クラスター集合体高機能磁性材料の創製

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08505004
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 隅山 兼治 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (70101243)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田上 勝通 日本電気株式会社, 機能デバイス研究所, 主幹研究員 ; 櫻井 雅樹 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (80235225) ; 今野 豊彦 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (90260447) ; 神山 智明 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (90005926) ; 鈴木 謙爾 東北大学, 金属材料研究所, 名誉教授 (10005861)
• Keywords: ナノクラスター / レーザー蒸発 / 飛行時間型質量分析 / 自由クラスター / クラスター集合体 / 磁性材料 / 磁気抵抗効果 / 磁気光学効果

Research Abstract

本研究計画では、原子、分子と巨視的物質の狭間にあり、機能発現の最小単位(素機能単位)に匹敵するナノ尺度クラスターからの機能材料創製のための基盤を確立することをめざした。具体的には、クラスターを高効率で発生させる装置の試作、クラスターサイズの単分散化、質量分析と安定・集合化、クラスター集合体の構造解析、組織観察、磁気・電気・光学特性の解明を行った。
本年度の主な研究成果は、次ぎの通りである。1) レーザー蒸発クラスター発生源の冷却用HeガスにO_2ガスを混合し、Fe酸化物クラスター形成過程を質量分析法により調べた。Fe_<13>O_8、Fe_<43>O_<20>などFe原子で構成されるfccクラスターの表面をOが対称的に覆うような構造のクラスターが安定化されること、分子軌道法に基づく第一原理計算.によっても、同程度のサイズで異なる構造のFe_mO_nに比べて、Fe_<13>O_8クラスターが安定であることが確認された。
2) プラズマ・ガス中凝縮クラスター堆積装置を用いて作製したサイズ6-13nmのCoクラスターの磁気特性を測定し、超常磁性/強磁性転移が平均サイズ約9nmで生じることが判明した。
3) Coクラスターを形成後に表面酸化し、CoO被覆Coクラスターの集合体膜を作製した。この薄膜は、大きなトンネル型磁気抵抗効果を示すこと、対数表示した電気伝導度の温度変化がT^<-1>となり、サイズや酸化皮膜の厚さが均一であることを示唆している。
4) CoCr合金クラスターの基板堆積過程について、磁気光学カー効果その場観察を行い、透過電子顕微鏡組織観察の結果と比較した。クラスターが大きい方が連続膜になり難く、単磁区粒子に特有の磁化過程が観測される膜厚域が広がることが、明らかになった。

Research Products

• [Publications] S.Yamamuro: "Nanometric Cr Cluster Formation by Plasma-Gas-Aggregation." AIP Conf.Proc.416. 491-494 (1998)
• [Publications] H.Liu: "Magnetic Viscosity of Fine Maghemite Clusters Prepared by Electrochemical Method" Phys.Stat.Sol.(a). 169. 153-160 (1998)
• [Publications] T.Hihara: "Formation and Size Control of a Ni Cluster by Plasma Gas Condensation" J.Appl.Phys.84. 5270-5276 (1998)
• [Publications] S.Yamamuro: "Cr Cluster Deposition by Plasma-Gas-Condensation Method" Supramolecular Sci.5. 239-245 (1998)
• [Publications] M.Sakurai: "Magic Numbers in Fe clusters Produced Laser Vaporization Source" J.Phys.Soc.Jpn.67. 2571-2573 (1998)
• [Publications] S.Yamamuro: "Monodispersed Cr cluster Formation by Plasma-Gas-Condensation" J.Appl.Phys.85. 483-489 (1999)
• [Publications] S.Yamamuro: "Size-Dependent Nonuniversal Conductivity in Nanometer-Size Co Cluster Assemblies" J.Phys.Soc.Jpn.68. 28-31 (1999)
• [Publications] D.L.Peng: "Characteristic Tunnel-Type Conductivity and Magnetoresistance in A CoO-Coated Monodispersive Co Cluster Assembly" Appl.Phys.Lett.74. 76-78 (1999)
• [Publications] S.Yamamuro: "Morphological and Magnetic Characteristics of Monodispersed Co-Cluster Assemblies" J.Appl.Phys.press.
• [Publications] S.Yamamuro: "Geometrical and Electrical Percolation in Nanometre-Sized Co-Cluster Assemblies" J.Phys.Cond.Mat.in press.
• [Publications] D.L.Peng: "Preparation and Magnetic Properties of Oxide-Coated Monodispersive Co Cluster Assembly" Phys.Stat.Sol.(a).in press.
• [Publications] T.Hihara: "Study on Co-Cr Alloy Cluster Assembling Process by Magneto-Optical Kerr Effect" Phys.Stat.Sol.(a).in press.
• [Publications] T.Hihara: "Large Nb-Cluster Detection by a Time-of-Flight High-Mass Spectrometer.Study on a Plasma Gas Condensation Cluster Source." J.Appl.Phys.in press.
• [Publications] D.L.Peng: "Characteristic Transport properties of CoO-Coated Monodispersive Co Cluster Assemblies." submitted to Phys.Rev.B.
• [Publications] M.Sakurai: "Magic Numbers in Transition Metal(Fe,Ti,Zr,Nb,and Ta)Clusters Observed by Time-of-Flight Mass Spectrometry" submitted to Chem.Phys.
• [Publications] M.Sakurai: "Magic Size Iron-Oxide Cluster,Fe_<13>O_8,Formed with a Reactive Laser Vaporization Cluster Source." submitted to Phys.Rev.Lett.
• [Publications] 櫻井雅樹: "遷移金属自由クラスターにおけるマジックナンバー" 超微粒子とクラスター懇談会 第2回研究会, 3 (1998)
• [Publications] 隅山兼治: "金属クラスター集合体の創製をめざして" 金属(アグネ)68, 7 (1998)
• [Publications] F.Itoh: "CMXD of Co Cluster" Photon Factory Activity Report 1997,Part B, 1 (1998)