• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2020 年度 実績報告書

軽元素を利用した新しい物質合成法の確立と希土類フリー磁石材料への展開

研究課題

研究課題/領域番号 19H05612
研究機関東北大学

研究代表者

佐久間 昭正  東北大学, 工学研究科, 教授 (30361124)

研究分担者 飛世 正博  東北大学, 工学研究科, 学術研究員 (30766762)
土井 正晶  東北学院大学, 工学部, 教授 (10237167)
齊藤 伸  東北大学, 工学研究科, 教授 (50344700)
吉村 哲  秋田大学, 理工学研究科, 教授 (40419429)
三浦 大介  東北大学, 工学研究科, 助教 (90708455)
福島 潤  東北大学, 工学研究科, 助教 (80634063)
小田 洋平  福島工業高等専門学校, 一般教科, 准教授 (80751875)
栂 裕太  東京大学, 物性研究所, 特任研究員 (70641231)
研究期間 (年度) 2019-06-26 – 2024-03-31
キーワード磁石 / レアアースフリー / 磁性材料 / 希土類 / 軽元素
研究実績の概要

1. 軽元素を利用した新しい物質合成法のメカニズム解明:α-(Fe、M)OOH (M=Al、V、Cr、Mn、Ni)を出発原料とするα”-Fe16N2の合成プロセスにおいて、α”相の生成のしやすさはM元素によって変わること、窒化温度のみならず還元温度の影響を受けること、そして、α”相が生成するためにはα-(Fe、M)の結晶子の大きさは50 nm以下の必要があることを明らかにした。
2. 新しい物質合成法の深耕と応用:Fe-Mn系合金の薄膜実験により、層厚の減少によって磁気容易軸が面内から面直に転移し、高磁気異方性Ku >2.0 MJ/m、高飽和磁化Bs約1.1 Tを確認した。歪導入によるフェリ磁性からフェロ磁性への磁気相転移を示唆している。反応性パルスDCスパッタリング法はα”相の合成率向上に有利であることを明らかにした。また、2.45 GHz 電磁界集中型マイクロ波照射装置によりFe3O4の結晶子サイズが低減していることが明らかとなった。
3. 理論計算による希土類フリー磁石材料の設計指針導出:Fe-Co-X (X=N, C)合金の磁化、交換相互作用および磁気異方性エネルギー(MAE)の組成依存性や原子配置の規則・不規則性の影響について評価を行った。Fe8Nの4dサイトのFeをCoで25 %置換した場合、希土類磁石のMAEと同程度の3MJ/m3を取ることがわかった。一方、遍歴電子磁性体のMAEの温度依存性に関しては、局在スピンモデルを用いて適切に表現できる有効スピンハミルトニアンを見出し、2元合金のMAEの温度依存性の記述に成功した。更に、L10型FeNi合金に対する第一原理計算から、有効スピンハミルトニアンの妥当性を検証した。また、遍歴電子磁性体を電子論の立場から行った計算により、スピン軌道相互作用の強さによって遍歴電子系特有の温度依存性が現れることを明らかにした。

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

【研究目的1】軽元素 (H, C, O, N) を用いて中間物質を合成し、続いて軽元素を除去あるいは別の軽元素で置換する新しい物質合成法の固相-気相反応メカニズムの解明:新型コロナウイルスの影響を受け実験に遅れが生じたが、軽元素侵入型化合物の合成について重要な知見が得られている。侵入型化合物を合成するための、金属学的組織についての必要条件や、中間物質を経由した場合の、元素濃度について重要な知見が得られており、今後の新物質合成にたいへん有用な結果を得たと考えている。
【研究目的2】軽元素を含むFe合金およびその規則配列が磁気特性に及ぼす影響の理論計算に基づいた希土類フリー磁石材料の設計指針の導出:絶対零度における磁気異方性MAEを高精度かつ高速に評価できる計算技術を確立でき、本研究テーマの課題の一つであるFe-Co-X, Fe-Ni-X系合金のMAEの評価を大幅に加速した。その結果、Fe-Co-X, Fe-Ni-X系合金のMAEの規則度依存性や置換サイト依存性などに関する詳細かつ高精度な情報を得ることができた。いずれも結果が出たばかりでまだ成果の発表に至っていない点での若干の遅れを認識している。

今後の研究の推進方策

最終的な研究目的である「導出された指針に基づき設計した希土類フリー磁石材料の新しい物質合成法による創製」は今後の研究成果によるものであるが、オンラインを併用した研究推進会議を通じて、理論グループと実験グループとの連携も順調に進んでいるので、この好循環の状況を今後も継続する。また材料合成に顕著な成果を挙げてきた若手研究者が2021年から分担者として加わることになった。理論グループから材料設計指針も提示されつつあり、それを実現するためにこれまで実験で得られた知見を活かして「新材料のバルク合成」に邁進する。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件) 学会発表 (8件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Challenge to the Synthesis of α”-(Fe, M)16N2 Nanoparticles Obtained by Hydrogen Reduction and Subsequent Nitridation Starting From α-(Fe,M)OOH (M = Al, V, Cr, Mn, Ni)2021

    • 著者名/発表者名
      Tobise M.、Saito S.
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Magnetics

      巻: 57 ページ: 1~5

    • DOI

      10.1109/TMAG.2020.3004835

    • 査読あり
  • [雑誌論文] First-principles calculation of Curie temperature tuning in L10-type FePt by element substitution of Mn, Cu, Ru, and Rh2020

    • 著者名/発表者名
      Kota Y.
    • 雑誌名

      Journal of the Magnetics Society of Japan (Letter)

      巻: 44 ページ: 1~4

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Role of atomic-scale thermal fluctuations in the coercivity2020

    • 著者名/発表者名
      Toga Yuta、Miyashita Seiji、Sakuma Akimasa、Miyake Takashi
    • 雑誌名

      npj Computational Materials

      巻: 6 ページ: 1~7

    • DOI

      10.1038/s41524-020-0325-6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Detecting quadrupole: a hidden source of magnetic anisotropy for Manganese alloys2020

    • 著者名/発表者名
      Okabayashi Jun、Miura Yoshio、Kota Yohei、Z. Suzuki Kazuya、Sakuma Akimasa、Mizukami Shigemi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 ページ: 9744-1~9744-8

    • DOI

      10.1038/s41598-020-66432-9

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Perpendicular magnetic anisotropy of (001)-textured poly-crystalline MnAlGe films2020

    • 著者名/発表者名
      Kubota Takahide、Kota Yohei、Ito Keita、Umetsu Rie Y.、Sun Mingling、Mizuguchi Masaki、Takanashi Koki
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 10 ページ: 015122~015122

    • DOI

      10.1063/1.5130388

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 反応性パルスDCスパッタリング成膜におけるBiFeO3系強磁性・強誘電薄膜の高品位作製の指針2020

    • 著者名/発表者名
      武田航太朗、山本大地、吉村哲
    • 雑誌名

      日本磁気学会論文特集号 Transaction of the Magnetics Society of Japan Special Issues

      巻: 4 ページ: 116~120

    • 査読あり
  • [学会発表] 強磁性合金における異方性磁気抵抗の4回対称成分の第一原理計算2021

    • 著者名/発表者名
      小田洋平
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 希土類磁石の保磁力機構における熱ゆらぎの役割2021

    • 著者名/発表者名
      栂裕太
    • 学会等名
      日本金属学会2021 春季講演大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 金属磁性体の2サイト型磁気異方性の第一原理的評価2020

    • 著者名/発表者名
      小田洋平、栂裕太、三浦大介、佐久間昭正
    • 学会等名
      第44回日本磁気学会学術講演会
  • [学会発表] M元素置換型ゲーサイトを出発原料とした還元窒化プロセスによるα”-(Fe,M)16N2ナノ粒子(M=Co,Al)の作製2020

    • 著者名/発表者名
      飛世正博、斉藤伸
    • 学会等名
      第44回日本磁気学会学術講演会
  • [学会発表] Nucleation and Coercivity analyses on the atomistic spin model of permanent magnets2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Toga
    • 学会等名
      65th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials
    • 招待講演
  • [学会発表] マイクロ波急速昇温を用いたCaH2による鉄酸化物還元の短時間化2020

    • 著者名/発表者名
      土田隆之、福島潤、飛世正博、林大和、滝澤博胤
    • 学会等名
      第14回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム
  • [学会発表] Nucleation process in the atomistic spin model: Nd-Fe-B magnet2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Toga, S. Miyashita, A. Sakuma, and T. Miyake
    • 学会等名
      The 26th International Workshop on Rare-Earth and Future Permanent Magnets and their Applications
  • [学会発表] Challenge to the synthesis of α”-(Fe, M)16N2 nanoparticles obtained by hydrogen reduction and subsequent nitridation starting from α-(Fe, M)OOH (M= Al, V, Cr, Mn, Ni)2020

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Tobise, Shin Saito
    • 学会等名
      2020 IEEE International Magnetic Conference

URL: 

公開日: 2021-12-27  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi