トンネル磁気誘電効果を有するナノ複相構造薄膜の新機能生体センサーの展開

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02447
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 増本 博 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 教授 (50209459)
• 研究分担者: 小林 伸聖 公益財団法人電磁材料研究所, その他部局等, 研究員 (70205475) ; 薮上 信 東北大学, 医工学研究科, 教授 (00302232) ; 曹 洋 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (50804598) ; 青木 英恵 東北大学, 工学研究科, 講師 (60733920) ; 池田 賢司 公益財団法人電磁材料研究所, その他部局, 研究員 (40769569) ; 佐々木 啓一 東北大学, 歯学研究科, 教授 (30178644) ; 鈴木 治 東北大学, 歯学研究科, 教授 (60374948)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: ナノ複相構造薄膜 / 新機能物性材料 / トンネル磁気誘電効果 / 生体親和性

研究実績の概要

本研究グループは、誘電体セラミックス中に均一に磁性ナノ粒子（直径約数nm）が分散した薄膜である磁性体－誘電体ナノ複相構造薄膜を作製し、これまでの電気磁気材料とは原理的に全く異なった新しい機能変換材料である『トンネル磁気誘電（Tunneling Magneto-Dielectric:TMR）効果」（磁場を印加すると材料の誘電率が磁場の強さに応じて変化する現象。室温で動作する。本研究グループで命名）』を見いだした。本研究は、このTMD効果の特性向上や原理の究明といった基礎研究を進めるとともに、生体センサー等の応用研究という次の段階にステップアップするための基盤的研究を行うことを目的としている。
今年度の成果として、①従来誘電体マトリックスとして用いらたフッ化物（MgF2やBaF2）材料に比べて電気抵抗率が高い材料であるSrF2に着目し、スパッタリング法による高結晶化フッ化ストロンチウム－コバルトナノ複合薄膜の合成を行い、元素添加効果を調べより高いトンネリング磁気誘電効果を得ることに成功した。②誘電体マトリックスとしてフッ化物に代わり窒化物を用いたナノ複相構造薄膜（Co-Si3N4）を作製し、スパッタ中の窒素ガス分圧を変化させることで高いTMD特性を任意の周波数において実現できることを突き止めた。③磁性体－誘電体ナノ複相構造薄膜が生体材料への応用を目指し、得られた試料の生体内安全性を調べた。良好な生体活性を有していることを骨芽前駆細胞および線維芽細胞を用い、in vitroの検討に基づき明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Novel Dielectric Nanogranular Materials with an Electrically Tunable Frequency Response (2023)
  • 著者名/発表者名: Yang Cao, Nobukiyo Kobayashi, Cheng Wang, Saburo Takahashi, Sadamichi Maekawa, Hiroshi Masumoto
  • 雑誌名: Advanced Electronic Materials 巻: 14 ページ: 2201218
  • DOI: 10.1002/aelm.202201218
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] DC and AC tunneling magnetoelectric responses of cobalt lateral nanogranular films (2022)
  • 著者名/発表者名: Hanae Kijima-Aoki, Shigehiro Ohnuma, Nobukiyo Kobayashi, Hiroshi Masumoto
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 巻: 547 ページ: 168890
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2021.168890
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tunneling Magnetodielectric Effect in Co?Al2O3 Granular Films (2022)
  • 著者名/発表者名: Moe Kimura, Yang Cao, Hanae Kijima-Aoki, Nobukiyo Kobayashi, Shigehiro Ohnuma, Hiroshi Masumoto
  • 雑誌名: MATERIALS TRANSACTIONS 巻: 63・12 ページ: 1677-1681
  • DOI: 10.2320/matertrans.mt-m2022098
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Effect of sputtering condition on tunnel magneto-dielectric response in Co-(Si-N) nanocomposite films (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoharu Uchiyama、Cao Yang、Hanae Aoki、Kenji Ikeda、Nobukiyo Kobayashi、Shigehiro Ohnuma、Hiroshi Masumoto
  • 学会等名: 第61 回セラミックス基礎科学討論会
• [学会発表] 光周波数帯の誘電特性に及ぼす Co-BaF2ナノ複相膜の Co添加量の効果 (2023)
  • 著者名/発表者名: 青木 英恵、池田 賢司、小林 伸聖、増本 博、遠藤 恭
  • 学会等名: 第172回日本金属学会2023年春期大会
• [学会発表] Co-Al2O3系ナノグラニュラー薄膜におけるトンネル磁気－光学効果 (2023)
  • 著者名/発表者名: 木村 萌、池田 賢司、小林 伸聖、大沼 繁弘、増本 博
  • 学会等名: 第172回日本金属学会2023年春期大会
• [学会発表] CoPt-SrF2 ナノグラニュラー薄膜における GHz 付近の磁気・電気効果 (2023)
  • 著者名/発表者名: 王 誠、小林 伸聖、大沼 繁弘、増本 博
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2023年年会
• [学会発表] 数珠状Fe－Bアモルファス微粒子の高周波磁気特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 村田啓太、宮崎孝道、青木英恵、増本博、遠藤恭
  • 学会等名: 第46回日本磁気学会学術講演会
• [学会発表] 複合配向化した微粒子コンポジット材の磁気特性に関する研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 若林和志、村田啓太、宮崎孝道、増本 博、遠藤 恭
  • 学会等名: 第46回日本磁気学会学術講演会
• [学会発表] Co?(Si?N)ナノコンポジット薄膜におけるトンネル磁気誘電効果の発現 (2022)
  • 著者名/発表者名: 内山 智元、曹 洋、青木 英恵、池田 賢司、小林 伸聖、大沼 繁弘、増本 博
  • 学会等名: 第35回日本セラミックス協会秋期シンポジウム
• [学会発表] 磁性金属－絶縁体ナノコンポジット薄膜による新しい磁気-誘電効果材料 (2022)
  • 著者名/発表者名: 増本 博
  • 学会等名: 第35回日本セラミックス協会秋期シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Electrical control of tunnel magnetodielectric response in nanogranular films (2022)
  • 著者名/発表者名: 曹洋、小林伸聖、大沼繁弘、増本 博
  • 学会等名: 日本金属学会2022年秋期講演大会
• [学会発表] Enhancement of tunneling magneto-electric responses by Fe addition in Co-(Sr-F) nano-granular thin films (2022)
  • 著者名/発表者名: 王 誠、曹洋、小林伸聖、大沼繁弘、増本 博
  • 学会等名: 日本金属学会2022年秋期講演大会
• [学会発表] 複合軟磁性微粒子コンポジット材における磁気特性の磁界 配向処理効果 (2022)
  • 著者名/発表者名: 若林和志、村田啓太、宮崎孝道、増本 博、遠藤 恭
  • 学会等名: 日本金属学会2022年秋期講演大会
• [学会発表] 熱処理によるCo-Al2O3 系ナノグラニュラー薄膜の弱磁場に おけるトンネル磁気－誘電効果の向上 (2022)
  • 著者名/発表者名: 木村 萌、曹 洋、青木 英恵、大沼 繁弘、小林 伸聖、増本 博
  • 学会等名: 日本金属学会2022年秋期講演大会
• [学会発表] 共スパッタ法により作製したCo-BaMgF4薄膜の結晶構造と磁気および誘電特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 横浜希、青木英恵、小林伸聖、大沼繁弘、増本博
  • 学会等名: 令和４年度日本セラミックス協会東北北海道支部研究発表会
• [学会発表] Microwave heating on Co-Al2O3 thin films and their TMR properties (2022)
  • 著者名/発表者名: Yu-Ting Chen、Moe Kimura、Shigehiro Ohnuma、Nobukiyo Kobayashi、Hiroshi Masumoto
  • 学会等名: TU-TaipeiTech Joint Symposium 2022
  • 国際学会