキャリアガスは尿素拡散プロセスの間にるつぼ１６６内に供給される。他の例では、異なるキャリアガスを使用するか、或いは、全くキャリアガスを使用しなくてもよい。幾つかの例では、尿素拡散プロセスの間の真空炉１６８内のガス流速は約５標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）〜約５０ｓｃｃｍであることができ、例えば、約２０ｓｃｃｍ〜約５０ｓｃｃｍ、又は、５ｓｃｃｍ〜約２０ｓｃｃｍであることができる。

【0110】

加熱コイル１７０は、任意の適切な技術、例えば、渦電流、誘導電流、無線周波数などを用いた尿素拡散プロセスの間に鉄ワークピース１２８及び尿素１７２を加熱することができる。るつぼ１６６は尿素拡散プロセスの間に使用される温度に耐えるように構成されていてよい。幾つかの例では、るつぼ１６６は約１６００℃までの温度に耐えることができる可能性がある。

【0111】

尿素１７２は鉄ワークピース１２８とともに加熱されて、鉄ワークピース１２８中に拡散することができる窒素を生成し、窒化鉄材料を形成することができる。幾つかの例では、尿素１７２及び鉄ワークピース１２８は、約６５０℃以上にるつぼ１６６内で加熱され、次いで、鉄及び窒素の混合物を冷却してクエンチし、鉄ワークピース１２８の厚さ、直径又は体積の実質的に全体にわたってFe₁₆N₂相構成を有する窒化鉄材料を形成することができる。幾つかの例では、尿素１７２及び鉄ワークピース１２８は、約６５０℃以上にるつぼ１６６内で約５分〜約１時間加熱されうる。幾つかの例では、尿素１７２及び鉄ワークピース１２８は約数分〜約１時間、約１０００℃〜約１５００℃に加熱することができる。加熱の時間は異なる温度での窒素熱係数に依存することができる。例えば、鉄ワークピースが約１マイクロメートルの厚さを画定するならば、拡散プロセスは約１２００℃で約５分間、１１００℃で約１２分間などで終了することができる。

【0112】

クエンチプロセスの間に加熱された材料を冷却するために、冷水をるつぼの外側に循環させて迅速に内容物を冷却することができる。幾つかの例では、温度は６５０℃から室温に約２０秒で低下されうる。

【0113】

後述するように、幾つかの例では、尿素１７２及び鉄ワークピース１２８の温度は、鉄及び窒素混合物をアニールし、鉄ワークピース１２８の厚さ、直径又は体積の実質的に全体にわたってFe₁₆N₂相構成を有する窒化鉄材料を形成するために、例えば、約１２０℃〜約２５０℃であることができる。尿素１７２及び鉄ワークピース１２８は、例えば、少なくとも約１時間、アニール温度とすることができる。このようなアニールプロセスは、例えば、鉄材料がマイクロメートルレベルの少なくとも１つの寸法を有する単結晶鉄ワークピース又はテクスチャー付きワークピースである場合に、他の窒素拡散技術に加えて、又はそれに代えて使用することができる。アニール及びクエンチのそれぞれにおいて、窒素は炉６８内で、窒素ガスから、又は、Arプラス水素キャリアガスを含むガス混合物から鉄ワークピース１２８中に拡散することができる。幾つかの例では、ガス混合物は約８６％Ａｒ＋４％Ｈ₂＋１０％Ｎ₂の組成を有することができる。他の例では、ガス混合物は１０％Ｎ₂＋９０％Ａｒ、又は、１００％Ｎ₂又は１００％Ａｒの組成を有することができる。

【0114】

さらに後述するように、尿素拡散プロセスを介して形成される窒化鉄材料の構成は使用される尿素／鉄の質量比によることができる。このように、幾つかの例では、尿素／鉄の質量比はFe₁₆N₂相構成の窒化鉄材料を形成するように選択することができる。しかしながら、そのような尿素拡散プロセスは、Fe₂N、Fe₃N、Fe₄N、Fe₈Nなどの、Fe₁₆N₂相構成を有するもの以外の窒化鉄材料を形成するために使用することができる。

【0115】

鉄ワークピース１２８を窒素化する（１４）ために使用される技術に関係なく、窒素は約８原子％（ａｔ．％）〜約１４ａｔ．％、例えば、約１１ａｔ．％の濃度まで鉄ワークピース１２８中に拡散することができる。鉄中の窒素の濃度は平均濃度であることができ、鉄ワークピース１２８の体積全体にわたって変化することができる。幾つかの例では、（鉄ワークピース１２８を窒素化した（１１４）後に）、窒素化された鉄ワークピース１２８の少なくとも一部の得られる相構成はα’相Fe₈Nであることができる。Fe₈N相構成は化学的秩序化されたFe₁₆N₂相の化学的無秩序対応物である。Fe₈N相構成は、また、ｂｃｔ結晶構造を有し、そして比較的に高い結晶磁気異方性を導入することができる。

【0116】

幾つかの例では、鉄ワークピース１２８が窒素化され（１１４）、なおも歪んでいる間に（１１２）、鉄ワークピース１２８は、鉄の格子内の適切な格子間空間への窒素原子の拡散を促進し、Fe₁₆N₂を形成するために、ある時間、ある温度でアニールすることができる（１６）。図１５で使用されるアニールプロセスは、図１、９、１２及び１４に関連して説明したものと同一又は実質的に同一であることができる。例えば、ポストアニール工程は約２５０℃未満の温度、例えば、約１２０℃〜約２１４℃、約１２０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２００℃、又は、約１５０℃の温度で行うことができる。ポストアニール工程は窒素（Ｎ₂）又はアルゴン（Ａｒ）雰囲気中で、又は、真空又は真空付近で行ってよい。ポストアニール工程の時間は少なくとも約５時間であり、例えば、少なくとも約２０時間、又は、約５時間〜約１００時間、又は、約２０時間〜約１００時間、又は、約４０時間であることができる。

【0117】

ポストアニール工程の温度及び時間は、例えば、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースのサイズ、ポストアニール温度での鉄中の窒素原子の拡散係数、及び、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース中のFe₁₆N₂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。これらの要因に基づいて、温度及び時間はFe₁₆N₂ドメインを形成するようにテクスチャー付き窒化鉄ワークピース中の位置に窒素原子を拡散するのに十分な時間を提供するように選択することができる。

【0118】

アニールプロセスが完了すると、鉄ワークピース１２８は酸化を低減又は防止するために、真空又はアルゴンなどの不活性雰囲気下で冷却されてよい。

【0119】

図１５には示していないが、幾つかの例では、技術は追加の鉄又は非磁性材料を複数の鉄ワークピース１２８の間に導入すること（５４）（図９及び１２）、又は、イオン注入又はクラスター注入を用いて鉄ワークピース１２８をドープすること（１０８）（図１４）を含むことができる。

【0120】

幾つかの例では、鉄ワークピース１２８は所望の用途のために十分なサイズではないことがある。このような例において、複数の鉄ワークピース１２８は形成され（それぞれFe₁₆N₂相構成を含む又はから本質的になる）、そして複数の鉄ワークピース１２８を一緒に焼結して、Fe₁₆N₂相構成を含む、より大きな永久磁石を形成することができる（３６）。図７、８Ａ及び８Ｂに関連して説明したように、焼結圧力、温度及び時間はテクスチャー付き窒化鉄ワークピースの結晶構造（例えば、Fe₁₆N₂相ドメインを含むときに）を維持しながらワークピースを機械的に結合するように選択されることができる。したがって、幾つかの例では、焼結工程は比較的に低い温度で行うことができる。例えば、焼結温度は、約２５０℃未満、例えば、約１２０℃〜約２５０℃、約１５０℃〜約２５０℃、約１２０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２００℃、又は、約１５０℃であることができる。焼結圧力は、例えば、約０．２ＧＰａ〜約１０ＧＰａであることができる。焼結時間は、少なくとも約５時間、例えば、少なくとも約２０時間、又は、約５時間〜約１００時間、又は、約２０時間〜約１００時間、又は、約４０時間であることができる。焼結時間、温度及び圧力は、鉄又は非磁性材料を含むワークピース又は粉末中の材料によって影響を受けることができる。

【0121】

テクスチャー付き窒化鉄ワークピースを鉄又は非磁性材料とともに焼結した後に、バルク磁性材料（例えば、バルク永久磁石）が形成されうる。バルク磁性材料は、Fe₈N及びFe₁₆N₂の間の交換スプリングカップリング及び鉄又は非磁性材料により提供されるドメイン壁ピン止めサイトの両方を含むことができる。このようにして、バルク磁性材料は望ましくは高いエネルギー積を有することができ、それは純粋なFe₁₆N₂（約１３４ＭＧＯｅ）のエネルギー積に近づくことができる。

【0122】

［項目１］
約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメイン、ドメイン壁ピン止めサイトを形成する複数の非磁性元素又は化合物、及び、残部の軟磁性材料を含むバルク永久磁性材料であって、ここで、前記軟磁性材料の少なくとも一部は交換スプリングカップリングによりFe₁₆N₂相ドメインに磁気的に結合されている、バルク永久磁性材料。

【0123】

［項目２］
約５体積％〜約２０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを含む、項目１記載のバルク永久磁性材料。

【0124】

［項目３］
約１０体積％〜約１５体積％のFe₁₆N₂相ドメインを含む、項目１記載のバルク永久磁性材料。

【0125】

［項目４］
Fe₁₆N₂相ドメインはバルク永久磁性材料の体積全体に分散されている、項目１〜３のいずれか１項記載のバルク永久磁性材料。

【0126】

［項目５］
複数の非磁性元素又は化合物はAl, Cu, Ti, Mn, Zr, Ta, B, C, Ni, Ru, SiO₂, A1₂O₃又はそれらの組み合わせからなる群より選ばれる、元素又は化合物を含む、項目１〜４のいずれか１項記載のバルク永久磁性材料。

【0127】

［項目６］
軟磁性材料はFe₈N, Fe₄N, Fe, FeCo及びそれらの組み合わせからなる群より選ばれる、項目１〜５のいずれか１項記載のバルク永久磁性材料。

【0128】

［項目７］
軟磁性材料はFe₈Nを含む、項目１〜５のいずれか１項記載のバルク永久磁性材料。

【0129】

［項目８］
バルク永久磁性材料は窒化鉄の複数のワークピースを焼結したものを含み、窒化鉄のワークピースの各々は約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを含む、項目１〜７のいずれか１項記載のバルク永久磁性材料。

【0130】

［項目９］
バルク永久磁性材料の最小寸法は約１００ナノメートルを超える、項目１〜８のいずれか１項記載のバルク永久磁性材料。

【0131】

［項目１０］
最小寸法は約１マイクロメートルを超える、項目９記載のバルク永久磁性材料。

【0132】

［項目１１］
最小寸法は約１００マイクロメートルを超える、項目１０記載のバルク永久磁性材料。

【0133】

［項目１２］
磁性材料はエネルギー積が約１０ＭＧＯｅを超える、項目１〜１１のいずれか１項記載のバルク永久磁性材料。

【0134】

［項目１３］
磁性材料はエネルギー積が約３０ＭＧＯｅを超える、項目１２記載のバルク永久磁性材料。

【0135】

［項目１４］
磁性材料はエネルギー積が約６０ＭＧＯｅを超える、項目１３記載のバルク永久磁性材料。

【0136】

［項目１５］
磁性材料はエネルギー積が約１００ＭＧＯｅを超える、項目１４記載のバルク永久磁性材料。

【0137】

［項目１６］
磁性材料はエネルギー積が約６０ＭＧＯｅ〜約１３５ＭＧＯｅである、項目１２記載のバルク永久磁性材料。

【0138】

［項目１７］
材料は自然に結晶学的に整合的である、項目１〜１６のいずれか１項記載のバルク永久磁性材料。

【0139】

［項目１８］
イオン注入を用いて鉄ワークピース中にＮ＋イオンを注入して窒化鉄ワークピースを形成すること、窒化鉄ワークピースをプレアニールして基材に窒化鉄ワークピースを固定すること、及び、窒化鉄ワークピースをポストアニールして窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含む方法。

【0140】

［項目１９］
イオン注入を用いて鉄ワークピース中にＮ＋イオンを注入して窒化鉄ワークピースを形成することは約１８０キロエレクトロンボルト未満のエネルギーにＮ＋イオンを加速することを含む、項目１８記載の方法。

【0141】

［項目２０］
約１８０キロエレクトロンボルト未満のエネルギーにＮ＋イオンを加速することは約１００キロエレクトロンボルトのエネルギーにＮ＋イオンを加速することを含む、項目１９記載の方法。

【0142】

［項目２１］
イオン注入を用いて鉄ワークピース中にＮ＋イオンを注入して窒化鉄ワークピースを形成することは約２×１０¹⁶／ｃｍ²〜１×１０¹⁷／ｃｍ²の流束でＮ＋イオンを提供することを含む、項目１８〜２０のいずれか１項記載の方法。

【0143】

［項目２２］
イオン注入を用いて鉄ワークピース中にＮ＋イオンを注入して窒化鉄ワークピースを形成することは約８×１０¹⁶／ｃｍ²の流束でＮ＋イオンを提供することを含む、項目１８〜２０のいずれか１項記載の方法。

【0144】

［項目２３］
イオン注入を用いて鉄ワークピース中にＮ＋イオンを注入して窒化鉄ワークピースを形成することは鉄ワークピース中に約８原子％〜約１５原子％の平均窒素濃度を形成するのに十分なＮ＋イオンを提供することを含む、項目１８〜２２のいずれか１項記載の方法。

【0145】

［項目２４］
イオン注入を用いて鉄ワークピース中にＮ＋イオンを注入して窒化鉄ワークピースを形成することは鉄ワークピース中に約１２．５原子％の平均窒素濃度を形成するのに十分なＮ＋イオンを提供することを含む、項目１８〜２２のいずれか１項記載の方法。

【0146】

［項目２５］
鉄ワークピースは、イオン注入を用いて鉄ワークピース中にＮ＋イオンを注入して窒化鉄ワークピースを形成する前に、約５００ナノメートル〜約１ミリメートルの厚さを画定している、項目１８〜２４のいずれか１項記載の方法。

【0147】

［項目２６］
鉄ワークピースは、イオン注入を用いて鉄ワークピース中にＮ＋イオンを注入して窒化鉄ワークピースを形成する前に、約５００ナノメートルの厚さを画定している、項目２５記載の方法。

【0148】

［項目２７］
鉄ワークピースは複数の鉄結晶を含み、そして鉄ワークピースの主表面はすべて又は実質的にすべての鉄結晶の（１１０）面に実質的に平行である、項目１８〜２６のいずれか１項記載の方法。

【0149】

［項目２８］
基材はシリコン又はガリウムひ素を含む、項目１８〜２７のいずれか１項記載の方法。

【0150】

［項目２９］
基材は（１１１）主要面を有する単結晶シリコン基材を含む、項目２８記載の方法。

【0151】

［項目３０］
窒化鉄ワークピースをプレアニールして基材に窒化鉄ワークピースを固定することは、窒化鉄ワークピースをプレアニールして単結晶シリコン基材の（１１１）主要面に窒化鉄のワークピースを固定すること含む、項目２９記載の方法。

【0152】

［項目３１］
窒化鉄ワークピースをプレアニールして基材に窒化鉄ワークピースを固定することは、鉄ワークピース及び基材の間に約０．２ギガパスカル〜約１０ギガパスカルの外部力を加えることを含む、項目１８〜３０のいずれか１項記載の方法。

【0153】

［項目３２］
窒化鉄ワークピースをプレアニールして基材に窒化鉄ワークピースを固定することは、窒化鉄ワークピース及び基材を約４５０℃〜約５５０℃の温度に約３０分〜約４時間加熱することを含む、項目１８〜３１のいずれか１項記載の方法。

【0154】

［項目３３］
窒化鉄ワークピースをプレアニールして基材に窒化鉄ワークピースを固定することは、窒化鉄ワークピース及び基材を約５００℃の温度に約３０分〜約１時間加熱することを含む、項目３２記載の方法。

【0155】

［項目３４］
窒化鉄ワークピースをプレアニールして基材に窒化鉄ワークピースを固定することは、窒素及びアルゴンを含む雰囲気下で窒化鉄ワークピースをプレアニールすることを含む、項目３２又は３３記載の方法。

【0156】

［項目３５］
窒化鉄ワークピースをプレアニールして基材に窒化鉄ワークピースを固定することは、約１０体積％の窒素、約８６体積％のアルゴン及び約４体積％の水素を含む雰囲気下で窒化鉄ワークピースをプレアニールすることを含む、項目３４記載の方法。

【0157】

［項目３６］
窒化鉄ワークピースをポストアニールして窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、窒化鉄ワークピース及び基材を約１２０℃〜約２５０℃の温度に少なくとも約５時間加熱することを含む、項目１８〜３５のいずれか１項記載の方法。

【0158】

［項目３７］
窒化鉄ワークピースをポストアニールして窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、窒化鉄ワークピース及び基材を約１２０℃〜約２００℃の温度に約２０時間〜約１００時間加熱することを含む、項目１８〜３５のいずれか１項記載の方法。

【0159】

［項目３８］
窒化鉄ワークピースをポストアニールして窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、窒化鉄ワークピース及び基材を約１５０℃の温度に約２０〜約４０時間加熱することを含む、項目１８〜３５のいずれか１項記載の方法。

【0160】

［項目３９］
窒化鉄ワークピースをポストアニールして窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、窒化鉄ワークピース内に約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含む、項目１８〜３８のいずれか１項記載の方法。

【0161】

［項目４０］
窒化鉄ワークピースをポストアニールして窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、窒化鉄ワークピース内に約１０体積％〜約２０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含む、項目１８〜３８のいずれか１項記載の方法。

【0162】

［項目４１］
窒化鉄ワークピースをポストアニールして窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、窒化鉄ワークピース内に約１０体積％〜約１５体積％のFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含む、項目１８〜３８のいずれか１項記載の方法。

【0163】

［項目４２］
窒化鉄ワークピースをポストアニールして窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、窒化鉄ワークピースの体積全体に分散したFe₁₆N₂を形成することを含む、項目１８〜４１のいずれか１項記載の方法。

【0164】

［項目４３］
窒化鉄材料の複数のワークピースを形成すること、ここで、複数のワークピースの各々は約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを含む、窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に追加の鉄又は非磁性材料を導入すること、及び、窒化鉄の複数のワークピースを一緒に焼結して、約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを有する窒化鉄を含むバルク磁石を形成することを含む方法。

【0165】

［項目４４］
窒化鉄材料の複数のワークピースを形成することは、イオン注入を用いてテクスチャー付き鉄ワークピースにＮ＋イオンを注入してテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成すること、及び、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールし、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含む、項目４３記載の方法。

【0166】

［項目４５］
高速ベルトキャスティングを用いてテクスチャー付き鉄ワークピースを形成することをさらに含む、項目４４記載の方法。

【0167】

［項目４６］
テクスチャー付き鉄ワークピースは約１マイクロメートル〜約１０ミリメートルの厚さを画定している、項目４４又は４５記載の方法。

【0168】

［項目４７］
テクスチャー付き鉄ワークピースは約５マイクロメートル〜約１ミリメートルの厚さを画定している、項目４４又は４５記載の方法。

【0169】

［項目４８］
テクスチャー付き鉄ワークピースは（１００）又は（１１０）結晶構造を含む、項目４４〜４７のいずれか１項記載の方法。

【0170】

［項目４９］
イオン注入を用いてテクスチャー付き鉄ワークピース中にＮ＋イオンを注入してテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成することは約１８０キロエレクトロンボルト未満のエネルギーにＮ＋イオンを加速することを含む、項目４４〜４８のいずれか１項記載の方法。

【0171】

［項目５０］
約１８０キロエレクトロンボルト未満のエネルギーにＮ＋イオンを加速することは約１００キロエレクトロンボルトのエネルギーにＮ＋イオンを加速することを含む、項目４４〜４８のいずれか１項記載の方法。

【0172】

［項目５１］
イオン注入を用いてテクスチャー付きワークピース中にＮ＋イオンを注入してテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成することは約２×１０¹⁶／ｃｍ²〜１×１０¹⁷／ｃｍ²の流束でＮ＋イオンを提供することを含む、項目４４〜５０のいずれか１項記載の方法。

【0173】

［項目５２］
イオン注入を用いて鉄ワークピース中にＮ＋イオンを注入して窒化鉄ワークピースを形成することは約８×１０¹⁶／ｃｍ²の流束でＮ＋イオンを提供することを含む、項目４４〜５０のいずれか１項記載の方法。

【0174】

［項目５３］
イオン注入を用いてテクスチャー付きワークピース中にＮ＋イオンを注入してテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成することはテクスチャー付き窒化鉄ワークピース中に約８原子％〜約１５原子％の平均窒素濃度を形成するのに十分なＮ＋イオンを提供することを含む、項目４４〜５２のいずれか１項記載の方法。

【0175】

［項目５４］
イオン注入を用いてテクスチャー付きワークピース中にＮ＋イオンを注入してテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成することはテクスチャー付き窒化鉄ワークピース中に約１２．５原子％の平均窒素濃度を形成するのに十分なＮ＋イオンを提供することを含む、項目４４〜５２のいずれか１項記載の方法。

【0176】

［項目５５］
窒化鉄材料の複数のワークピースを形成することは、溶融鉄中で窒素源を混合すること、溶融鉄を高速ベルトキャスティングしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成すること、及び、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールし、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含む、項目４３記載の方法。

【0177】

［項目５６］
溶融鉄中で窒素を混合することは溶融鉄中で窒素源を混合して約８原子％〜約１５原子％の窒素原子濃度を溶融鉄中にもたらす、項目５５記載の方法。

【0178】

［項目５７］
溶融鉄中で窒素を混合することは溶融鉄中で窒素源を混合して約１２．５原子％の窒素原子濃度を溶融鉄中にもたらす、項目５５記載の方法。

【0179】

［項目５８］
窒素源はアンモニア、アンモニウムアジ化物又は尿素のうちの少なくとも１つを含む、項目５５〜５７のいずれか１項記載の方法。

【0180】

［項目５９］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースは（１００）又は（１１０）結晶構造を含む、項目５５〜５８のいずれか１項記載の方法。

【0181】

［項目６０］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースは約１マイクロメートル〜約１０ミリメートルの寸法を画定している、項目５５〜５９のいずれか１項記載の方法。

【0182】

［項目６１］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースは約５マイクロメートル〜約１ミリメートルの厚さを画定している、項目５５〜５９のいずれか１項記載の方法。

【0183】

［項目６２］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースに対して約０．１％〜約７％の歪みを課すこと、及び、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースに歪みを課している間に、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースを約１２０℃〜約２５０℃の温度に少なくとも約５時間加熱することを含む、項目４３〜６１のいずれか１項記載の方法。

【0184】

［項目６３］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースを約１２０℃〜約２５０℃の温度に少なくとも約５時間加熱することはテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを約１２０℃〜約２００℃の温度に約２０時間〜約１００時間加熱することを含む、項目６２記載の方法。

【0185】

［項目６４］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースを約１２０℃〜約２５０℃の温度に少なくとも約５時間加熱することはテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを約１５０℃の温度に約２０時間〜約４０時間加熱することを含む、項目６２記載の方法。

【0186】

［項目６５］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース内に約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含む、項目４４〜６４のいずれか１項記載の方法。

【0187】

［項目６６］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース内に約５体積％〜約２０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含む、項目４４〜６４のいずれか１項記載の方法。

【0188】

［項目６７］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース内に約１０体積％〜約１５体積％のFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含む、項目４４〜６４のいずれか１項記載の方法。

【0189】

［項目６８］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースの体積全体に分散したFe₁₆N₂を形成することを含む、項目４４〜６７のいずれか１項記載の方法。

【0190】

［項目６９］
窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に追加の鉄又は非磁性材料を導入することは、イオン注入を用いて窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に非磁性イオンを注入することを含む、項目４３〜６８のいずれか１項記載の方法。

【0191】

［項目７０］
窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に追加の鉄又は非磁性材料を導入することは、クラスター注入を用いて窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に非磁性化合物を注入することを含む、項目４３〜６９のいずれか１項記載の方法。

【0192】

［項目７１］
窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に追加の鉄又は非磁性材料を導入することは、窒化鉄材料の複数のワークピースの第一のワークピースと第二のワークピースとの間に鉄又は非磁性材料のワークピースを導入することを含む、項目４３〜７０のいずれか１項記載の方法。

【0193】

［項目７２］
窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に追加の鉄又は非磁性材料を導入することは、窒化鉄材料の複数のワークピースの第一のワークピースと第二のワークピースとの間に少なくとも１つの鉄又は非磁性材料を含む粉末を導入することを含む、項目４３〜７１のいずれか１項記載の方法。

【0194】

［項目７３］
鉄又は非磁性材料はAl, Cu, Ti, Mn, Zr, Ta, B, C, Ni, Ru, SiO₂, A1₂O₃又はそれらの組み合わせからなる群より選ばれる、項目４３〜７１のいずれか１項記載の方法。

【0195】

［項目７４］
窒化鉄の複数のワークピースを一緒に焼結して、約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを有する窒化鉄を含むバルク磁石を形成することは、窒化鉄材料を含む複数のワークピースを約２５０℃未満の温度に少なくとも約５時間加熱すること含む、項目４３〜７３のいずれか１項記載の方法。

【0196】

［項目７５］
窒化鉄の複数のワークピースを一緒に焼結して、約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを有する窒化鉄を含むバルク磁石を形成することは、窒化鉄の複数のワークピースに約０．２ギガパスカル〜約１０ギガパスカルの圧力を加えながら、窒化鉄材料の複数のワークピースを約２５０℃未満の温度に少なくとも約５時間加熱すること含む、項目４３〜７３のいずれか１項記載の方法。

【0197】

［項目７６］
窒化鉄の複数のワークピースを一緒に焼結して、約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを有する窒化鉄を含むバルク磁石を形成することは、窒化鉄の複数のワークピースに約０．２ギガパスカル〜約１０ギガパスカルの圧力を加えながら、窒化鉄材料の複数のワークピースを約１２０℃〜約２００℃の温度に約２０時間〜約１００時間加熱すること含む、項目４３〜７３のいずれか１項記載の方法。

【0198】

［項目７７］
イオン注入を用いてテクスチャー付き鉄ワークピースにＮ＋イオンを注入することにより複数のテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成して、約８原子％〜約１５原子％のＮ＋イオンを含むテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成すること、及び、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールし、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース中に約５体積％〜約４０体積％の体積分率のFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含み、残部の軟磁性材料はFe₈Nを含み、Fe₁₆N₂相ドメインの少なくとも一部は交換スプリングカップリングによってFe₈Nドメインの少なくとも一部に磁気的に結合される、
窒化鉄の複数のワークピースの第一のワークピースと、複数のワークピースの第二のワークピースとの間、又は、窒化鉄の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に非磁性材料を導入すること、及び、窒化鉄の複数のワークピースを一緒に焼結して、約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを有する窒化鉄を含むバルク磁石を形成することを含み、ここで、非磁性材料はバルク磁石内にドメイン壁ピン止めサイトを形成する、
方法。

【0199】

［項目７８］
高速ベルトキャスティングを用いてテクスチャー付き鉄ワークピースを形成することをさらに含む、項目７７記載の方法。

【0200】

［項目７９］
テクスチャー付き鉄ワークピースは約１マイクロメートル〜約１０ミリメートルの厚さを画定している、項目７７又は７８記載の方法。

【0201】

［項目８０］
テクスチャー付き鉄ワークピースは（１００）又は（１１０）結晶構造を含む、項目７７又は７８記載の方法。

【0202】

［項目８１］
イオン注入を用いてテクスチャー付き鉄ワークピース中にＮ＋イオンを注入してテクスチャー付き窒化鉄シートを形成することは約１００キロエレクトロンボルトのエネルギーにＮ＋イオンを加速することを含む、項目７７〜８０のいずれか１項記載の方法。

【0203】

［項目８２］
イオン注入を用いてワークピース中にＮ＋イオンを注入して窒化鉄ワークピースを形成することは約８×１０¹⁶／ｃｍ²の流束でＮ＋イオンを提供することを含む、項目７７〜８１のいずれか１項記載の方法。

【0204】

［項目８３］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースに対して約０．１％〜約７％の歪みを課すこと、及び、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースに歪みを課している間に、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースを約１２０℃〜約２５０℃の温度に少なくとも約５時間加熱することを含む、項目７７〜８２のいずれか１項記載の方法。

【0205】

［項目８４］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースを約１２０℃〜約２５０℃の温度に少なくとも約５時間加熱することはテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを約１２０℃〜約２００℃の温度に約２０時間〜約１００時間加熱することを含む、項目８３記載の方法。

【0206】

［項目８５］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースの体積全体に分散したFe₁₆N₂を形成することを含む、項目７７〜８４のいずれか１項記載の方法。

【0207】

［項目８６］
窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に追加の鉄又は非磁性材料を導入することは、イオン注入を用いて窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に非磁性イオンを注入することを含む、項目７７〜８５のいずれか１項記載の方法。

【0208】

［項目８７］
窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に追加の鉄又は非磁性材料を導入することは、クラスター注入を用いて窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に非磁性化合物を注入することを含む、項目７７〜８６のいずれか１項記載の方法。

【0209】

［項目８８］
窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に追加の鉄又は非磁性材料を導入することは、窒化鉄材料の複数のワークピースの第一のワークピースと第二のワークピースとの間に鉄又は非磁性材料のワークピースを導入することを含む、項目７７〜８７のいずれか１項記載の方法。

【0210】

［項目８９］
窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に追加の鉄又は非磁性材料を導入することは、窒化鉄材料の複数のワークピースの第一のワークピースと第二のワークピースとの間に少なくとも１つの鉄又は非磁性材料を含む粉末を導入することを含む、項目７７〜８８のいずれか１項記載の方法。

【0211】

［項目９０］
鉄又は非磁性材料はAl, Cu, Ti, Mn, Zr, Ta, B, C, Ni, Ru, SiO₂, A1₂O₃又はそれらの組み合わせからなる群より選ばれる、項目７７〜８９のいずれか１項記載の方法。

【0212】

［項目９１］
窒化鉄の複数のワークピースを一緒に焼結して、約５体積％〜約２０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを有する窒化鉄を含むバルク磁石を形成することは、窒化鉄の複数のワークピースに約０．２ギガパスカル〜約１０ギガパスカルの圧力を加えながら、窒化鉄材料の複数のワークピースを約１２０℃〜約２００℃の温度に約２０時間〜約１００時間加熱すること含む、項目７７〜９０のいずれか１項記載の方法。

【0213】

［項目９２］
約８原子％〜約１５原子％の溶融鉄中の窒素原子濃度をもたらすように溶融鉄中に窒素源を混合し、溶融鉄を高速ベルトキャスティングしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成することにより、複数のテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを形成すること、及び、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールして、テクスチャー付き窒化鉄ワークピース内に約５体積％〜約４０体積％の体積分率のFe₁₆N₂相ドメインを形成することを含み、残部の軟磁性材料はFe₈Nを含み、ここで、Fe₁₆N₂相ドメインの少なくとも一部は交換スプリングカップリングによってFe₈Nドメインの少なくとも一部に磁気的に結合されている、
窒化鉄の複数のワークピースの第一のワークピースと、複数のワークピースの第二のワークピースとの間、又は、窒化鉄の複数のワークピースのうちの少なくとも１つのワークピースの内部に非磁性材料を導入すること、及び、窒化鉄の複数のワークピースを一緒に焼結して、約５体積％〜約４０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを有する窒化鉄を含むバルク磁石を形成することを含み、ここで、非磁性材料はバルク磁石内にドメイン壁ピン止めサイトを形成する、方法。

【0214】

［項目９３］
窒素源はアンモニア、アンモニウムアジ化物又は尿素のうちの少なくとも１つを含む、項目９２記載の方法。

【0215】

［項目９４］
テクスチャー付き鉄ワークピースは（１００）又は（１１０）結晶構造を含む、項目９２又は９３記載の方法。

【0216】

［項目９５］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースは約１マイクロメートル〜約１０ミリメートルの厚さを画定している、項目９２〜９４のいずれか１項記載の方法。

【0217】

［項目９６］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースに対して約０．１％〜約７％の歪みを課すこと、及び、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースに歪みを課している間に、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースを約１２０℃〜約２５０℃の温度に少なくとも約５時間加熱することを含む、項目９２〜９５のいずれか１項記載の方法。

【0218】

［項目９７］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースを約１２０℃〜約２５０℃の温度に少なくとも約５時間加熱することはテクスチャー付き窒化鉄ワークピースを約１２０℃〜約２００℃の温度に約２０時間〜約１００時間加熱することを含む、項目９６記載の方法。

【0219】

［項目９８］
テクスチャー付き窒化鉄ワークピースをポストアニールしてテクスチャー付き窒化鉄ワークピース内にFe₁₆N₂相ドメインを形成することは、テクスチャー付き窒化鉄ワークピースの体積全体に分散したFe₁₆N₂を形成することを含む、項目９２〜９７のいずれか１項記載の方法。

【0220】

［項目９９］
窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に追加の鉄又は非磁性材料を導入することは、イオン注入を用いて窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に非磁性イオンを注入することを含む、項目９２〜９８のいずれか１項記載の方法。

【0221】

［項目１００］
窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に追加の鉄又は非磁性材料を導入することは、クラスター注入を用いて窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に非磁性化合物を注入することを含む、項目９２〜９９のいずれか１項記載の方法。

【0222】

［項目１０１］
窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に追加の鉄又は非磁性材料を導入することは、窒化鉄材料の複数のワークピースの第一のワークピースと第二のワークピースとの間に鉄又は非磁性材料のワークピースを導入することを含む、項目９２〜１００のいずれか１項記載の方法。

【0223】

［項目１０２］
窒化鉄材料の複数のワークピースの間又は窒化鉄材料の複数のワークピースのうちの少なくとも１つの内部に追加の鉄又は非磁性材料を導入することは、窒化鉄材料の複数のワークピースの第一のワークピースと第二のワークピースとの間に少なくとも１つの鉄又は非磁性材料を含む粉末を導入することを含む、項目９２〜１０１のいずれか１項記載の方法。

【0224】

［項目１０３］
鉄又は非磁性材料はAl, Cu, Ti, Mn, Zr, Ta, B, C, Ni, Ru, SiO₂, A1₂O₃又はそれらの組み合わせからなる群より選ばれる、項目９２〜１０２のいずれか１項記載の方法。

【0225】

［項目１０４］
窒化鉄の複数のワークピースを一緒に焼結して、約５体積％〜約２０体積％のFe₁₆N₂相ドメインを有する窒化鉄を含むバルク磁石を形成することは、窒化鉄の複数のワークピースに約０．２ギガパスカル〜約１０ギガパスカルの圧力を加えながら、窒化鉄材料の複数のワークピースを約１２０℃〜約２００℃の温度に約２０時間〜約１００時間加熱すること含む、項目９２〜１０３のいずれか１項記載の方法。

【0226】

［項目１０５］
Fe₁₆N₂相ドメインを含む磁性材料を形成するための本明細書に記載の任意の技術を実施するためのシステム。

【実施例】

【0227】

［例１］
図１９はイオン注入した後で窒化鉄ホイルのアニールする前の鉄ホイルにおける深さの関数としてのＮ＋イオン濃度のオージェ測定を示す線図である。Ｎ＋イオン注入の前に、鉄ホイルは厚さが約５００ｎｍであった。Ｎ＋イオンを鉄膜に注入するために１００ｋｅＶに加速した。約８×１０¹⁶／ｃｍ²Ｎ＋イオンのＮ＋イオン流束を用いて、鉄ホイル中にＮ＋イオンを注入した。測定はPhysical Electronics, Inc., Chanhassen, Minnesotaから入手可能なPhysical Electronics Industries (PHI) 545走査オージェマイクロプローブを用いてミリング源でＡｒ⁺とともにオージェ電子分光法（ＡＥＳ）を用いて行った。図２に示す関係によって予測されるようにＮ＋イオン濃度のピーク位置は約１０００Å又は１００ｎｍであった。さらに、Ｎ＋イオンは１０００Å周辺の他の深さで注入された。

【0228】

［例２］
図２０は異なる窒素流束に関するポストアニール後の鉄ホイル内の深さの関数としての窒素濃度を示す散布図である。Ｎ＋イオン注入の前に、鉄ホイルは厚さが約５００ｎｍであった。Ｎ＋イオンを鉄膜に注入するために１００ｋｅＶに加速した。約２×１０¹⁶／ｃｍ²、約５×１０¹⁶／ｃｍ²、約８×１０¹⁶／ｃｍ²及び約１×１０¹⁷／ｃｍ²Ｎ＋イオンのＮ＋イオン流束を用いて、鉄ホイル中にＮ＋イオンを注入した。イオン注入した後に、窒化鉄ホイルを（１１１）シリコン基板に付着させ、４％Ｈ₂＋１０％Ｎ₂＋８６％Ａｒ雰囲気中で約０．５時間、約５００℃でプレアニール処理を施した。その後、窒化鉄ホイルを真空中で約４０時間、約１５０℃でのポストアニール処理を施した。

【0229】

図２０に示すように、ポストアニール工程後の窒化鉄ホイルの厚さは約４５０ｎｍであった。膜厚５０ｎｍの損失は、プレアニール工程の間のイオン衝撃及びクリーニング時の鉄損失のためであると考えられる。図２０に示すように、各窒素流束に関して、ポストアニール工程後に、ホイル内の窒素の濃度はホイル全体を通して実質的に同一であった。８×１０¹⁶／ｃｍ²のＮ＋イオン流束（上向き三角形）の窒素の濃度はFe₁₆N₂中で化学量論比のFe:N付近で、約１２．５ａｔ．％〜約１０ａｔ．％の範囲である。

【0230】

［例３］
図２１Ａ及び２１Ｂは、イオン注入を用いて調製された窒化鉄ホイルの例についての磁化ｖｓ．保磁力のヒステリシスループである。Ｎ＋イオン注入の前に、鉄ホイルは厚さが約５００ｎｍであった。Ｎ＋イオンを鉄膜に注入するために１００ｋｅＶに加速した。約８×１０¹⁶／ｃｍ²Ｎ＋イオンのＮ＋イオン流束を用いて、鉄ホイル中にＮ＋イオンを注入した。イオン注入した後に、窒化鉄ホイルを（１１１）シリコン基板に付着させ、４％Ｈ₂＋１０％Ｎ₂＋８６％Ａｒ雰囲気中で約０．５時間、約５００℃でプレアニール処理を施した。その後、窒化鉄ホイルを真空中で約４０時間、約１５０℃でのポストアニール処理を施した。

【0231】

図２１Ａは約５Ｋの温度で窒化鉄ホイルのヒステリシスループを示す。図２１Ａに示すとおり、プレアニール及びポストアニール処理は、約２．０テスラ（Ｔ）から約２．４５Ｔまで飽和磁化を増加させた。プレアニール及びポストアニール処理はまた、保磁力（Ｈｓ）を約０から約３．２ｋＯｅまで増加した。

【0232】

図２１Ｂは約３００Ｋの温度での窒化鉄ホイルのヒステリシスループを示す。図２１Ｂに示すとおり、プレアニール及びポストアニール処理は、約２．０Ｔから約２．１２Ｔまで飽和磁化を増加させた。プレアニール及びポストアニール処理はまた、保磁力（Ｈｓ）を約０から約２６ｋＯｅまで増加した。５Ｋでテストしたホイル及び約３００Ｋでテストしたホイルの挙動の相違は、より高い温度での結果に影響を及ぼす材料内の欠陥によるものである考えられるが、その効果はより低い温度で低減される。したがって、５Ｋでの結果は、この技術を用いて調製された幾つかの窒化鉄膜の理想的な特性を代表すると考えられる。

【0233】

［例４］
厚さが約５００ｎｍである純粋な（１１０）鉄ホイルを鏡面研磨（１１１）Ｓｉ上に配置した。Ｎ＋の窒素イオンを１００ｋｅＶに加速し、これらのホイルに垂直に、室温にて、約２×１０¹⁶／ｃｍ²、約５×１０¹⁶／ｃｍ²、約８×１０¹⁶／ｃｍ²及び約１×１０¹⁷／ｃｍ²の投与量で注入した。イオン注入した後に、注入されたホイルに対して２工程アニール工程を施した。第一の工程は窒素及びアルゴンの雰囲気中で約０．５時間、約５００℃でプレアニールした。プレアニール工程の後に、真空中で約４０時間、約１５０℃でポストアニール処理を行った。

【0234】

サンプルを同一の注入エネルギーであるが、異なる窒素流束に暴露した。図２２は、アニール前の鉄ホイル中の窒素深さプロファイルの例を示す線図である。窒素深さプロファイルは、深さミリング源としてＡｒ⁺を用いてオージェ電子分光（ＡＥＳ）により測定した。

【0235】

ホイル内部の窒素注入範囲を注入エネルギーによって決定した。図２２に示すように、異なる窒素流束を有する４つのサンプルは同一の注入範囲（約１６０ｎｍ）及び同一のピーク位置（約１００ｎｍ）を有する。これは、ＳＲＩＭによるシミュレーション結果と一致する。

【0236】

［例５］
厚さが約５００ｎｍである純粋な（１１０）鉄ホイルを鏡面研磨（１１１）Ｓｉ上に配置した。Ｎ＋の窒素イオンを１００ｋｅＶに加速し、これらのホイルに垂直に、室温にて、約２×１０¹⁶／ｃｍ²、約５×１０¹⁶／ｃｍ²、約８×１０¹⁶／ｃｍ²及び約１×１０¹⁷／ｃｍ²の投与量で注入した。イオン注入した後に、注入されたホイルに対して２工程アニール工程を施した。第一の工程は窒素及びアルゴンの雰囲気中で約０．５時間、約５００℃でプレアニールした。プレアニール工程の後に、真空中で約４０時間、約１５０℃でポストアニール処理を行った。

【0237】

図２３は異なる窒素流束に関するポストアニール後の鉄ホイル内の深さの関数としての窒素濃度を示す散布図である。図２３は、アニールされたホイル中の窒素濃度は各窒素流束に関して実質的に均一であることを示す。約８×１０¹⁶／ｃｍ²に対応する窒化鉄の窒素濃度分布は１１ａｔ．％に達しており、Fe₁₆N₂中の窒素の化学量論比に近い。

【0238】

［例６］
厚さが約５００ｎｍである純粋な（１１０）鉄ホイルを鏡面研磨（１１１）Ｓｉ上に配置した。Ｎ＋の窒素イオンを１００ｋｅＶに加速し、これらのホイルに垂直に、室温で、約２×１０¹⁶／ｃｍ²、約５×１０¹⁶／ｃｍ²、約８×１０¹⁶／ｃｍ²及び約１×１０¹⁷／ｃｍ²の投与量で注入した。イオン注入した後に、注入されたホイルに対して２工程アニールプロセスを施した。第一の工程は窒素及びアルゴンの雰囲気中で約０．５時間、約５００℃でプレアニールした。プレアニール工程の後に、真空中で約４０時間、約１５０℃でポストアニール処理を行った。

【0239】

ホイルサンプルの結晶構造を、Cu Ka線源を備えたSiemens D5005 X-線回折計（ＸＲＤ）を用いて特性化した。図２４は窒素イオンの約８×１０¹⁶／ｃｍ²流束を用いて形成されるホイルサンプルに関してアニール前及びアニール後に回収されたＸＲＤパターンを示す。アニール前のスペクトルに関して、シリコン基板Ｓｉ（１１１）以外に、ｂｃｃＦｅ（１１０）のピークが現れる。アニーリング後に、出現しているFe₁₆N₂（３３０）（図２４中に標記されていない）及び（２２０）ピークは、ｂｃｃＦｅの一部がFe₁₆N₂相に変態されたことを示す。図２４はまた、アニール後のFe₈N（３３０）ピークの強度の減少を示す。

【0240】

［例７］
厚さが約５００ｎｍである純粋な（１１０）鉄ホイルを鏡面研磨（１１１）Ｓｉ上に配置した。Ｎ＋の窒素イオンを１００ｋｅＶに加速し、これらのホイルに垂直に、室温で、約８×１０¹⁶／ｃｍ²の投与量で注入した。イオン注入した後に、注入されたホイルに対して２工程アニールプロセスを施した。第一の工程は窒素及びアルゴンの雰囲気中で約０．５時間、約５００℃でプレアニールした。プレアニール工程の後に、真空中で約４０時間、約１５０℃でポストアニール処理を行った。

【0241】

図２５は、イオン注入を用いて調製された窒化鉄ホイルの例についての磁化ｖｓ．保磁力のヒステリシスループである。Ｎ＋イオン注入の前に（図２５の曲線１８２）、鉄ホイルの磁性特性は鉄単結晶に期待されるようなものであり、残留磁化は飽和磁化（室温にて約２．０２Ｔ）とほぼ等しい。これは、面内方向に沿って横たわる容易軸を示す。イオン注入及びプレアニール工程の後に、飽和磁化は、鉄ホイルに比べて約７％増加した。ポストアニールした後に、飽和磁化は、鉄ホイルに比べて約１５％増加した。イオン注入、プレアニール及びポストアニールした後に、飽和場（Ｈｓ）は約５．３ｋＯｅに増加し、Fe₁₆N₂におけるｂｃｔ構造による垂直磁気異方性を示した。

【0242】

［例８］
厚さが約５００ｎｍである純粋な（１１０）鉄ホイルを鏡面研磨（１１１）Ｓｉ上に配置した。Ｎ＋の窒素イオンを１００ｋｅＶに加速し、これらのホイルに垂直に、室温で、約２×１０¹⁶／ｃｍ²、約５×１０¹⁶／ｃｍ²、約８×１０¹⁶／ｃｍ²及び約１×１０¹⁷／ｃｍ²の投与量で注入した。イオン注入した後に、注入されたホイルに対して２工程アニール工程を施した。第一の工程は窒素及びアルゴンの雰囲気中で約０．５時間、５００℃でプレアニールした。プレアニール工程の後に、真空中で約４０時間、約１５０℃でポストアニール処理を行った。

【0243】

アニールの前及び後のFeNホイル中の窒素の化学状態を決定するために、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）を用いて窒素結合エネルギーを試験した。図２６は、アニール処理の前及び後で窒素結合エネルギーを示す２つの線図を含む。アニール前のＮ^1sの結合エネルギーは約４０１ｅＶであり、中性状態と比較して正に荷電した状態を示す。これは、窒素が注入後にイオン化された（Ｎ＋）の状態のままであることを示す。窒素の結合エネルギーはアニール後に約３９７ｅＶにシフトし、負に帯電した状態に対応する。これは窒素がアニール後に鉄と結合したことを示唆する。

【0244】

［例９］
図１５〜１８に関して説明したとおり、窒化鉄サンプルは、歪ませた鉄サンプルを尿素に暴露することによって低温るつぼ技術を用いて調製した。尿素に暴露されている間に（鉄各１グラム当たり尿素１グラム）、鉄サンプルを約６６０℃の温度に約４時間加熱し、次いで、鉄サンプルを水冷した。

【0245】

鉄サンプルを、その後、ワイヤーに切断し、図１１に示した装置と同様の装置を用いて延伸した。３本のワイヤーを、異なる長さに歪ませ、歪みを歪みゲージを用いて決定した。第一のサンプルを約８３０ニュートン（Ｎ）の張力に供し、約２．５％の歪みをもたらした。第二のサンプルを約１３２８ Ｎの張力に供し、約４％の歪みをもたらした。第三のサンプルを約１６６０Ｎの張力に供し、約５％の歪みをもたらした。各サンプルを上記量で歪ませながら、約２０時間、約１５０℃でアニールした。

【0246】

３つのサンプルの結晶構造を、その後、CuKα線源を用いたSiemens D5005 Ｘ線回折計（ＸＲＤ）を用いて特性化した。図２７〜２９は３つの窒化鉄サンプルに関して収集したＸＲＤパターンを示す。図２７は２．５％まで歪んだサンプルについての結果を示している。ＸＲＤパターンは、Fe₁₆N₂（００２）、Fe₁₆N₂（３０１）及びFe₁₆N₂（００４）のピークを、他の窒化鉄（Fe₄N（１１１））、鉄（Fe（１１０）、Fe（２００）及びFe（２１１））、及び酸化鉄（Fe₃O₄）相のピークとともに含む。

【0247】

図２８は４％まで歪んだサンプルについての結果を示している。ＸＲＤパターンは、Fe₁₆N₂（００２）、Fe₁₆N₂（３０１）及びFe₁₆N₂（００４）のピークを、他の窒化鉄（Fe₄N（１１１））、鉄（Fe（１１０）、Fe（２００）及びFe（２１１））、及び酸化鉄（Fe₃O₄）相のピークとともに含む。

【0248】

図２９は５％まで歪んだサンプルについての結果を示している。ＸＲＤパターンは、Fe₁₆N₂（００２）及びFe₁₆N₂（００４）のピークを、他の窒化鉄（Fe₄N（１１１））、鉄（Fe（２００）及びFe（２１１））のピークとともに含む。

【0249】

図３０〜３２はアニール中に異なる歪み（２．５％、４％及び５％）に暴露された窒化鉄ワイヤーの例の磁化ｖｓ．保磁力のヒステリシスループである。ヒステリシスループを室温で測定した。図３０は、アニール後に、約２．５％の歪みに供したサンプルは約１３８ｅｍｕ/ｇの飽和磁化（Ｍｓ）及び約６６０Ｏｅの保磁力（Ｈｃ）を有することを示した。図３１は、アニール後に、約４％の歪みに供したサンプルは約１６５ｅｍｕ/ｇの飽和磁化（Ｍｓ）及び約７５０Ｏｅの保磁力（Ｈｃ）を有することを示した。図３２は、アニール後に、約４％の歪みに供したサンプルは約１７０ｅｍｕ/ｇの飽和磁化（Ｍｓ）及び約８００Ｏｅの保磁力（Ｈｃ）を有することを示した。

【0250】

［例１０］
厚さが約５００ｎｍである純粋な（１１０）鉄ホイルを鏡面研磨（１１１）Ｓｉ基板上に配置した。基板及び鉄ホイルの表面を事前にクリーニングした。ウエハボンダー(SB6, Karl Suss Wafer Bonder)を融着モードで４５０℃で３０分間用いて基板とホイルを直接的に結合した。図３３は（１１１）Ｓｉ基板に直接結合した鉄ホイルを示す例示の赤外線画像である。

【0251】

原子Ｎ＋のイオンを１００ｋｅＶに加速し、鉄ホイル中に垂直に、室温で、約２×１０¹⁶／ｃｍ²〜約５×１０¹⁷／ｃｍ²の流束範囲で注入した。サンプルを同一の注入エネルギーに暴露したが、異なる窒素流束であった。その後、注入されたホイルに対して２工程ポストアニールプロセスを施した。第一のアニール工程はＮ₂及びＡｒの混合雰囲気中で約３０分間、約５００℃でプレアニールした。プレアニール工程の後に、真空中で約４０時間、約１５０℃でポストアニールを行った。

【0252】

図３４は２工程アニールの前のイオン注入したサンプルに関する例示的な窒素深さプロファイルを示す図であり、深さミリング源としてのＡｒ⁺を用いたオージェ電子分光（ＡＥＳ）により測定した。図３４はそれぞれ約２×１０¹⁶／ｃｍ²、約８×１０¹⁶／ｃｍ²、約１×１０¹⁷／ｃｍ²及び５×１０¹⁷／ｃｍ²の注入流束を用いた４つのサンプルに関する、アニール前の窒素分布を示している。ホイル内部の窒素注入範囲は注入エネルギーによって決定される。図１に示すように、４つのサンプルは実質的に同一のインプラント範囲（約１６０ｎｍ）及び実質的に同一のピーク位置（約１００ｎｍ）を有する。これは、SRIMによるシミュレーション結果と一致している。

【0253】

図３５は２工程アニール後の例示の窒素深さプロファイルを示す図である。ホイル中の窒素濃度はアニール後のホイルの深さ全体にわたって実質的に均一に分布している。１×１０¹⁷／ｃｍ²の流束に対応する窒素濃度分布は約１１ａｔ．％であり、それはFe₁₆N₂中の窒素の化学量論比に近い。５×１０¹⁷／ｃｍ²の流束を用いたサンプルでは、窒素濃度は鉄中の達成可能な最大窒素溶解度を超えていた。

【0254】

ホイルサンプルの結晶構造はCuKα線源を用いたSiemens 5005 Ｘ線回折計（ＸＲＤ）を用いて特性化された。図３６はポストアニール後のＳｉ（１１１）基板上の異なる窒素流束を用いたホイルサンプルの例示のＸＲＤスペクトルを示す図である。Fe₁₆N₂相は、約２×１０¹⁶／ｃｍ²〜５×１０¹⁷／ｃｍ²で変化させたイオン流束を用いて試験した全ての条件で常に存在する。約２×１０¹⁶／ｃｍ²及び約８×１０¹⁶／ｃｍ²のイオン流束では、Fe₁₆N₂相窒化鉄のみが観測された。約１×１０¹⁷／ｃｍ²及び５×１０¹⁷／ｃｍ²の流束を用いたサンプルでは、窒素濃度が１１．１ａｔ．％より大きかったので、ε−窒化鉄（Fe₄N）ピークも観察された。FeSi（１１１）相はすべての流束で観測されることができ、これは鉄ケイ素化物界面が４５０℃の融着結合により現れることを示している。

【0255】

図３７は、種々の段階での約１×１０¹⁷／ｃｍ²の流束を用いて調製したサンプルの例示のヒステリシスループを示す図であり、それらは標準Ｎｉサンプルにより校正された振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用いてホイル面で室温にて測定した。３つＭ−Ｈループは、イオン注入の前、イオン注入及びプレアニール工程の後、ならびに、イオン注入後で、プレアニール及びポストアニールの両方の工程の後の同一のサンプルに対応する。イオン注入前の純粋な鉄ホイルでは、その磁気特性は、Fe（１１０）単結晶とよく一致している。その残留磁化値は４πΜｓの飽和磁化値に等しく、室温で約２．０２Ｔである。イオン注入及び５００℃の０．５時間のプレアニール工程の後のサンプルでは、飽和磁化は２．１５Ｔまで約７％増加する。一方、プレアニール工程後の残留磁化値は低下し、そして飽和場（Ｈｓ）は約１０００ Ｏｅまで増加し、これはプレアニール工程後にFe₈N相が存在することを示す。

【0256】

１５０℃で４０時間のポストアニール工程はサンプルのＭＨループを極端に変化させた。このことは図３６中に示すとおりのサンプル中のFe₁₆N₂相の形成とよく一致する。図３７で示されるように、硬磁性挙動は５．３ｋＯｅの飽和場で明らかに観察される。これは、Fe₁₆N₂中の体心正方（ｂｃｔ）構造による大きな結晶磁気異方性の存在と一貫する。また、飽和磁化の１５％の増加はこのサンプルで観測され、これはＶＳＭ試験誤差よりも大きい。絶対Ｍｓ値は、対照サンプル（出発単結晶鉄ホイル）の２．０２Ｔと比較して、２．３２Ｔまで増加する。ＸＲＤパターンは、図３６に示すように、サンプル中にFe及びFe₁₆N₂の混合相を明らかに含む。ＸＲＤパターンに基づく、このサンプル中のFe₁₆N₂相の積算体積比は約３５％である。したがって、このサンプル中のFe₁₆N₂相の飽和磁化は約２．９Ｔと計算される。この計算では、サンプル中のFeマトリックスはイオン注入及びアニールの前と同一の飽和磁化を有するものと想定され、そのことはイオン注入の前及び後で同じサンプルを使用したので理に適っている。

【0257】

５×１０¹⁷／ｃｍ²の流束を用いたサンプルでは、アニール前の磁気特性は図３７に示す結果と実質的に同様である。しかしながら、膜の磁気特性は、図３８及び３９に示されるように、ポストアニール後に有意に変化し、保持力、そして、そのため、最大エネルギー積は明らかに増加する。図３８は、ポストアニール後の５×１０¹⁷／ｃｍ²の流束を用いて調製したサンプルの例示のヒステリシスループを示す図である。膜の保磁力は１９１０ Ｏｅ、飽和磁化は２４５ｅｍｕ／ｇ、そしてエネルギー積（（ＢＨ）max）は約２０ ＭＧＯｅである。図３９は図３８に示す結果を得るために試験したフィルムの計算エネルギー積を示す図である。図３９は膜のエネルギー積の最大値が約２０ＭＧＯｅであることを示す。

【0258】

図４０は図３８及び３９に示す結果を得るために試験したフィルムの例示の高分解能透過電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）画像である。ＴＥＭサンプルは集束イオンビーム（ＦＩＢ）（FEI（商標）Hillsboro, Oregonから入手可能なFEI（商標）、Quanta 200 3D）によって表面に垂直にホイルを切断し、研磨することによって得た。図４０に示すように、サンプルは粒状構造からなる。サンプルの副次領域は異なる結晶構造に対応し、２．０２２ｎｍの格子縞距離を有する結晶構造はα”-Fe₁₆N₂（２２０）に対応し、１．８９７ｎｍ及び２．０２７ｎｍの格子縞距離を有するもう一方の結晶構造は、それぞれ、Fe₄N（２００）及びFe（１１０）に対応する。図４１は図４０に示す結果を得るために試験したサンプルのＸ線回折パターンを示す例示の画像である。

【0259】

様々な実施例を記載してきた。これら及び他の実施例は以下の特許請求の範囲内にある。

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図19】

【図20】

【図21A】

【図21B】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40】

【図41】

【図1】

【図2】

【図18】