| 研究課題/領域番号 |
20K05059
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26010:金属材料物性関連
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| 研究機関 | 山形大学 |
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研究代表者 |
小池 邦博 山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (40241723)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2020年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
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| キーワード | SmFe12薄膜 / Sm(FeCo)12ナノ粒子 / ナノコンポジット磁石 / レーザーアニール / 保磁力 / マイクロマグネティックスシミュレーション / 局所磁気異方性 / 界面制御 / SmFe12 / Sm(FeCo)12 / Sm-Fe薄膜 / 薄膜磁石 / 結晶磁気異方性 / 薄膜プロセス / 希土類永久磁石 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
高出力モータや発電機応用に向けた従来のネオジム磁石を代替すると期待される次世代高性能永久磁石の研究開発において，高耐熱性付与のための高保磁力化が強く求められている．本申請課題では「UHV薄膜プロセス」を用い，ネオジム磁石を越えるポテンシャルを持つSm(FeCo)12と非磁性3d遷移金属基合金とのモデル界面を形成する事によって「Sm-Fe系化合物における局所磁気異方性の回復による高保磁力の発現」を目指す．
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| 研究実績の概要 |
これまでの研究からSmの局所磁気異方性がSmFe12系合金の保磁力に与える影響を明らかにするための第一段階として実施されたUHV成膜実験において，ThMn12構 造のc軸垂直配向したSmFe12合金薄膜の形成条件を確立した.この薄膜は、高分解能TEM観察によって、Mo下地上に山脈状組織を有するα-Feが形成し，さらにこ の上に幅30 nm - 50 nmで100 nm程度の高さのSmFe12柱状組織の生成を確認した。さらにMgO(001)[100]//Mo(001)[110]//Fe(001)[110]//SmFe12(001)[100]エピタ キシャル方位関係をもつことが明らかとなった。その磁気特性は，as-grown状態で垂直磁気異方性と保磁力を発現しており，この保磁力機構について薄膜の形状 磁気異方性と結晶磁気異方性の競合状態を取り入れた拡張型Kondorskyモデルによって解析できることを確認した.これらの結果に基づいてR4年度は，柱状構造 のSmFe12ナノ磁石粒子を物理的・磁気的に孤立化させると共に、SmFe12ナノ磁石粒子側面の表面修飾を目的としてArイオンエッチングと赤外レーザーを組み合わ せた非熱平衡粒界拡散プロセス(NTE-GBDP)法を導入することでNd非磁性元素を粒界拡散させたSm-Fe薄膜の結晶構造と磁気特性を評価した。この結果、NTE-GBDP 法を適用した試料はc軸垂直配向状態を保ったまま、処理前の保磁力に比べて約1.5倍増大することが明らかとなった。
さらに、Sm(FeCo)12ナノ粒子側面の局所磁気異方性を回復することが予想されているα-Fe相をSm(FeCo)12ナノ粒子側面へ接合したソフト/ハード交換結合型ナノコンポジット構造をもつナノ磁石粒子の磁化反転過程をマイクロマグネティックスシミュレーションによって考察し、Sm(FeCo)12単相よりも高い最大エネルギー積(BH)maxを持つナノコンポジット粒子における最適ナノ構造を提案した.
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
R5年度はコロナ禍が開け、研究計画の遅れを十分に取り戻せる予定であったが、弊学が申請した「地域中核・特色ある研究大学の連携による 産学官連携・共同研究の施設整備事業」の採択により、当該研究室の実験研究室移転が必要となり、移設作業による極めて多大な影響（含：装置の故障等）を受けたため、研究計画を遂行する上で要となっていた試料作製、微細組織の観察、磁気計測の進捗が大幅に遅れた。しかしながら、ハード相としてSm(FeCo)12ナノ磁石粒子へソフト相としてα-Fe相を接合したナノコンポジット構造をもつナノ磁石粒子の磁化反転過程と反磁場分布に ついて、マイクロマグネティックスシミュレーターのOOMMFを用いた理論限界を見極めるための基礎的な調査によって、Sm(FeCo)12単相よりも高い最大エネルギー積(BH)maxを持つナノ構造を持つナノコンポジット磁石粒子を提案したR5年度の研究実績さらに発展させた現実的な状態としての最適ナノ構造をもつナノコンポジット磁石粒子を提案することができた。これらの研究成果は、R5年5月に仙台にて開催されたIEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）主催の磁気工学に関する国際会議 (INTERMAG2023)において発表され、IEEEから査読付きショートペーパーの他、査読付きINTERMAG2023プロシーディングとして「Enhancement of Maximum Energy Product by α-Fe Coating on the Side of Rectangular Sm(Fe0.8Co0.2)12 Nanoparticles」のタイトルで公表された.
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| 今後の研究の推進方策 |
これまで，当該研究を実施した米沢地区の地震や全国的なコロナ感染症の多大な影響があった中でも，連携研究者との共同研究によって本研究課題で提案してい るSmFe12系相とα-Fe相との理想界面形成のため、高品位な結晶性を有するSmFe12柱状晶の側面を非磁性Ndで修飾し、ナノ粒子同士を磁気的に孤立化させた試料を形成することで、その保磁力の増大を実証した.さらに、OOMMFシミュレーターによる最大エネルギー積を向上させる最適な構造をもつナノコンポジット磁石粒子を提案する等の一定の成果が得られた.そこでR6年度は、高速計算が可能なCPU/GPU計算機の導入によるMumax3マイクロマグネティックスシミュレーターを用いた、更なるマン・タイムパ フォーマンスの向上を試み、理論計算モデルをさらに現実的な状態へ展開しながら、SmFe12系ナノ粒子の保磁力増大とハード 単相よりも高い最大エネルギー積(BH)maxを持つSmFe12系/α-Feナノコンポジット粒子のナノ構造の最適化を試みる.
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