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2020 年度 実績報告書

巨大ファラデー効果を示すナノグラニュラー薄膜材料の開発

研究課題

研究課題/領域番号 20H02468
研究機関公益財団法人電磁材料研究所

研究代表者

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(移行) (70205475)

研究分担者 薮上 信  東北大学, 医工学研究科, 教授 (00302232)
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(移行) (40769569)
増本 博  東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 教授 (50209459)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワードナノグラニュラー / 磁気光学効果 / ファラデー効果 / 磁性薄膜 / 磁気誘電効果 / 多機能性 / 透明強磁性 / フッ化物
研究実績の概要

磁気光学効果であるファラデー効果を示す材料は、光アイソレーターに代表されるように、様々な光デバイス、とりわけ光通信システムに広く用いられ、先端情報技術には必須となっている。しかしながら、1972年にビスマス鉄ガーネット(Bi-YIG)が発見されて以来、Bi-YIGを超える大きなファラデー効果を有する物質は見つかっていない。さらに、光学デバイスの小型化および集積化のためには、磁気光学材料の微小化・薄膜化が必須であるが、Bi-YIGを薄膜化すると特性が大きく劣化してしまう。本研究の提案する、セラミックスと微細な磁性グラニュールから成るナノグラニュラー膜は、光通信波長帯においてBi-YIGの40倍もの大きなファラデー効果を示す。
本研究では、ナノグラニュラー膜において、膜組成や作製方法を検討することによって、大きな光透過性と大きなファラデー効果、すなわち性能指数の優れた材料の開発を目指す。これまでの研究成果から、膜組成の検討によって、マトリックスの結晶性を向上させ、高い光透過性を示す膜が得られ、高い性能指数が実現することが明らかになった。スパッタ膜の結晶性は、成膜時における基板温度、また成膜後の熱処理によって変化することが知られている。本年度は、基板過熱および成膜後の熱処理による効果を検討し、それらの加熱条件を最適化することによって、更なる性能指数の向上を試みた。その結果、特に成膜後の熱処理により、光透過率およびファラデー効果の両方が大きく改善することが明らかとなった。

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

ナノグラニュラー膜において、新たに基板過熱や熱処理によって性能指数が向上することが分かった。ナノグラニュラー膜の磁気光学特性は、膜構造、特にマトリックスの結晶性に依存し、良好な結晶性を有する膜において、優れた性能指数を示す。ナノグラニュラー膜作成時の加熱工程、特に成膜後の熱処理によって結晶性が向上し、それに伴ってファラデー効果の優れた性能指数を得ることができた。この結果は、基板過熱および熱処理を最適化することによって、さらなる特性の改善が可能であることを示しており、目的とする特性を有するナノグラニュラー膜の実現に向けて、有望な結果である。

今後の研究の推進方策

本年度に得られた結果を基に、ナノグラニュラー膜の基板温度および熱処理などの加熱条件と、得られた薄膜試料の構造および諸特性の関係を明らかにする。この知見を試料作製にフィードバックすることによって、さらに高い磁気光学特性を有するナノグラニュラー膜合成のための方針の確立を目指す。さらに、対象とする組成系の選択範囲を窒化物や酸化物にも拡大して、フッ化物以外のマトリックスについても成膜後の加熱処理を詳細に検討することによって、膜中のマトリックスを構成するセラミックスの結晶化を促進し、性能指数の向上を図る。本研究の最終の目的は、ナノグラニュラー膜の非相反ナノフォトニックデバイスへの応用であることを考慮し、デバイス作製プロセスへの適用性の検討を進める。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (12件) (うち招待講演 2件) 産業財産権 (2件)

  • [雑誌論文] FeCo-BaFおよびFeCo-SiN系ナノグラニュラー膜の巨大ファラデー効果2021

    • 著者名/発表者名
      小林 伸聖,池田 賢司,荒井 賢一
    • 雑誌名

      電気学会論文誌A(基礎・材料・共通部門誌)

      巻: 141 ページ: 123~127

    • DOI

      10.1541/ieejfms.141.123

    • 査読あり
  • [学会発表] Co-MgO系ナノコンポジット薄膜の構造と磁気特性に及ぼすスパッタ照射面積の影響2021

    • 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
      日本セラミックス協会2021年年会
  • [学会発表] 磁性ナノ粒子を扁平化したCo-BaF2ナノグラニュラー膜の電気・磁気特性2021

    • 著者名/発表者名
      打越 雄央,青木 英恵,小林 伸聖,大沼 繁弘,増本 博
    • 学会等名
      日本金属学会春期第168回講演大会
  • [学会発表] 粒子の形状制御によるナノグラニュラー膜の磁気異方性制御2021

    • 著者名/発表者名
      青木 英恵,曹 洋,大沼 繁弘,小林 伸聖,増本 博
    • 学会等名
      日本金属学会春期第168回講演大会
  • [学会発表] Investigation of enlarged topological band gaps in magneto-optical epsilon-near-zero photonic crystals2021

    • 著者名/発表者名
      Tianji Liu, Nobukiyo Kobayashi, Kenji Ikeda, Yasutomo Ota, Satoshi Iwamoto
    • 学会等名
      2021年第28回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] SiNをマトリックスとしたナノグラニュラー薄膜の磁気光学効果2021

    • 著者名/発表者名
      池田 賢司,小林 伸聖,荒井 賢一
    • 学会等名
      令和3年電気学会全国大会
  • [学会発表] ナノグラニュラー(FeCo)-(BaF,SiN)膜の巨大ファラデー効果2021

    • 著者名/発表者名
      小林 伸聖,池田 賢司,岩佐 忠義,荒井 賢一
    • 学会等名
      令和3年電気学会全国大会
  • [学会発表] ナノグラニュラー透明磁性薄膜の巨大ファラデー効果2021

    • 著者名/発表者名
      小林 伸聖
    • 学会等名
      電気学会マグネティックス研究会と磁気学会光機能磁性デバイス・材料専門研究会の合同研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 透明-強磁性ナノグラニュラー膜の巨大ファラデー効果2020

    • 著者名/発表者名
      小林 伸聖,池田 賢司,荒井 賢一
    • 学会等名
      Microwave Workshop & Exhibition,MWE2020,マイクロウェーブワークショップ
    • 招待講演
  • [学会発表] Fe-PTFE 系ナノ複相薄膜の構造と磁気-誘電特性2020

    • 著者名/発表者名
      野川 健太,曹 洋,青木 英恵,小林 伸聖,大沼 繁弘,増本 博
    • 学会等名
      令和2年度 日本セラミック協会 東北北海道支部研究発表会
  • [学会発表] Co-MgO系ナノコンポジット薄膜の電気および磁気特性2020

    • 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
      日本金属学会秋期第167回講演大会
  • [学会発表] トンネル効果に与えるCo-BaF2ナノグラニュラー層状膜のCo粒子の形状と周期性の影響2020

    • 著者名/発表者名
      青木 英恵,曹 洋,大沼 繁弘,小林 伸聖,増本 博
    • 学会等名
      日本金属学会秋期第167回講演大会
  • [学会発表] Structure and dielectric properties of (CoF/FeF)-C nanocomposites2020

    • 著者名/発表者名
      曹 洋,野川 健太,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第33回秋季シンポジウム
  • [産業財産権] ナノグラニュラー構造材料およびその製造方法2021

    • 発明者名
      小林 伸聖、岩佐 忠義、池田 賢司、荒井 賢一
    • 権利者名
      公益財団法人電磁材料研究所
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2021-035401
  • [産業財産権] 電磁光学材料およびその製造方法2021

    • 発明者名
      池田 賢司、小林 伸聖、岩本 敏、太田 康友
    • 権利者名
      公益財団法人電磁材料研究所
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2021-003325

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公開日: 2021-12-27  

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