| 研究課題/領域番号 |
23K03589
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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18010:材料力学および機械材料関連
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
安部 正高 京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (50582623)
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| 研究分担者 |
澄川 貴志 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (80403989)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2025年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2024年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2023年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
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| キーワード | フレクソマグネティック効果 / ナノ薄膜 / 局所ひずみ勾配 / 圧縮負荷 / 静電力 / 圧電応答力顕微鏡 / 磁気力顕微鏡 / 接触電位差 / その場観察 / 圧電応答顕微鏡 / フレクソマグネティック現象 / 反強磁性体 / ナノ力学 / 磁気熱電 / 異常ネルンスト効果 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
エネルギー利用の高効率化に大きく貢献する廃熱利用発電の有力な技術の一つとして磁気熱電素子がある。しかし、発電効率の飛躍的向上を目的とした高集積化のために磁気熱電素子をナノレベルまで小型化すると、素子材料の磁化が不安定となり発電効率が下がる問題がある。本研究では、反強磁性体にひずみ勾配を与えると自発磁化するという“フレクソマグネティック効果”に着目し、ナノ材料における安定的かつ力学的な自発磁化の発現と磁気熱電素子への応用を試みる。
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| 研究実績の概要 |
本年度はまず、前年度に基本設計を行った基板（Si等）上の薄膜に局所極大ひずみ勾配を発現可能なその場観察力学負荷機構の改良を行った。すなわち、前年度実施内容において、Si基板に導入するスリットのエッチング加工後に集束イオンビーム加工装置を用いて追加工する手法を開発した。本手法により、開発した負荷機構によって目標とするオーダーの局所ひずみ勾配を基板上のナノ薄膜に発現させることが可能となった。
また、実際に本負荷機構を用いて反強磁性体薄膜上に局所ひずみ勾配を発現させた場合、薄膜はスリット周辺で3次元的な表面形状を有し、測定信号には表面形状に由来した付加的な信号が重畳するため、その影響について系統的な検討を行った。具体的には、磁気力顕微鏡と類似した測定原理を持つ圧電応答力顕微鏡を用いて、表面にマイクロオーダーかつ周期的な傾斜面を有するSi基板（非圧電材料）表面の圧電応答を測定し、傾斜面の帯電に起因する静電力が測定結果に影響を与えること、また傾斜面の角度や、斜面方向と感度方向の成す角度、探針先端径によってその影響が異なることを定量的に明らかにした。これらは、同様のナノサイズ探針を用いる磁気力顕微鏡での測定に与える静電力の影響について検討する際に有用な知見である。そのうえで、Si（非磁性誘電体）やAu（非磁性導電体）、アクリル（高分子材料）などの各種材料に対して、表面に導入したビッカース圧痕周辺の磁気力顕微鏡測定を行い、磁気力顕微鏡で結晶性材料を測定する場合には、帯電による静電力だけでなく磁性コーティングされたナノ探針先端と材料表面との間で生じる接触電位差に起因する静電力も測定結果に影響することを確認した。これらは、3次元表面形状を有する反強磁性体薄膜上のフレクソマグネティック現象を測定する際に形状による付加的な信号をキャンセルする上で有用な知見である。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
3: やや遅れている
理由
現状は、反強磁性体ナノ薄膜に所望の局所極大ひずみ勾配を発現可能な負荷機構を開発することができたものの、同時に検討を行ってきた自立薄膜の座屈を利用した負荷機構や表面に3次元構造を有する試験片の4点曲げを利用した負荷機構については、基板のエッチング加工精度や、3Dプリンターの加工精度の問題から実現が難しいことが判明した。そのため、新たな負荷機構として、Si基板上にリボン状に製膜した反強磁性体薄膜を、予め伸長させた樹脂シート上に移し取り、樹脂シートの収縮によって波状に屈曲させ、急峻なひずみ勾配を発生させる負荷機構についても並行して検討を進めている。
また、実際に測定に供する反強磁性体薄膜（Mn3Sn）について、現有のスパッタ装置での作製を試行する中で装置が故障したため、現時点ではフレクソマグネティック現象のその場観察に必要な形状、本数の試料を用意することが出来ておらず、実験的な検討を進めるうえで遅延が生じている。そこで、昨年度入手した2つのサンプル（MgO基板上のMn3Sn薄膜）について、ビッカース圧子やバーコビッチ圧子、キューブコーナー圧子などの各種圧子を用いたナノインデンテーションにより微小圧痕とナノクラックを導入し、圧痕やナノクラック周辺での局所残留ひずみを利用したフレクソマグネティック現象の発現とその検出の可能性についても検討を進めている。
一方で、本年度実施を予定していたペルチェ素子やピエゾ式探針を使用した熱電効果測定システムの開発については、システムの仕様策定と設計の段階にあり、今後速やかに完了することができる見込みである。
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| 今後の研究の推進方策 |
スパッタ装置の修理が終わり次第、Mn3Sn反強磁性体薄膜試料を作製し、前年度までの研究で開発した負荷機構を用いてフレクソマグネティック効果により生じる磁気分極の磁気力顕微鏡内その場観察を実施する。また、同時に新たな負荷機構として、リボン状に製膜した反強磁性体薄膜を樹脂シートの収縮によって波状に屈曲させる負荷機構を用いた試料の作製と測定を実施する。一方で、スパッタ装置の修理が終わるまでに、昨年度入手した2つのサンプル（MgO基板上のMn3Sn薄膜）について、ビッカース圧子やバーコビッチ圧子、キューブコーナー圧子などの各種圧子を用いたナノインデンテーションにより微小圧痕とナノクラックを導入し、圧痕やナノクラック周辺での局所残留ひずみを利用したフレクソマグネティック現象の発現とその検出の可能性についての解析的、実験的検討を進める。
また、昨年度までに仕様策定と設計を行った、ペルチェ素子やピエゾ式探針を使用した磁気熱電効果測定システムを実際に構築し、まずは一般的な熱電薄膜材料について測定を行い所望の性能を有するかどうかの確認を行ったうえで、Mn3Sn薄膜の磁気熱電効果測定を行う。
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