軟磁性微粒子の高周波帯域における磁気損失の起源解明とその設計手法の開発

Research Project

Project/Area Number	20H02179
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	岡本聡東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (10292278)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	島津武仁東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 教授 (50206182) 吉田栄吉東北大学, 産学連携先端材料研究開発センター, 特任教授 (70500867) 田丸慎吾国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (70773802) 菊池伸明東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (80436170)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help	¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000) Fiscal Year 2022: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000) Fiscal Year 2021: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000) Fiscal Year 2020: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
Keywords	軟磁性 / 高周波 / 電磁波抑制 / パワーデバイス / 磁波抑制
Outline of Research at the Start	5G通信における信号品質の確保やパワーデバイスのスイッチング周波数の高周波化に伴い，MHz帯からGHz帯における軟磁性微粒子の磁気損失制御が重要な課題となっている．現状ではデバイス実装が先行しており，この周波数帯域における磁気損失に関する学術的理解はほとんど進んでいない．本研究では，超高感度計測と大規模シミュレーションをベースとする磁気損失の起源解明ならびに所望の磁気損失特性を実現する設計手法の確立を目的とする．
Outline of Annual Research Achievements	5G通信における信号品質の確保やパワーデバイスのスイッチング周波数の高周波化に伴い、MHzからGHz帯域での軟磁性微粒子の磁気損失制御が重要な課題となっている。現状ではデバイス実装が先行しており、この周波数帯域における磁気損失に関する学術的理解はほとんど進んでいない。これまでは軟磁性微粒子の集合組織での特性が評価されてきたのみであるが、本研究においては、その構成要素である単一軟磁性微粒子の高周波特性を詳細に調べ、その磁気損失の起源解明を第一の目的としている。次に、この単一軟磁性微粒子の結果を集合組織に反映させる理論モデルを構築し、集合組織として所望の磁気損失特性を実現する設計手法の確立を第二の目的としている。本研究の成果は、今後の高速通信やパワーデバイスに大きく貢献するものである。本年度はトランス結合型透磁率計を用いて、単一軟磁性微粒子の磁気損失計測とその物理起源解明を中心に研究を進めた。その結果、単一粒子の透磁率スペクトルが集合組織であるシート状試料の透磁率スペクトルとほぼ同一であることを明らかにした。この結果は、集合組織の磁気特性が構成要素である個々の磁性粒子の磁気特性で決まってしまうことを示している。この単一粒子の透磁率スペクトルを詳細に解析した結果、渦状磁化状態である磁気Vortexの理論でほぼ説明できることを明らかにした。低周波領域の吸収ピークはVortexコアの周回運動で、高周波領域の吸収ピークは磁気Vortex周辺部の一斉励起であるradialモードで説明できる。さらに高精度シミュレーションからもその挙動を再現することが出来た。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 研究初年度において扁平磁性紛の磁気損失起源が磁気渦構造を仮定して非常によく実験結果を解析できることを示すことができた。
Strategy for Future Research Activity	本年度(2021年度)は、磁気渦構造モデルの検証を目的とし、微細加工をもちいた円盤状磁性体での原理実証実験ならびに放射光を用いた磁区構造観察を実施する。これらの結果を元にし、ボトムアップ的な集合組織の磁気損失特性設計を進める。