【公開日：2025.07.31】【最終更新日：2025.07.31】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22MS1014
利用課題名 / Title
ナノ磁性微粒子、及び磁性体ナノ周期構造を利用した新規磁気光学材料の開発
利用した実施機関 / Support Institute
自然科学研究機構 分子科学研究所 / IMS
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed
キーワード / Keywords
磁性ナノ微粒子, 複合材料, マルチフェロイクス, 磁気光学効果,スピントロニクスデバイス/ Spintronics device,アクチュエーター/ Actuator
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
中嶋 聖介
所属名 / Affiliation
静岡大学大学院総合科学技術研究科工学専攻
共同利用者氏名 / Names of Collaborators Excluding Supporters in the Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Supporters in the Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
MS-218：SQUID（MPMS-7）
MS-219：SQUID（MPMS-XL7）
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
近年、強誘電性、強磁性を併せもつマルチフェロイクス物質が注目されているが、特に強誘電体と強磁性体の複合ナノ構造を有する物質の作製が試みられている。本研究では、均一性の高いナノピラー構造を有するCarbon Nanotube (CNT)をテンプレートとしたマルチフェロイック材料の作製を検討した。CNTは基板に対して垂直なピラー形状をもち、高い空隙率を有する。従って、そのピラー構造表面に強誘電体層、及び強磁性体層を堆積させることで、多層ナノピラー構造の作製を試みた。平面基板の面に平行な多層構造では、基板によるクランプ効果が大きいが、基板に垂直に成長したCNTを用いることで、クランプ効果が低減し、電気磁気効果が発現しやすくなると期待される。CNT上に作製した多層ナノピラー構造に対して、磁化の温度依存性を測定したところ、強誘電体層の構造相転移温度付近で磁化が不連続に変化するギャップを観測した。層の繰り返し回数を変えることで、ギャップが現れる温度が変化することがわかった。これら試料において、電気磁気効果が発現する可能性があり、今後評価を行っていく予定である。
実験 / Experimental
シリカ基板、シリコンウェハ基板に対して、CVD 法により各種条件においてCNTを成長させた。これをパルスレーザー堆積装置に導入し、種々の条件において、強誘電体層及び強磁性体層の薄膜作製を行った。光源はNd:YAG Laser (Continuum, Powerlight 9030)の三倍波（λ=355 nm）を用い、パルスエネルギーを100 mJ とした。O2圧は1.0×10-1 Paとした。繰り返し周波数は10 Hzとし、10~40 minの成膜時間とした。各層の厚さ、繰り返し回数等を変え、種々の試料を作製した。得られた試料に対して、分子科学研究所機器センターにおいて超伝導量子干渉計(SQUID)を用いた磁気特性の評価を行った。主に一定磁場下における磁化の温度依存性を測定した。
結果と考察 / Results and Discussion
CNT成長基板上にBaTiO3層とFe3O4層を交互に積層した薄膜を作製した。1層目をBaTiO3層として、総積層数を3,5,7,9層とした。また比較のため石英ガラス基板上に3 層積層した試料を作製した。各層の堆積時間は、20 分間とした。外部磁場500 Oeに対する磁化の温度依存性の結果より、3層及び5層の試料において室温付近と350Ｋ付近において磁化の不連続なギャップが観測された。この磁化の変化は、強誘電体であるBaTiO3相における斜方晶から正方晶へ、正方晶から立方晶への構造相転移温度に近いことから、BaTiO3相の構造変化が強磁性層に伝わりその磁化状態を変化させたことが原因であると考えられる。また、7層及び9層の試料においては、高温側のギャップのみが観測された。CNTを成長させていない石英ガラス基板を用いた試料では、上記のようなギャップは現れなかった。以上のことから、CNT上に作製した積層薄膜試料では強磁性層と強誘電体層の格子における結合が強く、電気磁気効果を発現する可能性がある。今後は層の厚さを変えるなどして、より強い効果が得られる作製条件を検討するとともに、直接電気磁気効果を評価する手法を検討する必要がある。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Seisuke Nakashima, Enhancement of magnetization in silica composite of ZnFe2O4 nanoparticles induced by femtosecond-laser irradiation, Applied Physics A, 128, (2022).
DOI: 10.1007/s00339-022-05979-y
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 前田 明人，中嶋 聖介，“ PLD法を用いたCNT上へのBaTiO3-Fe3O4多層膜作製”2022年度レーザー学会中部支部若手研究発表会，令和4年12月23日
- 中嶋 聖介，“酸化物磁性体を用いたナノ複合材料の創製と磁気光学特性の評価”静岡大学工学部研究交流会，令和4年8月4日，名古屋大学， 主催：レーザー学会中部支部
- Seisuke Nakashima, Yukio Kimura, “Ferrimangnetic properties of xerogels doped with ZnFe2O4 nanoparticles induced by femtosecond laser irradiation” 16th International Conference on Laser Ablation (COLA 2021/2022)，令和4年4月27日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件