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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Development of nanogranular films with giant Faraday effect

Research Project

Project/Area Number 20H02468
Research InstitutionResearch Institute for Electromagnetic Materials

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)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 薮上 信  東北大学, 医工学研究科, 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)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
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 / フッ化物
Outline of Annual Research Achievements

磁気光学効果であるファラデー効果を示す材料は、光アイソレーターに代表されるように、様々な光デバイス、とりわけ光通信システムに広く用いられ、先端情報技術には必須となっている。しかしながら、1972年にビスマス鉄ガーネット(Bi-YIG)が発見されて以来、Bi-YIGを超える大きなファラデー効果を有する物質は見つかっていない。さらに、光学デバイスの小型化および集積化のためには、磁気光学材料の微細化・薄膜化が必須であるが、Bi-YIGを薄膜化すると特性が大きく劣化してしまう。本研究の提案する、セラミックスと微細な磁性グラニュールから成るナノグラニュラー膜は、光通信波長帯においてBi-YIGの40倍もの大きなファラデー効果を示す。
本研究 では、ナノグラニュラー膜において、膜組成や作製方法を検討することによって、大きな光透過性と大きなファラデー効果、すなわち性能指数の優れた材料、さらには従来材料に対する新たな優位性を発揮する材料の開発を目指す。
本年度は、新しい組成系として磁性ナノグラニュールに、保磁力と残留磁化を有するCo-Pt, Fe-Pt合金を用いたナノグラニュラー膜の作製を試み、その磁気光学特性を検討した。その結果、材料自身の残留磁化によって、磁界を印可しない状態でファラデー効果を示す材料が実現した。これにより、磁気光学デバイスの設計において磁界印加機構が不要となり、デバイスの簡素化・小型化の実現に大きく貢献すると考えられる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

ナノグラニュラー膜は、磁性ナノグラニュールと誘電体マトリックスから成るナノメーターサイズの微細構造を有する。この特徴を生かし、磁性グラニュールを成す材料、また誘電体マトリックスを成す材料のそれぞれを様々に選択して組み合わせることによって、特性の異なる磁気光学材料を設計することが可能である。今回は、残留磁化を有するCo-PtおよびFe-Pt合金を磁性ナノグラニュールに採用することによって、零磁界でファラデー効果を発現する材料が可能となった。このことは、新たな磁気光学デバイスの創成の可能性を拓く、有望な結果である。

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、そしてファラデー効果等の諸特性の関係を整理し、これを基に、ファラデー効果の性能指数を有するナノグラニュラー膜作製のための材料設計の方針を検討する。具体的には、熱処理中のガス雰囲気を詳細に検討し、希薄酸素や窒素ガスの導入により、膜中への酸化物や窒化物の導入、さらには化学組成比の調整を行い、磁性ナノグラニュールと誘電体マトリックスの組成の最適化を検討する。これにより、ナノグラニュラー膜の性能指数の更なる向上を目指すと共に、デバイス応用の可能性を検討する。

  • Research Products

    (25 results)

All 2022 2021

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 5 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results) Book (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (5 results) (of which Overseas: 4 results)

  • [Journal Article] Tunnel magnetodielectric effect: Theory and experiment2022

    • Author(s)
      Yang Cao, Nobukiyo Kobayashi, and Hiroshi Masumoto
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 120 Pages: 082901

    • DOI

      10.1063/5.0077879

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Large Faraday effect in nanogranular films with a high refractive index matrix2022

    • Author(s)
      Kenji Ikeda, Nobukiyo Kobayashi, and Ken-Ichi Arai
    • Journal Title

      Optical Materials Express

      Volume: 12 Pages: 403-412

    • DOI

      10.1364/OME.447532

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] DC and AC tunneling magnetoelectric responses of cobalt lateral nanogranular2022

    • Author(s)
      Hanae Kijima-Aoki, Shigehiro Ohnuma, Nobukiyo Kobayashi, Hiroshi Masumoto
    • Journal Title

      Journal of Magnetism and Magnetic Materials

      Volume: 547 Pages: 168890

    • DOI

      10.1016/j.jmmm.2021.168890

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structure and tunneling magneto-dielectric properties of Co-SrF2 nano-granular thin films2021

    • Author(s)
      Cheng Wang, Yang Cao,Nobukiyo kobayashi, Shigehiro Ohnuma, and Hiroshi Masumoto
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 11 Pages: 085224

    • DOI

      10.1063/5.0058707

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Fabrication of transition metal (TM = Fe, Co) difluorides-carbon nanocomposite films by magnetron co-sputtered deposition of Fe/Co and Teflon targets2021

    • Author(s)
      Yang Cao, Kenta Nogawa, Nobukiyo Kobayashi, and Hiroshi Masumoto
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 14 Pages: 075502

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac07f0

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 小角散乱法を用いたナノグラニュラー膜の構造とトンネル伝導の関係2022

    • Author(s)
      青木 英恵、本田 祥基、大沼 正人、小林 伸聖、大沼 繁弘、増本 博
    • Organizer
      日本金属学会 2022年 春期 第170回講演大会
  • [Presentation] Shape effect of cobalt nano-particles on magnetic properties of Co-SiO2 nano-granular films.2022

    • Author(s)
      H. Aoki Kijima, Y. Endo, T. Miyazaki, T. Nojima, K. Ikeda, N. Kobayashi, S. Ohnuma and H. Masumoto
    • Organizer
      MMM-InterMag2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Relationship between morphology and soft-magnetic properties of Co-Sr-F nano-granular films.2022

    • Author(s)
      C. Wang,Y. Endo, Y. Cao, H. Aoki Kijima, N. Kobayashi,S. Ohnuma and H. Masumoto
    • Organizer
      MMM-InterMag2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Annealing on the Structure and Magneto-electric Properties of Co-Si-nitride Nanogranular Films2022

    • Author(s)
      Tomoharu Uchiyama,Yang Cao,Hanae Aoki,Kenji Ikeda,Nobukiyo Kobayashi,Shigehiro Ohnuma,Hiroshi Masumoto
    • Organizer
      第60回セラミックス基礎科学討論会
  • [Presentation] Tunneling magneto-dielectric response in nanogranular films: Theoretical and experimental studies2021

    • Author(s)
      Yang Cao, Nobukiyo Kobayashi, Shigehiro Ohnuma, Hiroshi Masumoto
    • Organizer
      MRM2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Tunneling Magneto-Resistance Effect of Co-Oxide Nano-Composite Films2021

    • Author(s)
      Moe Kimura, Yang Cao, Hanae Aoki, Shigehiro Ohnuma, Nobukiyo Kobayashi, Hiroshi Masumoto
    • Organizer
      MRM2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Structure of cobalt-(barium-fluoride) lateral nano-granular films under slow-motion tandem method2021

    • Author(s)
      Hanae Aoki, Katsuhiro Uchikoshi, Takamichi Miyazaki, Masato Ohnuma, Yoshiki Honda, Nobukiyo Kobayashi, Shigehiro Ohnuma, Hiroshi Masumoto
    • Organizer
      MRM2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of heat treatment on structure and properties of Co-BaMgF4 nanocomposite film2021

    • Author(s)
      Nozomi Yokohama, Hanae Aoki, Shigehiro Ohnuma, Nobukiyo Kobayashi, Hiroshi Masumoto
    • Organizer
      東北大-台北技科大オンラインジョイントシンポジウム2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 扁平球状ナノ粒子が配列したCo-BaF2ナノコンポジット膜の磁気・静電特性2021

    • Author(s)
      打越雄央,青木英恵,本田祥基,大沼正人,小林伸聖,大沼繁弘,増本 博
    • Organizer
      令和3年度 日本セラミック協会 東北北海道支部研究発表会
  • [Presentation] Co-SiO2ナノグラニュラー膜の低温磁気特性におよぼす粒子形状の効果2021

    • Author(s)
      青木英恵,曹 洋,野島 勉,大沼繁弘,小林伸聖,増本 博
    • Organizer
      日本金属学会秋期第169回講演大会
  • [Presentation] イプシロンニアゼロ特性を有するITO薄膜の磁気光学効果2021

    • Author(s)
      池田賢司,Tianji Liu,太田泰友,岩本 敏,小林伸聖
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] イプシロンニアゼロ材料をマトリックスとしたナノグラニュラー薄膜の磁気光学効果2021

    • Author(s)
      池田賢司,Tianji Liu,太田泰友,岩本 敏,小林伸聖
    • Organizer
      第45回日本磁気学会学術講演会
  • [Presentation] ナノ粒子を扁平化したナノグラニュラー膜の粒子形状が及ぼす強磁性・超常磁性への影響2021

    • Author(s)
      青木英恵,打越雄央,大沼繁弘,小林伸聖,増本 博
    • Organizer
      第45回日本磁気学会学術講演会
  • [Presentation] (Fe-Pt, Co-Pt)- フッ化物系ナノグラニュラー膜のファラデー効果2021

    • Author(s)
      小林伸聖,岩佐忠義,池田賢司,荒井賢一
    • Organizer
      第45回日本磁気学会学術講演会
  • [Book] 物理科学,この1年 20222022

    • Author(s)
      パリティ編集委員会、小林伸聖 他
    • Total Pages
      204
    • Publisher
      丸善出版
    • ISBN
      978-4-621-30686-4
  • [Patent(Industrial Property Rights)] ナノグラニュラー構造材料およびその作製方法2022

    • Inventor(s)
      小林伸聖、岩佐忠義、池田賢司、荒井賢一
    • Industrial Property Rights Holder
      公益財団法人電磁材料研究所
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      111107891
    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] ナノグラニュラー構造材料およびその作製方法2022

    • Inventor(s)
      小林伸聖、岩佐忠義、池田賢司、荒井賢一
    • Industrial Property Rights Holder
      公益財団法人電磁材料研究所
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      PCT/JP2022/008503
    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 磁気光学材料およびその製造方法2022

    • Inventor(s)
      岩本敏、太田泰友、池田賢司、小林伸聖
    • Industrial Property Rights Holder
      公益財団法人電磁材料研究所
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      111101479
    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 磁気光学材料およびその製造方法2022

    • Inventor(s)
      岩本敏、太田泰友、池田賢司、小林伸聖
    • Industrial Property Rights Holder
      公益財団法人電磁材料研究所
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      PCT/JP2022/000798
    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 磁気光学材料およびその製造方法2021

    • Inventor(s)
      小林伸聖、岩佐忠義、池田賢司、荒井賢一
    • Industrial Property Rights Holder
      公益財団法人電磁材料研究所
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2021-134657

URL: 

Published: 2022-12-28  

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