透磁率の複素イメージング：磁性ナノ粒子内部の磁気共鳴動力学へのアクセス
| Project/Area Number |
20K21115
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
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| Research Institution | Akita University |
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Principal Investigator |
木下 幸則 秋田大学, 理工学研究科, 講師 (10635501)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
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| Keywords | 原子間力顕微鏡 / 磁気力顕微鏡 / ナノ磁性微粒子 / 磁気共鳴 / 水晶振動子 / マイクロ波 / ナノ磁性体 / 透磁率 / 高周波導波 / ナノ磁性粒 / インピーダンス / 複素分解 / 磁性ナノ粒子 |
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| Outline of Research at the Start |
磁化の歳差運動である磁気共鳴現象は超高速・低電力磁気メモリ等の次世代磁気デバイスの実現に不可欠で重要な力学的現象であり、高周波の磁場に対する共鳴磁化の追従成分と遅れ成分からなる複素透磁率がデバイス性能を決める。本研究では、磁性体へのマイクロ波導波を用いて磁気的な力を電気的に補足する手法を開発し、ギガHz帯での磁性体の透磁率を複素量で捉えてナノレベルの空間分解能で可視化する磁気イメージングを実現させ、種々の配置状態にある磁性ナノ粒子の磁気共鳴の動力学を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は導電性の磁性探針に直接マイクロ波を電気的に導波して、磁性探針と試料表面の共鳴磁化の間に働く磁気的相互作用力を反射係数などの電気的なインピーダンスで計測する新たな磁気力顕微鏡法を開発することを目的とする。今年度は、マイクロ波導波に関する項目を主として以下の２項目を実施した。
(1)マイクロ波導波用の電極パターンの最適化
昨年度に、音叉型の水晶振動子に導波するマイクロ波に低周波の変調を加えると水晶振動子の圧電性によって振動が発生することが判明した。今年度は、この対策としてマイクロ波の変調に水晶振動子が応答しにくい電極パターンを有限要素法によって網羅的に調査した。結果、振動応答の影響をある程度抑制できるパターンを見出した。このパターンではマイクロ波導波用の電極ライン（信号線と接地線）が非対称であり、配置上マイクロ波の低周波の変調に起因する振動が入りにくい（完全には抑制できない）一方で、導波されたマイクロ波の共鳴周波数は、波導波路の線路長から計算した値と実測値でずれるため、マイクロ波のパワーが下がる。このパワーの低下に対しては、マイクロ波発振器と水晶振動子の間にインピーダンスマッチング回路を設置して回路定数を調整することによって導波路の電気長を変えることで、完全では無いが低下分を回復できることを実験で確認した。
(2)水晶振動子の変位検出系の改良
マイクロ波導波系の変更は、探針と磁性体試料の間に作用する磁気力の検出感度を幾分か下げる結果となる。この分を補うために、水晶振動子の変位検出の方式を改良した。具体的には、現状で採用している光てこ方式に関して、水晶振動子からの反射光を検出するフォトダイオードへ入る不要光を低減した光路系を作製しノイズを低減させた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
今年度の最も重要な課題は、昨年度からの遅延および研究期間の延長の原因であった、「マイクロ波変調に伴う水晶振動子への振動誘起」を解決し、磁性微粒子の電気的なイメージングを実施することであった。導波路の振動誘起の問題は概ね解決できた一方で、年度中盤からの新型コロナ感染に伴う研究遂行に必要なマンパワーの不足が生じ、イメージングに関しては試料準備に留まり、予定していたイメージングの条件出しと磁気像取得、解析にまで到達できなかった。この理由により、進捗は遅れていると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
24年度は、まず、23年度に改良したマイクロ波導波系の磁気力顕微鏡への組み込み・調整を実施し、磁性微粒子の磁気イメージング実施につなげる。手順としては、マイクロ波のパワーと低周波の変調周波数と変調度を調整したのち、マクロな磁場発生源で磁気力の感度を確認し、磁性微粒子のイメージングに移行する。マイクロ波のパワーと変調周波数、変調度の調整では、水晶振動子に混入する振動を最小化しつつ、水晶振動子は高次共振モードも含めてマイクロ波の影響が入りにくい共振振動モードを選定する。磁性微粒子のイメージングでは、電気的なインピーダンスとともに、水晶振動子の共振シフトから導かれる磁気力の定量値のマップ値を比較・解析する。
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Report
(4 results)
Research Products
(3 results)
