| 研究課題/領域番号 |
22K04677
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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 | 久留米工業大学 |
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研究代表者 |
江藤 徹二郎 久留米工業大学, 工学部, 教授 (70322295)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 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 |
3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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| キーワード | マンガン化合物 / ホイスラー合金 / マルテンサイト変態 / 磁気相転移 / 状態図 / 磁気熱量効果 / 高圧力 / X線構造解析 / MnCoGe / 相転移 / MnM'X系化合物 / 圧力効果 / 3d強磁性化合物 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
現代の冷凍技術には、気体冷凍方式と呼ばれる産業革命期の古い技術が主に用いられている。しかし気体媒体によるオゾンホールの形成や、決して高くない冷凍効率による地球温暖化への影響から、高冷凍能力を備えた固体媒体材料の開発が望まれてきた。本研究では、マンガン系磁性化合物を対象に、コストと環境の両面に優しい“固体磁気冷凍材”の実用化に向けた知見を得ることを目的とする。さらに結晶構造と磁性の相関、その相転移の熱力学などにも研究領域を広げ、圧力をパラメータとして詳細に上記化合物の磁気熱量効果に関する基礎物性を検証する。また実用化に向けた新たな試みとして、複合化材料の評価も実施する。
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| 研究実績の概要 |
2023年度の磁性化合物における研究実績は以下の通りである。
１．MnCo1-xGeの磁気および構造相転移
Coの空孔効果を確認するため、x =0.0～0.25の範囲で磁化測定を実施した。化学量論組成のMnCoGeはキュリー温度～345 Kの強磁性体で、約650 Kにて六方晶オーステナイト相から斜方晶マルテンサイト相構造へ変態（M変態）する。超電導量子干渉計（SQUID）と示差走査熱量計（DSC）の測定より、x増に伴いM変態温度とキュリー温度が共に減少することを確認した。M変態温度の減少が大きく、x～0.08にて両者の特性温度がほぼ約230 K近傍で一致した。磁気転移とM変態が結合した磁気構造結合（MSC）が現れると巨大な磁気熱量効果が見込めるが、x>0.9の領域では両者の転移はクロスオーバーする結果となった。温度（T）-組成（x）状態図をほぼ完成させることができたので、今後は検証結果を論文としてまとめ、磁気熱量効果の検証を行う。
２．ホイスラー合金Ni2MnGaの圧力誘起構造相転移
強磁性ホイスラー合金の典型物質であるNi2MnGaにおいて、大型シンクロトロン放射施設からの高輝度X線と、ダイヤモンドアンビルセル（DAC）を利用して、圧力誘起構造相転移を観測することに成功した。さらにX線構造解析の結果から、高圧力下でのマルテンサイト相が単斜晶に歪んだ10周期の変調構造であること、高圧相の弾性率が第一原理計算からの予測値より約55 %大きいことを明らかにした。これらの発見は、同ホイスラー合金系のマルテンサイト変態や磁気体積効果の機構解明、および高機能デバイスへの開発につながることが期待される。研究成果はPhysical Review Bに2024年1月3日に掲載された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
MM’X系マンガン化合物の研究ではMnCo1-xGe合金においてCo空孔効果を検証し、T-x相図を概ね完成することができた。ただし、磁気構造結合が起きていないため、巨大な磁気熱量効果を期待は薄い状況となった。今後、他のMM’X化合物の探索を必要となり、当初の予定よりやや遅れている。
一方で、フルホイスラー化合物X2YZ（X, Y = 磁性元素、Z = 非磁性元素）の相転移現象を対象とした研究は順調に進んでいる。Ni2MnGaでの圧力誘起構造相転移に続いて、強磁性体Co2NbGaの磁性はスピンゆらぎ理論を基に議論できることを示し、Rh2MnSnの磁気モーメントとキュリー温度の組成依存性がMn-Mn磁性原子間距離に依存していることを明らかにすることができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
MnCo1-xGe合金において、構造相転移（M変態）と磁気転移（キュリー点）がx～0.08でクロスオーバーし、磁気－構造結合型相転移が発現していないことが分かった。今後は磁気熱量効果を測定し、磁気冷凍材としての可能性を見極めたい。これまでの実験結果でT-x状態図を作成可能である。今後、巨大な磁気熱量効果を得るために、MnCoGe系化合物のさらなる研究を進めるのか、他のMM’X化合物を探索するのかについて、2024年度中に判断する。
組成変化に伴う効果を確認できたものの、格子欠陥による副次的効果の影響を除去するのは困難である。2024年度下半期には圧力を連続的に制御することで、格子定数や原子間距離と、電子状態や磁性との直接的な関連性を調査したい。
また、MM’X化合物以外の磁気熱量効果材料として、強磁性ホイスラー合金Ni2MnGaにも着目している。高価で希少な希土類元素を含まずに大きな磁気熱量効果が期待できるためである。本系については、Ni2-xMnGa1+x系やNi2Mn1-xVxGa系合金における組成依存性、および圧力依存性を検証している。2024年度中に基礎物性の調査を完了させ、マルテンサイト変態を中心とした相転移現象について知見を深めていきたい。
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