| 研究課題/領域番号 |
20J20172
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
木村 萌 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| キーワード | トンネル磁気ー誘電効果 / ナノコンポジット薄膜 / スパッタリング / 酸化物セラミックス / 磁気特性 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、酸化物誘電体セラミックス中に磁性金属ナノ粒子を分散させた磁性金属－酸化物誘電体ナノコンポジット薄膜を作製し、トンネル磁気－抵抗(TMR)効果やトンネル磁気－誘電(TMD)効果のような機能変換特性を発現および高性能化させることである。当研究グループが発見したTMD効果は室温で磁場によって誘電率が変化する効果であり、誘電体セラミックス中に分散した磁性金属粒子の形状、粒子サイズ、粒子間距離、粒子表面状態に大きな影響を受ける。すなわち、TMD効果の発現および高性能化には膜構造の制御が必須である。昨年度は成膜装置内にプラズマ制限絞りを設置することで、膜構造の制御に成功した。２年目にあたる本年度は、昨年度に引き続き成膜装置の改良を行うとともに、酸化物マトリックスの組成探査に注力した。
装置の改良では、従来の8倍の薄膜を一度に作製できるようにした。加えて、基板位置を任意に変更できるようにしたことにより精密な組成コントロールが可能になり、膜構造制御の精度が向上した。
酸化物の探査では、CaOとTa2O5に着目した。Co-CaOナノコンポジット薄膜の作製に成功し、この組成系ではじめてTMR効果およびTMD効果を発現できた。また、Co-Ta2O5ナノコンポジット薄膜では比較的高い5.8%のTMR効果が得られた。これまで作製したCo-酸化物系ナノコンポジット薄膜の微細構造とTMR効果との関係から、酸化物マトリックスとCoOとの生成熱差が大きい方が、TMR効果が大きくなる傾向があることが分かった。
上記の結果は今後TMR効果およびTMD効果が発現する磁性金属－酸化物誘電体ナノコンポジット薄膜を作製する上での大きな知見である。研究を進めるうえで重要な成果であると判断できる。
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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
本年度は、昨年度の成膜装置の改良からヒントを得て、基板ホルダーの改良を目的とした。また、当初の目的通り、酸化物マトリックスの組成探査も目的とした。
成膜装置内の基板ホルダーをより多い基板（1 cm角）に対して成膜できるように設計・改良した。同成膜条件の膜が一度に作製できるようになったことで、成膜後のプロセス（熱処理、TEM観察、XPS分析など）に割り振れるようになり、実験効率が大きく向上した。加えて、基板位置を任意に変更できるようにした。これにより基板上の組成ムラが改善され、精密な組成コントロールが可能になり、膜構造制御の精度が向上した。この改善により、当初の計画以上の試料作製を実現できた。
酸化物マトリックスの組成探査では、CaOとTa2O5に着目した。Co-CaOナノコンポジット薄膜の作製に成功し、この組成系ではじめてTMR効果およびTMD効果を発現できた。これまで作製したCo-酸化物系ナノコンポジット薄膜(Co-Al2O3膜, Co-MgO膜, Co-CaO膜, Co-Ta2O5膜)におけるTMR効果と薄膜の微細構造との関係から、酸化物マトリックスとCoOの生成熱差が大きい方がTMR効果を発現する膜構造が得られやすいことを見出した。この成果が評価され、国際会議MRM2021においてPoster Awardを受賞した。
さらに、磁性金属－酸化物誘電体ナノコンポジット薄膜の光学特性評価にも着手した。
以上より、本年度は当初の計画以上に進展していると判断できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度で成膜装置の改良およびナノコンポジット薄膜の組成探査において良い成果が得られたことから、次年度は主にTMD効果の高機能化および新たな機能変換特性の発現に注力する予定である。TMD効果の応用化には、小さい磁場で誘電率が変化することが求められる。すなわち、磁場感度を高めることが重要である。これまでの研究により、ナノコンポジット薄膜中の膜構造の最適化によって、磁場感度が向上することが分かっている。成膜時の基板熱処理や成膜後の熱処理、基板回転速度の最適化により、TMD効果の磁場感度の向上を目指す。
上記と並行して、新奇な機能変換材料の開発を目指し、磁性金属－酸化物誘電体ナノコンポジット薄膜の光学特性の評価に挑戦する。ナノコンポジット薄膜は光の領域において、酸化物マトリックスに由来する誘電率だけでなく、膜構造（粒子の相互作用など）由来の誘電率も有すると予想される。それぞれの誘電率を評価し、膜構造との相関を調査する。これは磁気-光学特性などの新たな機能変換特性の発現メカニズムに多分に寄与すると考えられる。
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