2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of nanogranular transparent ferromagnetic material with new magneto-optical effect
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17H03420
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| Research Institution | Research Institute for Electromagnetic Materials |
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Principal Investigator |
小林 伸聖 公益財団法人電磁材料研究所, その他部局等, 研究員(移行) (70205475)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
薮上 信 東北学院大学, 工学部, 教授 (00302232)
池田 賢司 公益財団法人電磁材料研究所, その他部局, 研究員(移行) (40769569)
増本 博 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 教授 (50209459)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ナノグラニュラー / 磁気光学効果 / ファラデー効果 / 磁性薄膜 / 磁気誘電効果 / 多機能性 / 透明強磁性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ナノグラニュラー膜は、nmサイズの磁性金属グラニュールがマトリックス中にほぼ均一に分散したナノ構造を有する。その磁気光学効果などの機能性は、グラニュールおよびマトリックスを構成する物質などの膜組成、また、グラニュールの粒径、粒径分布、分散状態、結晶構造、マトリックスの結晶性や配向、さらには、グラニュールとマトリックスの界面構造や状態によって大きく変化する。このように、ナノグラニュラー膜の磁気光学効果を制御するための要素は非常に多い。しかし、我々の研究グループによるこれまでのナノグラニュラー膜の磁性や電気伝導に関する研究実績から、既に作製条件と膜構造についての多くのデータの蓄積がある。本研究では、これらの実績を踏まえてさらに発展させ、膜組成の拡張および成膜条件の詳細な検討によって、新しい磁気光学効果の発現と、その物性メカニズムの解明を目的としている。
本年度は、組成系を拡張して検討した結果、FeCo-(Al,Y)F膜において、YIGなどの従来材料に比べて大きなファラデー効果を有することを見出した。特に、FeCo-YF膜においては、光通信に用いられる波長(1550 nm)において、現在最も多く使われている磁気光学材料であるBi-YIGの約40倍もの巨大なファラデー回転角が得られた。さらに、グラニュールを構成するFe,Coの磁気モーメントを第一原理計算によって検討したところ、マトリックスとの界面付近の磁性元素の軌道磁気モーメントが増大していることが分かった。一般的にナノグラニュラーのような複相構造体では，その磁気光学効果はMaxwell-Garnett モデルで説明できることから、軌道磁気モーメントの増大とMaxwell-Garnett モデルの両方を取り入れることにより、ナノグラニュラー膜の巨大ファラデー回転角とその波長委依存性に付いて定性的に説明することができた。
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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
ナノグラニュラー薄膜において、目的として掲げている磁気光学効果を見出すことに成功した。具体的には、FeCo-(Al,Y)F膜において、YIGなどの従来材料に比べて大きなファラデー効果を有することを見出すことができた。さらに、この巨大ファラデー効果のメカニズムを明らかにするために、グラニュールを構成するFe,Coの磁気モーメントを第一原理計算によって検討したところ、マトリックスとの界面付近の磁性元素の軌道磁気モーメントが増大しており、さらにMaxwell-Garnett モデルを取り入れることによって、ナノグラニュラー膜の巨大ファラデー回転角とその波長委依存性に付いて理論的にに説明することができた。この知見は、本研究を推進するにあたり、さらに大きなファラデー効果を有するナノグラニュラー薄膜の材料設計に活用できるものである。尚、本成果をScientific Reportsに発表した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に得られた知見を基に、ナノグラニュラー膜の組成および作製条件と、得られた薄膜試料の構造および諸特性の関係を整理する。これをもとに試料作製にフィードバックすることによって、さらに高い磁気光学特性を有するナノグラニュラー膜合成のための方針を確立する。さらに、対象とする膜組成の選択範囲を拡大して、磁性ナノグラニュールに異方性磁界が大きく粒径が小さくとも強磁性を示すことが期待できるFe-Pt,Co-Pt合金、さらには磁気光学特性を考慮し、磁性を有し大きなファラデー効果が期待できる希土類系フッ化物YF3，GdF3 をマトリックスとしたナノグラニュラー膜の試作を継続して行う。
また、来年度において研究が想定通りに進捗しなかった場合は、本年度の結果を改めて精査し、組成系の拡張を延期して、FeCo-AlF膜に立ち返り、最適組成および最適作製条件の再検討を行。一方、予定通りに進捗し、応用に堪える材料が見いだされた場合は、大電流用磁気センサへ等への適用を検討する。
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