2019 Fiscal Year Research-status Report
磁性ナノ微粒子分散キセロゲルを用いた光導波型ファラデー材料の創製と評価
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19K05015
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
中嶋 聖介 静岡大学, 工学部, 准教授 (40462709)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村井 俊介 京都大学, 工学研究科, 助教 (20378805)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | フェムト秒レーザー / キセロゲル / 磁性ナノ微粒子 / 亜鉛フェライト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、強磁性ナノ微粒子の分散したキセロゲルに対して、フェムト秒レーザープロセスを用いることで光導波路の導入を試み、高い性能指数を有する導波路型ファラデー材料を作製することである。今回、磁性ナノ微粒子の材料として、可視領域において高いファラデー効果の性能指数が期待できる亜鉛フェライト（ZnFe2O4）準安定相を用いることを検討した。スピネル型ZnFe2O4の安定相は、反強磁性を示す正スピネル型構造であるが、カチオン配列の乱れたランダムスピネル構造をとる場合、フェリ磁性的な高い磁化を示す。また、亜鉛（Zn）は可視域において吸収係数が小さいため、Fe3O4と比較してZnFe2O4は高い透光性をもち、より高い性能指数が期待できる。我々は、ZnFe2O4ナノ微粒子の分散したキセロゲルを作製するために、テトラエトキシシラン (TEOS)とアミノプロピルトリエトキシシラン (APS)の両方を検討した。TEOSを用いた手法では、出発溶液にZn及びFeのイオン源を加え、ゲル化後熱処理を行うことで、安定相ZnFe2O4ナノ粒子の析出を試みた。一方、APSを用いる場合では、ZnFe2O4ナノ微粒子を共沈法により作製し、これを出発溶液のゾルに加えた後、ゲル化させることで、ナノ微粒子の分散を試みた。TEOSを用いた方法では、比較的大きなナノ微粒子を得るために原料濃度を大きくする必要があり、多数析出したナノ微粒子のため、透光性が著しく損なわれた。これに対して、APSゲルでは低濃度でもゲル内に取り込まれることがわかったが、一部分解プロセスも起こることがわかった。得られたキセロゲルにフェムト秒レーザーを照射することで、内部に存在するZnFe2O4ナノ微粒子の準安定相化を試みたところ、室温においていずれの試料においても、僅かな磁化の増加を観測した。
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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
ゾル-ゲル法を用いて、ZnFe2O4ナノ微粒子が分散したシリカキセロゲルの作製を試みた。出発溶液の組成比はTEOS:H2O:EtOH = 1:6:1とした。乾燥した試料全体に対するZnFe2O4の質量比が0.05となるように、硝酸亜鉛、及び硝酸鉄（Ⅲ）の水溶液を秤量し、エタノールに混合したものを5分攪拌した。TEOSを加えてさらに1時間撹拌した後、溶液を容器に流し込み、30℃の乾燥機内でゲル化させた。このゲルに大気雰囲気中800～1000℃で12～48時間の熱処理を加えることでZnFe2O4ナノ微粒子を結晶化させ、ZnFe2O4ナノ微粒子分散キセロゲルを得た。熱処理温度の検討を行ったところ、高温の熱処理ほど、室温における磁化は小さいことがわかった。より低温の熱処理では、ZnFe2O4の結晶化が起こるものの、一部が準安定な構造となるため、相対的に大きな磁化を示したと考えられる。よって熱処理条件は熱処理温度を1000℃とし、十分な結晶化を達成するために保持時間を48時間とした。得られたキセロゲル試料に対して、フェムト秒レーザー照射を行い、超伝導量子干渉計による磁気測定を実施した。まず、レーザー照射を行った内部の領域では、明確な屈折率変化が誘起された。さらに、室温磁化の磁場依存性をレーザー照射前後で測定し、それらの差分をとるとフェリ磁性的な挙動がみられ、およそ4 kOe以上の磁場で磁化の飽和を確認した。これはレーザー照射領域におけるZnFe2O4ナノ微粒子に対して、安定相から準安定相への変化が誘起されたことを示唆している。また、照射後の試料を再度熱処理したところ、磁化の減少がみられ、安定相への変化が一部起こったと解釈できる。一方、APSを用いてナノ微粒子を分散させたキセロゲルについても、同様の磁化の増大がおこることを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今回、キセロゲルを作製するためにTEOSとAPSの二つのシリコンアルコキシドを検討した。その結果、どちらの試料においてもZnFe2O4ナノ微粒子を分散させることができたが、制御できるナノ微粒子の体積モル濃度範囲は小さく、今後いずれの手法が適しているかを十分に検討する必要があることがわかった。TEOSを用いた方法では、熱処理によって結晶化を進めるため、出発溶液中により高い濃度で原料イオンが含まれる必要がある。その結果得られたキセロゲルについてはナノ微粒子の体積濃度は高い傾向にある。この場合、試料の透過率は減少するため、内部へのレーザー照射を行うには適さないと考えられる。一方、APSを用いる方法では、先に作製したZnFe2O4ナノ微粒子をゾルに添加するが、用いる触媒の種類や、微粒子の表面状態によっては分解が進むと考えられ、仕込み濃度と比較して低い体積モル濃度となる傾向があった。そのため、粒子径が減少し、レーザー照射の効果が小さくなるのではないかと考えられる。今後は、各手法においてどの程度の範囲でナノ微粒子の濃度範囲を制御可能であるのかを検討し、その場合のレーザー照射により誘起される変化の大小を比較検討する必要がある。また、今回レーザー照射により磁化の増大がみられたことについて、実際にスピネル構造におけるカチオン配列のランダム化が誘起されているのかを様々な方法を用いて調査したいと考えている。例えば、透過電子顕微鏡を用いて、試料内部に析出したナノ微粒子を観測し、エネルギーロススペクトルを測定することで特定の原子周囲の局所構造解析を行うことができれば、ランダムスピネルである準安定相が得られたことに対する実証を得られるのではないかと期待している。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス流行のため、3月時に予定していた学会参加、及び研究打ち合わせ等の出張を行うことができなかったため。また、購入を予定していた光学部品についても上記理由のため、納期が年度内に調整することが不可能となり購入を断念したため。
次年度において、ウイルスに関する制限が解除され次第、研究打ち合わせのための出張を行い、予定していた物品についても速やかに購入する。
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Research Products
(4 results)
