メカニカルアロイング法による新規スキルミオン物質の創製

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04679
• Research Institution: Akita University
• Principal Investigator: 肖 英紀 (肖英紀) 秋田大学, 理工学研究科, 講師 (10719678)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: スキルミオン / 合金 / 磁性

Outline of Annual Research Achievements

磁気スキルミオンはナノスケールの渦状磁気構造であり、これを1ビットとした次世代磁気記録デバイスの可能性が示唆されている。スキルミオンは、反転対称性を破った結晶物質や薄膜系で続々見出されており、さらに多くの物質系でスキルミオンが形成する可能性が高まっている。また、デバイスを想定したナノスケール空間におけるスキルミオンの性質の解明が求められている。そこで本研究は、より幅広い物質選択を可能にし、かつ簡便にナノ空間を形成できる手法として、メカニカルアロイング法をスキルミオン物質探索に応用した。本研究の結果、従来高圧合成を必要とした種々のB20型化合物のボールミルによる合成法を確立した。出発原料(純金属粉末あるいはアーク溶解合金)およびボールミル条件(回転数、ミリング時間、原料対粉砕ボール重量比)による生成物の変化を系統的に調べ、FeGeをはじめ種々のB20型化合物が得られる最適条件を得た。また、得られたB20型化合物粉末を焼結することにより、バルク化が可能であることを確認した。得られたB20型化合物は、高圧合成により作製したB20型化合物の磁性を再現した。透過型電子顕微鏡観察から、ボールミル直後のB20型化合物粉末の結晶粒径はおよそ20nmであり、熱処理によって数100nmに亘って粗大化することを確認した。典型的なB20型化合物FeGeのスキルミオンサイズがおよそ70nmであることから、スキルミオンサイズと比較して大小様々な結晶粒を制御できることがわかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初研究計画通り、メカニカルアロイング法によりB20型化合物の合成法を確立した。既に高圧合成によって得られているFeGeやMnGe等の典型的なB20型化合物の合成だけでなく、いくつかの3元系B20型化合物の合成に成功していることから、概ね順調に進展していると言える。さらに、熱処理条件によって結晶粒径を制御できることを確認しており、種々のサイズをもつ結晶粒におけるスキルミオン形成を調べる見通しが立っている。スキルミオン観察のための薄片試料の作製に着手している段階である。

Strategy for Future Research Activity

H31年度は、H30年度に得られた結晶粒径の異なる種々のB20型化合物のナノ結晶組織ならびにその中での磁気スキルミオンの状態を走査透過型電子顕微鏡により観察する。これにより、結晶粒サイズが小さくなるとスキルミオンの構造、安定性や挙動がどのように変化するのか、スキルミオン形成が見られなくなる臨界結晶粒径が存在するのかを実験的に明らかにする。並行して、H30年度から引き続き種々の元素置換により新規な3元系B20型合金をボールミルにより探索する。