新機能材料創生部門

電気磁気材料分野の研究開発

ナノグラニュラー薄膜

本分野では、本法人が独自に開発した「ナノグラニュラー薄膜」を一層発展させるため、新しいメカニズムに基づく電磁気効果による多機能性を持つ新たな複合機能材料の創生を行っています。ナノグラニュラー薄膜とは、図1に示すように、nm(ナノメートル:10-9m)サイズの磁性金属粒子が絶縁体のマトリックス中に均一に分散した薄膜材料です。
この材料は、膜中の金属と絶縁体の比率に応じて高周波軟磁気特性、トンネル型磁気抵抗効果、さらには光透過性と磁気ー光学効果など、様々な機能性を示します。

トンネル磁気-誘電効果(TMD)

ナノグラニュラー薄膜において観測される磁気-誘電効果は、本分野の研究で世界に先駆け見出されたもので、ナノグラニュラー構造による量子効果、すなわち一対の粒子間のトンネル伝導による電気分極に起因したトンネル磁気-誘電効果(TMD effect:図2)によるものです。ナノグラニュラー薄膜の磁気-誘電効果は、常温において発現することが大きな特徴です。また、トンネル伝導によって電気分極を形成するため、磁性粒子間の間隔に応じて電気分極の形成しやすさが変化します。

磁気-誘電効果の高周波特性

磁性粒子間のトンネル伝導の確率を高め、電気分極を形成しやすくすると、高い周波数まで誘電性を維持することが可能になります。図3に示すように、磁性金属の比率が高くなると粒子間の間隔が狭くなるため、高周波数帯域においても高い誘電率が得られるようになります。今後この研究が進めば、従来別々の受信機を必要とした携帯電話などの高周波無線通信を一つの機器で受信することが可能となり、より小さい機器の開発に寄与すると考えています。また、従来にない新しい特性を持つ機能材料であることから、微小電池や高周波高誘電率デバイスなどの新たな有用な用途も考えられます。

磁気ー光学効果

ナノグラニュラー膜のマトッリクスを形成するMgF2、BaF2、AlF3等のフッ化物結晶は、光透過性に優れレンズ等の光学用材料として広く用いられています。一方、FeCo合金は、最も大きな磁化を有する強磁性合金であり、その粒径が10nmを超える場合、室温において超常磁性臨界直径より大きいため、膜中でも強磁性を示します。また、粒径が10nm程度というのは、光波長に比べて非常に小さいことから、ナノグラニュラー膜は光透過性を有します。図4は、膜厚が約1μmのFeCo-AlF膜の一例ですが、膜背面の文字がはっきりと透けて見えていることが分かります。この膜は同時に強磁性を示し(図5)、透明な強磁性体です。ナノグラニュラー膜の光透過性と磁気特性の挙動は、単純にはFeCoグラニュールが強磁性の起源であり、AlF3マトリックスが光透過性に寄与していると説明することができます。
透明な磁性体であることから、ナノグラニュラー膜はファラデー効果を示します。ファラデー効果とは、磁性体に加えた磁界に平行方向に入射する光の偏光面が、磁性体を透過する際に回転する現象のことです(図6)。ナノグラニュラー膜のファラデー効果を詳細に検討した結果、ナノグラニュラー膜のファラデー回転角は、従来材(Bi-YIG)に比べていずれも極めて大きく、特に光通信に用いられる波長(1,550nm)では、Fe2lCo>14Y24F41膜は約40倍もの大きな値を有します(表1)。

表1:ナノグラニュラー膜と実用材料(Bi-YIG)のファラデー回転角の比較

光機能材料分野の研究開発

サステナブル社会の実現に向けて、自然エネルギーの積極的な利用や希少元素を使わない材料体系の構築が求められています。本分野では、これらの課題に対し革新的な光機能材料の開発を通じて貢献することを目指し研究に取り組んでいます。具体的には、「半導体ナノコンポジット薄膜」と「鉄酸化物薄膜」に着目し、独自に考案したアプローチで薄膜合成を行っています。

半導体ナノコンポジット薄膜

2種類以上の半導体から構成される薄膜で、単独の半導体では得られない特性を発現することができます。禁制帯幅の小さい半導体を、禁制帯幅の大きな半導体マトリックスで包みナノスケールまで微小化すると、見かけ上の禁制帯幅が増加します。もしこの禁制帯幅の小さい半導体のサイズを太陽光の最も強度の強い波長に調整できれば、光を効率よく電気に変えることが可能になります。本分野では、独自のワンステップ成膜法を開発してこの薄膜合成に取り組んでいます。例えば、InSbとGeを禁制帯幅の大きなZnOに共添加すると、Geが選択的にZnO固溶して低電気抵抗化し、相分離したInSbがナノスケール化する薄膜が得られます(図7)。

鉄酸化物薄膜

鉄酸化物は、酸化の度合いに応じて様々な化合物に変化することが知られています。特に、ありふれた元素である「鉄」は、希少元素フリーの観点から魅力的です。しかし、鉄酸化物は、「酸化に弱い」、「作り方が複雑」等の課題を抱えていました。本分野では、特定の元素を微量添加することで課題を解決する取り組みを行っています。例えば、強磁性体であるFe3O4は、比較的容易に酸化され磁化を失うという問題がありました(図8:約1日で磁化が消失)。これに対し、Geを微量添加すると500日保持しても比較的高い磁化を保持し、優れた耐酸化性を発現します。また、この薄膜は、熱処理で二層構造化し、光応答性も発現します。

複合機能材料分野の研究開発

レアメタルフリーの超高密度磁気記録媒体材料への展開

逆スピネル構造を有するマグネタイトは、フェライトの中で最も大きな飽和磁化6kG を持つ強磁性体であると同時に、完全スピン分極したハーフメタル特性、およびレアメタルを全く含まないにも関わらず非常に大きな異常ホール効果を示すため、磁気センサあるいはメモリなどへの応用の可能性が期待されます。また、エピタキシャル成長に伴う整合ひずみによる格子変形によってNd2Fe14B に匹敵する107erg/ccオーダの磁気異方性の実現も理論的に予想されるため、レアメタルフリーの超高密度磁気記録媒体材料への展開も期待されます。
このような応用につながるマグネタイトの物性を薄膜の形態で最大限引き出すため、本分野では、良好な結晶性が得られる各種単結晶基板上へのエピタキシャル薄膜合成の研究を、スパッタリング法によって実施しています。

マグネタイトの研究と展開

図9にはミスフィットが0.3%と比較的小さなMgO(100)基板上に成長したFe3O4薄膜のロッキングカーブを示します。この図から、Fe3O4薄膜は、基板と同等の50arcsecオーダの半値幅を有しており、化合物半導体エピタキシャル薄膜と同等の高い結晶性が得られていることがわかります。
図10に、Fe3O4/MgO(100)エピタキシャル薄膜の室温におけるホール抵抗率ρxyの膜厚依存性を示しますが、Fe3O4薄膜のホール抵抗率は膜厚の減少とともに増加し、最大でFeと比較して200倍以上大きい30μΩcmを超える値が得られております。
上述したマグネタイトの研究以外にも、本分野ではテスラオーダの高保磁力、最大300GHzを超える高磁気共鳴周波数、および室温マルチフェロイック特性を示し注目されているε-Fe2O3相のエピタキシャル薄膜合成にも取り組んでいます。
また、写真1に示すように、ハイパーサーミアなど医療用途が期待される磁性鉄酸化物のナノ粒子コロイド合成の研究も、エキシマレーザを用いた液中アブレーション法によって始めております。

お問い合わせ

ご不明な点やご要望は、FAQ(~について)またはお問い合わせのページをご覧ください。