| Project/Area Number |
19H05612
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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Broad Section C
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
佐久間 昭正 東北大学, 工学研究科, シニア研究員 (30361124)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
土井 正晶 東北学院大学, 工学部, 教授 (10237167)
飛世 正博 東北大学, 工学研究科, 学術研究員 (30766762)
吉村 哲 秋田大学, 理工学研究科, 教授 (40419429)
齊藤 伸 東北大学, 工学研究科, 教授 (50344700)
福島 潤 東北大学, 工学研究科, 助教 (80634063)
小田 洋平 福島工業高等専門学校, 一般教科, 准教授 (80751875)
三浦 大介 秋田工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (90708455)
栂 裕太 東京大学, 物性研究所, 特任研究員 (70641231)
村上 泰斗 東北大学, 工学研究科, 助教 (60846509)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥190,320,000 (Direct Cost: ¥146,400,000、Indirect Cost: ¥43,920,000)
Fiscal Year 2022: ¥31,330,000 (Direct Cost: ¥24,100,000、Indirect Cost: ¥7,230,000)
Fiscal Year 2021: ¥43,810,000 (Direct Cost: ¥33,700,000、Indirect Cost: ¥10,110,000)
Fiscal Year 2020: ¥50,440,000 (Direct Cost: ¥38,800,000、Indirect Cost: ¥11,640,000)
Fiscal Year 2019: ¥32,890,000 (Direct Cost: ¥25,300,000、Indirect Cost: ¥7,590,000)
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| Keywords | 磁石 / レアアースフリー / 第一原理計算 / 固相気相反応 / 窒化鉄 / レアースフリー / 磁性材料 / 希土類 / 軽元素 / ハード磁性材料 / 永久磁石 / 希土類フリー / レアアース / Mn合金 |
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| Outline of Research at the Start |
希土類フリー磁石材料の開発は、我が国のエネルギー戦略における最重要テーマの一つである。軽元素（H,C,O,N）を利用した新しい物質合成法の反応メカニズムを解明するとともに、軽元素がFe合金の磁性に与える影響を理論計算によって解析する。具体的には、出発物質であるFe合金にH、C、O、Nを導入、脱離させることによって酸化物、窒化物等の中間物質を経由させ最終的にこれらの軽元素を含んだ物質を合成する方法に関してその反応メカニズムを解明する。理論計算から導かれる物性とこの新しい物質合成法と組み合わせることにより軽元素を含む希土類フリー磁石の材料設計指針を導出する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
1. 軽元素を利用した新しい物質合成法のメカニズム解明：α-(Fe、M)OOH (M＝Al、V、Cr、Mn、Ni)を出発原料とするα”-Fe16N2の合成プロセスにおいて、α”相の生成のしやすさはM元素によって変わること、窒化温度のみならず還元温度の影響を受けること、そして、α”相が生成するためにはα-(Fe、M)の結晶子の大きさは50 nm以下の必要があることを明らかにした。
2. 新しい物質合成法の深耕と応用：Fe-Mn系合金の薄膜実験により、層厚の減少によって磁気容易軸が面内から面直に転移し、高磁気異方性Ku ＞2.0 MJ/m、高飽和磁化Bs約1.1 Tを確認した。歪導入によるフェリ磁性からフェロ磁性への磁気相転移を示唆している。反応性パルスDCスパッタリング法はα”相の合成率向上に有利であることを明らかにした。また、2.45 GHz 電磁界集中型マイクロ波照射装置によりFe3O4の結晶子サイズが低減していることが明らかとなった。
3. 理論計算による希土類フリー磁石材料の設計指針導出：Fe-Co-X (X=N, C)合金の磁化、交換相互作用および磁気異方性エネルギー（MAE）の組成依存性や原子配置の規則・不規則性の影響について評価を行った。Fe8Nの4dサイトのFeをCoで25 ％置換した場合、希土類磁石のMAEと同程度の3MJ/m3を取ることがわかった。一方、遍歴電子磁性体のMAEの温度依存性に関しては、局在スピンモデルを用いて適切に表現できる有効スピンハミルトニアンを見出し、2元合金のMAEの温度依存性の記述に成功した。更に、L10型FeNi合金に対する第一原理計算から、有効スピンハミルトニアンの妥当性を検証した。また、遍歴電子磁性体を電子論の立場から行った計算により、スピン軌道相互作用の強さによって遍歴電子系特有の温度依存性が現れることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
【研究目的1】軽元素 (H, C, O, N) を用いて中間物質を合成し、続いて軽元素を除去あるいは別の軽元素で置換する新しい物質合成法の固相-気相反応メカニズムの解明：新型コロナウイルスの影響を受け実験に遅れが生じたが、軽元素侵入型化合物の合成について重要な知見が得られている。侵入型化合物を合成するための、金属学的組織についての必要条件や、中間物質を経由した場合の、元素濃度について重要な知見が得られており、今後の新物質合成にたいへん有用な結果を得たと考えている。
【研究目的2】軽元素を含むFe合金およびその規則配列が磁気特性に及ぼす影響の理論計算に基づいた希土類フリー磁石材料の設計指針の導出：絶対零度における磁気異方性MAEを高精度かつ高速に評価できる計算技術を確立でき、本研究テーマの課題の一つであるFe-Co-X, Fe-Ni-X系合金のMAEの評価を大幅に加速した。その結果、Fe-Co-X, Fe-Ni-X系合金のMAEの規則度依存性や置換サイト依存性などに関する詳細かつ高精度な情報を得ることができた。いずれも結果が出たばかりでまだ成果の発表に至っていない点での若干の遅れを認識している。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終的な研究目的である「導出された指針に基づき設計した希土類フリー磁石材料の新しい物質合成法による創製」は今後の研究成果によるものであるが、オンラインを併用した研究推進会議を通じて、理論グループと実験グループとの連携も順調に進んでいるので、この好循環の状況を今後も継続する。また材料合成に顕著な成果を挙げてきた若手研究者が2021年から分担者として加わることになった。理論グループから材料設計指針も提示されつつあり、それを実現するためにこれまで実験で得られた知見を活かして「新材料のバルク合成」に邁進する。
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| Assessment Rating |
Interim Assessment Comments (Rating)
A-: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress in research has been made on the whole though a part of it has been delayed.
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