| 研究課題/領域番号 |
17H01320
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
田中 勝久 京都大学, 工学研究科, 教授 (80188292)
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| 研究分担者 |
藤田 晃司 京都大学, 工学研究科, 教授 (50314240)
村井 俊介 京都大学, 工学研究科, 助教 (20378805)
北條 元 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (90611369)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 酸化物 / 磁性材料 / マルチフェロイクス / 磁気光学 / 複合材料・物性 / プラズモニクス / ペロブスカイト / 薄膜 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、マルチフェロイクスならびに短波長磁気光学材料を対象に、新物質の探索と複合材料の作製という二つの視点から、酸化物磁性体をベースに実用的なデバイスに繋がるような高い複合機能を持つ磁性材料を開拓することである。平成29年度に得られた成果は以下の通りである。
マルチフェロイクスに関しては、ペロブスカイトおよび類似の構造を持つ酸化物の合成、構造解析ならびに誘電性と磁性の評価を行った。まず、Sr3Zr2O7の多結晶体を固相反応で合成し、結晶構造ならびに空間群の温度依存性を明らかにした。特に光第二高調波発生の温度依存性ならびに室温での誘電分極の直流電場依存性から、この結晶が室温において酸素八面体回転に基づく強誘電性を示し、温度上昇に伴い一次相転移を起こして反強誘電体相（あるいは常誘電体相）に転移することを見いだした。また、LaCa2Fe3O8のエピタキシャル薄膜の合成に成功した。薄膜の磁気的性質について調べたところ、Fe3+の磁気モーメントは互いに傾斜して反平行に結合しており、従来提唱されていたG型反強磁性ではなく、弱強磁性を示すことが明らかとなった。さらに、多量のカチオン欠陥を含むYTaO3系ペロブスカイト型酸化物において、欠陥の存在に起因すると考えられるインコメンシュレートな構造が現れることを明らかにした。
短波長磁気光学材料の関連では、無容器溶融法により高濃度にTb3+イオンを含む酸化物ガラスを作製し、得られたガラスが短波長領域で大きなファラデー効果と磁気光学性能指数を示すことを見いだした。また、Alのナノ周期構造を構築し、強磁性体であるFe薄膜を蒸着して磁気光学特性を調べたところ、Alのプラズモン共鳴波長と周期構造に起因する回折モードに対応したFe薄膜のファラデー回転角の増幅が見られた。これらの結果はいずれも可視‐紫外磁気光学材料の実用化において重要なものである。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
マルチフェロイクスに関しては、まだ誘電体としての特性のみであるが、室温で強誘電体となる新規化合物Sr3Zr2O7を発見し、ZrO6サイトの回転モードが温度とともに変化することによって室温での強誘電体相が高温で電気双極子が互いに反平行に並んだ反強誘電体相（あるいは常誘電体相）へ相転移することを見いだした。この種の誘電体の相転移ならびに八面体回転モードの変化は非常に珍しい現象であり、研究成果を論文としてAdvanced Functional Materials誌（2016年のインパクトファクターは12.12）に投稿したところ、3名の審査者すべてにより内容が非常に高く評価され、最重要論文と位置付けられた。本論文は間もなく印刷される予定である。また、LaCa2Fe3O8の薄膜成長については単相のエピタキシャル薄膜を得るための条件の探索に困難が予想されたが、それを達成することができた上、従来提唱されていた磁気構造が誤りであることを見いだした。
短波長磁気光学材料に関しては、これまでに調べ尽くされていると考えられていたTb3+系酸化物ガラスにおいて、無容器溶融法を利用することで新規組成が得られ、Tb3+含有結晶をも凌駕する大きなファラデー回転角と可視‐紫外領域での高い透過率が実現した。また、金属の周期的ナノ構造によってもたらされるプラズモン場の利用では、Alの局在型表面プラズモンと典型的な強磁性体であるFeとの組合せで実験を進めたところ、プラズモン共鳴と光回折に基づくファラデー回転角と磁気光学的性能指数の増幅が観察され、特に後者は類似の先行研究で報告されている値よりも大きなものとなった。
このように、本年度はマルチフェロイクスと短波長磁気光学材料のいずれにおいても期待以上の研究の進展があった。
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| 今後の研究の推進方策 |
マルチフェロイクスに関しては、29年度に見いだした新しい室温強誘電体Sr3Zr2O7と同様に酸素八面体回転によって圧電性や強誘電性を示す酸化物を探索すると同時に、放射光X線回折や中性子回折による結晶構造解析、光第二高調波発生と巨視的な誘電分極の直流電場依存性の測定に基づく誘電特性の評価を進める。また、これらの化合物に磁性イオンを導入することにより磁気秩序相の発現を試み、電気磁気効果やマルチフェロイック特性を示す新規酸化物の開拓を図る。エピタキシャル薄膜が得られたLaCa2Fe3O8については、内部転換電子メスバウアー分光や中性子回折により詳細な磁気モーメントの配列を明らかにして室温で安定な磁気構造を決定するとともに、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用に基づくマルチフェロイック特性の評価を試みる。多量のカチオン欠陥を含むYTaO3系ペロブスカイト型酸化物については、温度変化に伴う構造変化、特にカチオン欠陥の配列の変化を、電子線回折を含む回折法と高分解能電子顕微鏡観察（特に、HAADF-STEM）に基づいて明らかにする。加えて、上記の酸化物と類似の構造、組成を持つ新たな化合物の合成に向けた実験を展開する。
短波長磁気光学材料に関しては、プラズモン場を利用した強磁性体のファラデー効果の増幅に関して一定の成果が得られたため、Alナノ周期構造を形成するナノ粒子の形状と大きさ、ナノ粒子の配列パターン、周期などとともに蒸着するFeの膜厚などを系統的に変えて、プラズモン場が磁気光学効果にどのような効果をもたらすかを実験的に明らかにし、同時に数値シミュレーションを駆使して磁気光学効果が増幅される機構を解明する。また、プラズモン場と磁気光学効果を提供する物質を変えて同様の実験と数値計算を行い、短波長磁気光学材料として優れた機能を有する複合磁性材料を創出する。
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