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新規反強磁性型ハーフメタル物質の創製と物質設計指針の確立

研究課題

研究課題/領域番号 22H00287
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分29:応用物理物性およびその関連分野
研究機関東北大学

研究代表者

梅津 理恵  東北大学, 金属材料研究所, 教授 (60422086)

研究分担者 千星 聡  島根大学, 学術研究院機能強化推進学系, 教授 (00364026)
福島 鉄也  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究チーム長 (00506892)
吉年 規治  九州大学, 工学研究院, 准教授 (60586494)
赤井 久純  大阪大学, 大学院工学研究科, 招へい教授 (70124873)
真砂 啓  国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門(地球情報科学技術センター), 技術副主幹 (70510551)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
42,380千円 (直接経費: 32,600千円、間接経費: 9,780千円)
2025年度: 8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円)
2024年度: 8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円)
2023年度: 8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円)
2022年度: 16,250千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 3,750千円)
キーワード反強磁性型ハーフメタル / スピントロニクス / 電子状態 / 完全補償型フェリ磁性体 / 磁気転移温度 / ハーフメタル / スピントロ二クス
研究開始時の研究の概要

スピントロニクスの研究分野では、ハーフメタル型の電子状態を有する強磁性体から、反強磁性体(=完全補償型フェリ磁性体)を用いた電子デバイスの研究へと移行している。本研究では、第一原理計算に基づく物質予測により当研究グループが世界で3例目、カルコゲナイド化合物では世界で初めての例となる候補物質を発見したことにより、関連物質において新規反強磁性型ハーフメタル物質の探索を行うと同時に電子状態の直接観測を行い、さらには反強磁性型ハーフメタル物質の普遍的な物質設計指針を確立することを目的としている。

研究実績の概要

スピントロニクスの研究分野では、ハーフメタル型の電子状態を有する強磁性体から、完全補償型フェリ磁性体を用いた電子デバイスの研究へと移行している。本研究では、第一原理計算に基づく物質予測により当研究グループが世界で3例目、カルコゲナイド化合物では世界で初めての例となる候補物質を発見したことにより、関連物質において新規フェリ磁性型ハーフメタル物質の探索を行うと同時に電子状態の直接観測を行い、これら物質の普遍的な設計指針を確立することを目的としている。
令和5年度は、(Cr,Fe)Se系化合物で物質探索を行った。S系と同様に、化学両論組成より3~4%ほどSeリッチ側でNiAs型結晶構造の単相が得られた。Se系においても単相の得られる組成領域はさほど広くはないが、S系よりは熱的安定性が高く、750℃からの急冷でもほぼ単相が得られることが判明した。しかしながら、磁気特性の結果より完全補償型のフェリ磁性体ではなく、Neelの提唱した分類でいうところのR型のフェリ磁性体であった。S系とSe系で磁気特性が異なる要因を調べるために、SとSeの混晶系の試料を作製して磁気特性の変化を調べている。現時点では、Se濃度の増加に伴い、補償温度が低下することが分かっている。
(Co,V)Sや(Cr,Mn,Fe)S, (Ti,Ni)S系などのように3d遷移元素の組み合わせを変えて探索する系を増やしているが、NiAs型結晶構造の相は得られるものの、フェリ磁性体を示すものは(Cr,Fe)Sや(Cr,Fe)Se以外では今のところ見つかっていない。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

反強磁性型ハーフメタル物質の有力な候補物質としてCrFeS化合物を報告してきたが、今年度の研究遂行により、CrFeSe化合物においてもNiAs型の単相が得られ、フェリ磁性を示すことが分かった。S系と同様に、単相の得られる組成や温度域を明らかにした。
一方で、特異な電子状態と物性を関連付けて議論するためには輸送特性測定の重要性が指摘されてきたが、その測定には至らなかった。再焼結させることでバルクの塊状試料が得られることから、次年度はその試料にて輸送特性を調べることが課題である。以上のことより、総合的に「概ね順調に進展している」と判断できる。

今後の研究の推進方策

次年度は、ハーフメタル型電子状態を有する完全補償型フェリ磁性体Cr23Fe23S54化合物の輸送特性を調べることを目的とする。これまでの粉末体を焼結した試料は非常に脆く、輸送特性の評価が困難であった。一度焼結した試料を圧粉し、再焼結することで短冊状試料の切り出しが可能な試料が得られた。それを用いて電気抵抗の温度依存性、磁気抵抗、磁気抵抗の角度依存性などの測定を行い、電子状態と関連づけて議論を進めていく。さらには、中性子回折測定による磁気構造解析や、磁気共鳴の周波数特性を調べることを計画している。第一原理計算の結果をもとに、(Co,V)Sや(Cr,Mn,Fe)S, (Ti,Ni)S化合物などのように系を拡張し、新規物質の探索も引き続き行っていく。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 7件、 招待講演 3件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] A new type of half-metallic fully compensated ferrimagnet2022

    • 著者名/発表者名
      Semboshi S.、Umetsu R. Y.、Kawahito Y.、Akai H.
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 12 号: 1 ページ: 10687-10687

    • DOI

      10.1038/s41598-022-14561-8

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Magnetic properties of ferrimagnetic chalcogenide compounds (Cr,Fe)Se2024

    • 著者名/発表者名
      W. Yin, M. Miyakawa, S. Semboshi, R.Y. Umetsu
    • 学会等名
      15th International Conference on Materials and Manufacturing Technologies (ICMMT 2024)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] フェリ磁性体(Cr,Fe)Seカルコゲナイドの磁気特性2024

    • 著者名/発表者名
      尹偉達, 宮川正人, 千星聡, 梅津理恵
    • 学会等名
      日本金属学会2024年春期(第174回)講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Magnetic Properties of Fully-Compensated Ferrimagnet in (Cr,Fe)S Compound with NiAs-Type Structure2023

    • 著者名/発表者名
      R.Y. Umetsu, S. Semboshi, M. Miyakawa, N. Yodoshi, A. Masago, Y. Kawahito, T. Fukushima, and H. Akai
    • 学会等名
      Intermag 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnetic properties and electronic structures of (Cr,Fe)Z (Z = S, Se and Te) chalcogenide compounds with NiAs-type structure2023

    • 著者名/発表者名
      Rie Y. Umetsu, Satoshi Semboshi, Masato Miyakawa, Noriharu Yodoshi, Akira Masago, Yosuke Kawahito, Tetsuya Fukushima, and Hisazumi Akai
    • 学会等名
      The 6th International Conference of Asian Union of Magnetics Societies (IcAUMS2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnetic Properties and Electronic Structures of Fully-Compensated Ferrimagnet of (Cr,Fe)S with NiAs-Type Structure2023

    • 著者名/発表者名
      Rie Y. Umetsu, Satoshi Semboshi, Masato Miyakawa, Noriharu Yodoshi, Akira Masago, Yosuke Kawahito, Tetsuya Fukushima, and Hisazumi Akai
    • 学会等名
      International Conference on Materials Science, Engineering & Technology
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Fully-Compensated Ferrimagnets with Half-metallic Electronic States2023

    • 著者名/発表者名
      Rie Umetsu
    • 学会等名
      The 3rd International Symposium on Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture (DEJI2MA-3)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Electronic states of half-metallic ferromagnets and fully-compensated ferrimagnets2023

    • 著者名/発表者名
      Rie Umetsu
    • 学会等名
      5th Polish‐Japanese Workshop on Spintronics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] NiAs型 (Cr,Fe)S化合物の相状態・磁気特性に及ぼす熱処理温度依存性2023

    • 著者名/発表者名
      梅津理恵、千星聡、宮川正人、吉年規治、赤井久純、 真砂啓、川人洋介、 福島鉄也
    • 学会等名
      日本金属学会2023年春期(第72回)講演大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] NiAs型結晶構造を有する(Cr,Fe)S化合物の磁気的性質2023

    • 著者名/発表者名
      梅津理恵、千星聡、宮川正人、吉年規治、赤井久純、 真砂啓、川人洋介、 福島鉄也
    • 学会等名
      国際・産学連携インヴァースイノベーション材料創出プロジェクト、第1回公開討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] NiAs型結晶構造を有する(Cr,Fe)S化合物の磁気特性と電子状態2022

    • 著者名/発表者名
      梅津理恵、千星聡、吉年規治、川人洋介、赤井久純
    • 学会等名
      日本金属学会2022年秋期第171回講演大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Structure and Magnetic Properties of (Fe,Cr)S Compounds Fabricated by Powder Sintering2022

    • 著者名/発表者名
      Rie UMETSU, Satoshi SEMBOSHI, Masato MIYAKAWA, Noriharu YODOSHI, Akira MASAGO, Yosuke KAWAHITO, and Hisazumi AKAI
    • 学会等名
      The 2nd International Symposium on Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture (DEJI2MA)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] プレスリリース「全く磁化の無い新しいハーフメタルの創製に成功」

    • URL

      http://www.imr.tohoku.ac.jp/ja/news/results/detail---id-1447.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 研究トピックス 「高スピン偏極フェリ磁性材料の探索研究」

    • URL

      http://www.crdam.imr.tohoku.ac.jp/research/theme/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2025-06-20  

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