2021 Fiscal Year Annual Research Report
トンネル磁気誘電効果を有するナノ複相構造薄膜の新機能生体センサーの展開
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20H02447
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
薮上 信 東北大学, 医工学研究科, 教授 (00302232)
曹 洋 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (50804598)
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)
青木 英恵 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (60733920)
佐々木 啓一 東北大学, 歯学研究科, 教授 (30178644)
鈴木 治 東北大学, 歯学研究科, 教授 (60374948)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ナノ複相構造薄膜 / 新機能物性材料 / トンネル磁気誘電効果 / 生体親和性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究グループは、磁性ナノ粒子（直径約数nm）が誘電体セラミックス中に均一に分散した薄膜である磁性体－誘電体ナノ複相構造薄膜を作製し、これまでに報告例の無い新しい機能変換材料である『トンネル磁気誘電（Tunneling Magneto-Dielectric:TMR）効果」（磁場を印加すると材料の誘電率が磁場の強さに応じて変化する現象。室温で動作する。本研究グループで命名）』を見いだした。本研究は、このTMD効果の特性向上や原理の究明といった基礎研究を進めるとともに、新しい生体センサーの応用研究という次の段階にステップアップするための基盤的研究を行うことを目的としている。
今年度の成果として、①誘電体マトリックスとして用いるフッ化物（MgF2やBaF2）材料として、新たにSrF2に着目し、共スパッタリング法による高結晶化フッ化ストロンチウム－コバルトナノ複合薄膜の合成を実現し、理論に基づき、マトリックスの結晶化度を上げることでより高いトンネリング磁気誘電効果を得ることに成功した。②誘電体マトリックスとしてフッ化物に代わり各種酸化物を用いたナノ複相構造薄膜（Co-Al2O3、Co-MgO、Co-Ta2O5）を作製し、膜の電気抵抗のCo組成依存性がTMD特性と密接に関連していることを突き止めた。③これまでの磁性体－誘電体ナノ複相構造薄膜では、磁性体はおよそ球体ナノ粒子であったが、扁平ナノ粒子を作製することにより異方性を向上させて、膜の方向によりTMD特性を制御する手法を考案した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究グループが発見した新しい機能変換材料である『トンネル磁気誘電(TMD)効果』を有するナノ複相構造薄膜を用いて、今年度は研究実施計画に則り磁気誘電センサに向けて最適かつ新しい材料の組み合わせおよび構造を見つけるために、「ナノ複相構造薄膜の作製」、「ナノ複相構造薄膜の基礎物性評価」、「生体親和性の評価」に関して取り組んだ。フッ化物、酸化物など各種マトリックス材料の使用に挑戦するとともに、磁性ナノ粒子に関しては、その形が球形だけでなく扁平構造など異方性の付与を考慮した新しい構造のナノ複相薄膜の作製に取り組みTMD効果の特性向上や新機能の付与に関して３つの成果を得ている。
１つめは、新たな誘電体マトリックスへの挑戦として、フッ化物材料であるSrF2、および、各種酸化物（Al2O3,MgO,Ta2O5）に着目し、ナノ複相構造薄膜を作製した。前者では、高結晶化Co-SrF2ナノ複合薄膜の合成を実現し、マトリックスの結晶化度を上げることでより高いトンネリング磁気誘電効果を得ることに成功し、メカニズム理論の正確性と実現可能性を実証した。本研究成果は「AIP Advances」の優れた論文の1つとして、「Featured Article」に選定された。後者では、膜の電気抵抗のCo組成依存性がTMD特性と密接に関連していることを突き止め、国際会議MRM2021において発表賞を受賞した。２つめは、磁性ナノ粒子を球体から扁平ナノ粒子に自由に制御出来る手法を考案し、異方性がTMD特性に与える影響について明らかにした。この成果が認められ国際会議2022Intermag Conferenceにおいて、“Best Poster Award” を受賞した。３つめは、ナノ複相構造薄膜が生体に及ぼす影響として、細胞毒性、細胞親和性などについて詳細を調べた。
以上のことから、当初の計画以上に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は最終年度として、これまで進めてきた「セラミックスマトリックス中に磁性金属ナノ粒子が分散したナノ複相薄膜の作製」を行いながら、得られた膜の基礎物性から複機能物性を評価するとともに、応用化に向けてナノ複相薄膜の生体への適合性評価、ナノ粒子作製などの技術の展開を図り、研究を総括する予定である。
① ナノ複相構造薄膜の作製 トンネル磁気－誘電（TMD）特性は、磁性ナノ金属粒子の数、サイズ、形状、分布、界面状態によって特性が大きく異なる。申請者らが本研究において考案・製作した「差動圧力ナノ複相成膜装置」および「交互多元成膜装置」などを駆使し、基板種類、ターゲット投入スパッタ電力、基板回転速度、ガス圧などの成膜条件を系統的に変化させて、上述した様々なナノ複相構造薄膜を作製する。
② ナノ複相構造薄膜の複機能物性評価 （1）膜の特性に影響する結晶構造、組成を、X構造解析、蛍光X線分析などにより評価する。特にTMD特性を大きく左右するセラミックス母相内におけるナノ粒子の形状や分布等の微細組織を高分解能電子顕微鏡等により詳細に評価する。（2）ナノ複相構造薄膜の磁気物性、抵抗特性、誘電率周波数依存性などの評価を行うとともに、新しい他の物性との相互作用の発現を試みる。
③ ナノ複相構造薄膜の生体へ適合性評価 （1）得られた試料の生体内安全性を評価するため、細胞実験による細胞毒性評価検討項目を明らかにする。（2）得られた試料の表面物性と骨芽細胞および線維芽細胞等の初期応答との関連を明らかにする。 （3) 生体センサの設計および試作などを試みる。
得られた結果を取りまとめて、学会発表、論文発表などを通じて成果発表を行い、最後に総括する。
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