ナノ粒子の配列制御による直流-交流動作ハイブリッド型トンネルリング薄膜の創製

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21K14482
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 青木 英恵 東北大学, 工学研究科, 講師 (60733920)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 形状磁気異方性 / トンネル磁気抵抗効果 / トンネル磁気誘電効果 / ナノ複相膜

研究実績の概要

本研究では、直流-交流動作ハイブリッド型トンネリング薄膜材料を実現することを目的として、膜の面内方向に密に粒子が配列する(A)横粒子層状膜、ならびに膜の面直方向に密に粒子が配列する(B)縦粒子柱状膜の作製と直流－交流トンネル効果の評価および発現機構の解明を行う。2022年度は、Coより磁化が大きいFeを選択し、扁平ナノ粒子と高抵抗SiO2マトリクスからなる(A)横粒子層状膜を作製した。従来のTMRを発現するナノ複相膜の膜厚が数100nmであるのに対し、粒子を扁平化したFe-SiO2ナノ複相膜は膜厚わずか30nm(扁平粒子が縦に６段配列)でTMR2.5%を示した。磁性粒子の扁平化によりTMRを発現する膜厚の低減可能性が示唆された。(B)縦粒子柱状膜(長い楕円粒子を含むCo-SiO2系膜)の大きな異方性磁界Hk~6kOe(15Kにおいて)について考察するために磁気的孤立粒子の一斉回転モデルで解析を行った。扁長ナノ粒子の形状磁気異方性エネルギーが他のエネルギー項より大きくなり、低温状態での磁気異方性(保磁力)の増加が説明可能であることが示唆された。
本研究では、異種材料を交互に積層成膜するタンデム法の基板回転速度を制御することで、膜中の磁性ナノ粒子が扁平・連結粒子・扁長化する成膜条件を明らかにし、以下の２つの項目を達成した。1)扁平粒子が層状に配列する(A)横粒子層状膜の直流-交流トンネル磁気抵抗(TMR)および誘電効果(TMD)については、TMR・TMD効果が得られる層厚の範囲を明らかにすることで、直流-交流トンネルリング薄膜材料の構造最適化に成功し、最大で8%のTMR, 4%のTMDが得られた。2)扁長粒子が垂直に配列する (B)縦粒子柱状膜では、面直方向に大きな形状磁気異方性を誘起でき、なおかつ可視光域における透過性が高いことから磁気光学材料としての展開を検討している。

備考

2022年からの女子高生の実践的研究者体験プログラム「マテジョLABO」は、本研究課題の成果をもとに、仙台市の高校と連携し進める一年を通した実験主体の研究活動を女子高生に提供し、工学部への進学を検討してもらうためのプログラムです。

研究成果

• [雑誌論文] DC and AC tunneling magnetoelectric responses of cobalt lateral nanogranular films (2022)
  • 著者名/発表者名: Kijima-Aoki Hanae、Ohnuma Shigehiro、Kobayashi Nobukiyo、Masumoto Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 巻: 547 ページ: 168890～168890
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2021.168890
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Shape effect of Co nanoparticles on the electric and magnetic properties of Co?SiO₂ nanogranular films (2022)
  • 著者名/発表者名: Kijima-Aoki Hanae、Endo Yasushi、Miyazaki Takamichi、Nojima Tsutomu、Ikeda Kenji、Kobayashi Nobukiyo、Ohnuma Shigehiro、Masumoto Hiroshi
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 12 ページ: 035229～035229
  • DOI: 10.1063/9.0000310
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tunneling Magnetodielectric Effect in Co?Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Granular Films (2022)
  • 著者名/発表者名: Kimura Moe、Cao Yang、Kijima-Aoki Hanae、Kobayashi Nobukiyo、Ohnuma Shigehiro、Masumoto Hiroshi
  • 雑誌名: MATERIALS TRANSACTIONS 巻: 63 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] 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: 日本金属学会春季講演大会
• [学会発表] Magnetic nanopillars in self-organized magneto-dielectric nanocomposite thin films (2023)
  • 著者名/発表者名: Hanae Kijima-Aoki, Hiroshi Masumoto, Yasushi Endo
  • 学会等名: Intermag2023
  • 国際学会
• [学会発表] Improving magnetic and dielectric performance of Co-BaMgF4 nanocomposite films by thermal annealing treatment (2023)
  • 著者名/発表者名: Nozomi Yokohama, Hanae Kijima-Aoki, and Hiroshi Masumoto
  • 学会等名: Intermag2023
  • 国際学会
• [学会発表] Faraday effects of magneto-dielectric nanogranular films with various particle shape (2023)
  • 著者名/発表者名: Hanae Kijima-Aoki, Kenji Ikeda, Nobukiyo Kobayashi, Masato Ohnuma, Yoshiki Honda, and Hiroshi Masumoto
  • 学会等名: Intermag2023
  • 国際学会
• [学会発表] Shape effect of cobalt nano-particles on magnetic properties of Co-SiO2 nano-granular films. (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Kijima-Aoki, Y. Endo, T. Miyazaki, T. Nojima, K. Ikeda, N. Kobayashi, S. Ohnuma and H. Masumoto
  • 学会等名: Joint intermag-MMM2022
  • 国際学会
• [学会発表] Relationship between morphology and soft-magnetic properties of Co-Sr-F nano-granular films (2022)
  • 著者名/発表者名: C. Wang, Y. Endo, Y. Cao, H. Kijima-Aoki, N. Kobayashi, S. Ohnuma and H. Masumoto
  • 学会等名: Joint intermag-MMM2022
  • 国際学会
• [学会発表] 小角散乱法を用いたナノグラニュラー膜の構造とトンネル伝導の関係 (2022)
  • 著者名/発表者名: 青木英恵、本田祥基、大沼正人、小林伸聖、大沼繁弘、増本博
  • 学会等名: 日本金属学会秋季講演大会
• [備考] トピックス 青木英恵助教 論文掲載
  • URL: https://www.fris.tohoku.ac.jp/feature/topics/detail---id-1041.html
• [備考] 青木英恵講師が 第33回 (令和4年度) トーキン科学技術賞 を受賞
  • URL: https://www.ecei.tohoku.ac.jp/ecei_web/information/2022/20230330.html
• [備考] 日本磁気学会第28回公開講演会において青木英恵講師が講演を行いました
  • URL: https://www.ecei.tohoku.ac.jp/ecei_web/information/2022/20220829.html
• [備考] 女子高生の実践的研究者体験プログラム「マテジョLABO」
  • URL: http://www2.fris.tohoku.ac.jp/~aoki/
• [備考] マテジョ LABO公開講座（2022.8）
  • URL: https://arim.imr.tohoku.ac.jp/%E3%83%9E%E3%83%86%E3%82%B8%E3%83%A7-labo%E5%85%AC%E9%96%8B%E8%AC%9B%E5%BA%A7%EF%BC%882022-8%EF%BC%89