2004年度 佐藤研究室

■構成

教授

佐藤徹哉

大学院

小松克伊(D1)、藏浩彰(M2秋学期よりD1)、新井隆太 (M1) 、石井純平(M1) 、大場洋次郎(M1) 、廣岡司(M1) 、水野遊生(M1) 、渡辺敬太(M1)

学部

樫原周一郎(B4)、大野暁 (B4) 、関健太(B4) 、竹内洋司(B4) 、伊達智洋(B4) 、田中洋範(B4) 、水谷友(B4)

■ 研究成果

(1) スピングラス磁性に関する研究

(背景)人間がものごとを連想的に記憶する仕組みには脳が持つ階層的な記憶構造が関与していることから、この特徴を磁性体に存在する階層性と関係付け、より人間に近い記憶が可能な記憶素子を実現することを目標としている。対象となる材料はスピングラス(以下SG)である。SGでは本質的に異なる記憶パターンを同時に複数個記憶させることが可能であり(多値記憶)、記憶パターンとしてのスピン構造が階層的に関係付けられること(連想記憶)が期待される。本研究では、これらの興味深い現象の基礎となるSGの本質を明らかにするために、現在もっとも有力なSGの理論と考えられるドロップレット理論の実験的検証を行っている。SG相では、系をSG転移温度以下の温度Tmに急冷し、待ち時間 間待った後に磁場を印加し磁化の緩和を測定すると、磁化の緩和率S(t)はtwにより変化し、観測時間t ~ twにピークを示す。この現象は温度Tmに急冷された後に系が平衡状態へ向かう過程を示しており、エイジング現象と呼ばれる。このエイジング現象は、ドロップレット描像と密接に関連して理解されるものであり、その詳細を明らかにすることがドロップレット理論の検証には必要である。本研究では、SG微粒子のエイジングを調べることで、エイジングのメカニズムと関連した空間スケールを定量的に解明すること、およびスピングラス半導体に光照射を行い、キャリア励起によりスピン間相互作用が摂動を受けた状況下でエイジングを調べること、および磁場を印加することなくスピングラス秩序の情報を測定することで、オーバーラップの検証を行うことによりスピングラス磁性の解明を目指す。
一方、これまでイジング系スピングラスにおいて相転移の存在は計算機シミュレーションによっても明らかにされてきたが、ハイゼンベルグ系では、相転移の存在は見いだされておらず、実験との不一致が指摘されてきた。この問題を解決するために、カイラリティ秩序がスピングラス秩序を誘導するとのアイデアが提唱されている。しかし、カイラリティ秩序を実験的に検証することは非常に困難があった。近年、異常Hall効果を用いてその検証が可能であるとの理論が提唱された。本研究では、スピングラス薄膜の異常ホール効果を測定することによりカイラリティ秩序を明確に検証し、ハイゼンベルグスピングラスの転移機構を明らかにすることをもう一つの目標とした。具体的な内容は以下のようである。

(1-1)スピングラスの低温相ではエイジングや若返り効果、メモリー効果などさまざまな興味深い現象が観測される。これらの現象は主に平均場描像と液滴描像の二つの描像により説明が試みられてきているが、どちらの描像が正しいかについてはここ20年ほどの精力的な研究にも関わらず結論が出ていない。最近の研究では低温相においてスピングラスの相関長が重要な役割を担っていることが示唆されてきている。しかしながら、通常の系を用いた実験では系が平衡状態に達するまでに無限の時間を要するため、非平衡状態しか調べることができない。そこで、系が有限時間で平衡状態に達することが可能なメゾスコピックサイズのスピングラスを調べることで相関長に関する新たな知見を得ることを試みた。典型的なスピングラスであるAgMnの微粒子を作成し、磁場に依存した磁化の温度依存性を調べた結果、ある磁場を越えるとスピングラスは磁場のゼーマンエネルギーに支配された挙動を示すことがわかった。逆に低磁場ではその挙動からは外れてくることから、液滴描像により予想されている自由エネルギーからゼーマンエネルギーが支配的な領域へのクロスオーバーが観測されていると考えられる。

(1-2)温度摂動ΔT下でのスピングラスのエイジング現象は若返り-メモリー効果などの興味深い性質を示すため,盛んに研究されている.しかし,ΔTを加えると、間接的に相互作用摂動を引き起こすため摂動の影響を直接的に見積もることは出来ない.そこで本研究ではスピングラス半導体CdMnTeに光を照射することでキャリアを励起させ,直接的に相互作用摂動ΔJを与えることを試みた.その際,光照射に伴って生じる温度変化を打ち消すことでΔJの影響をより定量的に解釈することが可能になった.結果として摂動ΔJ下では磁化の緩和率S(t)のピークは無摂動の時に比べて低くなっており,さらにスピングラスに特有の部分的な若返り効果を観測した.これはΔJが与えられたときにオーバーラップ長と呼ばれるスケールが減少することで理解され、オーバーラップ長およびカオス性の存在を最も直接的に検証したものである。

(1-3)スピングラスにおいて光照射を用いた相互作用摂動を考える場合、励起キャリヤ濃度と磁気相互作用との関係が明らかなRKKY型の相互作用を持つスピングラス半導体が必要である。Sn1-xMnxTeはRKKY相互作用に起因した磁気秩序を発現する希薄磁性半導体であると報告されている。しかし、その転移温度が低い。そこで、転移温度の上昇を目指して、この系にSnと同族であるGeを添加したSn1-x-yGeyMnxTeの磁気的性質を調べた。Geドープにより、スピングラス相が消失し強磁性相が出現した。また、ドープ量増加に伴い強磁性転移温度が上昇した。原因は、Sn0.93Mn0.07TeではMnが2価であるのに対し、Ge0.98Mn0.02TeではMnが4価であったことから、RKKY相互作用に起因した磁気秩序が、Geドープによって2重交換相互作用起因の磁気秩序になったためであると考えられる。すなわち、Geドープではスピングラスの性質を制御することが難しいことが分かった。しかし、この結果は、非磁性元素の添加が希薄磁性半導体の磁性制御に有効であることを示唆するものである。

(1-4)ハイゼンベルグ型スピングラス転移はカイラリティを起源とすると考えられている。カイラリティとは3つのスピンの作る立体構造において存在する光学異性体のような2通りの状態を指す。カイラリティが転移することで異方性を介してスピングラス転移が誘起される。カイラリティは異常ホール係数によって観測されることが示唆されている。カイライティを明確に観測するためNiPtMn薄膜を用いて異常ホール抵抗と磁化の同時測定を行い異常ホール係数を求めた。異常ホール係数はスピングラス転移温度でZFCとFCで熱履歴を示した。これはカイライティによってスピングラス転移が起きていることを示唆するものである。

(1-5)磁場中におけるスピングラス相の挙動については未だに議論となっている問題である。スピングラスを研究する際、磁気測定が主に用いられるが磁場の影響を完全に排除することができない。そこで新たな測定手法としてトンネル素子を用いた手法を検討した。トンネル素子は電極として用いた金属のスピン状態の変化がトンネル抵抗の変化となって現れるため、電極にスピングラスを用いればスピングラス相のスピン状態の変化が抵抗変化となって現れるのではないかと考えられる。スピングラスAgMnを用いたトンネル素子の抵抗の温度依存性にはゆるやかなピークが見られ、ピークが見られた温度は磁気測定によって得られたスピングラスAgMnの転移温度と一致した。これはトンネル抵抗でスピングラスの性質を測定できる可能性を示唆するものであり、エイジング現象等のスピングラス特有の現象をトンネル抵抗測定から観測することが可能であるとの見通しを持った。

(2)合金微粒子およびその集合体の磁性に関する研究

(背景)超微粒子の応用には、未開拓な領域が多くある。その一つとして磁性微粒子を高分子に分散した系を用いた磁気光学材料の開発を目指している。超微粒子を磁気光学特性に優れる光学ポリマー中に分散させることで、光学的な散乱を引き起こさずに磁気光学特性のみを付加することが出来る可能性がある。このような材料が開発できるならば、将来の短波長での光通信に対応できる光アイソレータへの応用の道が開かれるものと考えられる。このような視点からFePt、FePd秩序合金微粒子およびCdMnTe希薄磁性半導体微粒子に注目して研究を進めている。試料作成法として、近年注目を集める化学的な手法を取り入れ、現在特性の良い微粒子の作成に主眼をおいて研究を進めている。具体的な内容は以下のようである。

(2-1)FePtは規則相で大きな磁気光学効果を示し,高い分散性と狭い粒径分布を持つ超微粒子を化学的手法によって合成することが出来る。しかし化学的に合成したFePtナノ粒子は不規則相を示すため,規則化させるため600℃で熱処理を施す必要がある.高温での熱処理は粒子の焼結・融合を引き起こすため,高い分散性を保ったまま規則化させるには規則化温度を下げる必要がある.これまで,本研究においてFePtCu超微粒子が真空中400℃の熱処理によって規則化することを発見した.粒径5nmの規則化したFePtCu粒子について磁気異方性を評価したところ,1.14×10^7erg/cm3と非常に大きな値を示した.大きな磁気光学効果が期待できるナノ粒子が作製できた。

(2-2)L10規則相で大きな磁気光学効果を示すFePd超微粒子を化学的な方法で作製し、その規則化について調べた。この方法で作製したFePd超微粒子は格子定数が増大し、格子間に侵入型炭素原子不純物を含むことがわかった。この不純物が規則化を促すために熱処理を行ったとき、原子拡散の妨げになり規則化に影響することがわかった。この点を踏まえて、適当な溶媒を用いた結果、規則化したFePd超微粒子を作成することに成功した。

(2-3)室温で巨大ファラデー効果を示す希薄磁性半導体Cd1-xMnxTeに注目し、Cd1-xMnxTe超微粒子を高分子に分散させることによって高分子分散系光アイソレータの作成を目指す。ホットソープ法を用いてx=0.08のCd1-xMnxTe超微粒子を作成した。磁気測定を行った結果、常磁性であった。また、本来Cd1-xMnxTeはこの組成では立方晶であるが、作成したCd1-xMnxTe微粒子をX線回折による構造解析を行った結果、六方晶であった。今後、六方晶Cd1-xMnxTeの磁気、磁気光学的性質を調べる。

(3)金属ナノ粒子表面の磁性に関する研究

(背景)磁性体をナノ粒子化すると、バルクとは大きく異なる磁性を示すことがある。その典型な材料として、4d遷移金属であるPdのナノ粒子に注目している。これまでの結果から、非常に清浄な表面を持つ高純度Pdナノ粒子において強磁性が出現することが実験的に確認された。この強磁性はナノ粒子の(100)表面にのみ出現し、また、大きな磁気異方性を有すると考えられた。以上の実験結果は、ナノ粒子において発現する本質的な磁性の変化であり、その磁性の発現メカニズムを明らかにすることにより、ナノ粒子化による磁性の制御という新しい工学的視点が確立される。そこで、ナノ粒子の磁性と表面状態の関係に着目し、研究を進めている。研究対象として、これまでのPdに加え、新たにNiナノ粒子に関する研究を加えた。また、研究手法として、電子スピン共鳴(ESR)を用いた軌道角運動量の評価を加えた。

(3-1)Pdナノ粒子表面における磁性を調べるため、Pdナノ粒子へのガス吸着実験を行い、磁性の変化について検討した。ガスの影響をより詳細に調べるため、水晶振動子を用いてガス吸着量の測定を行った。さらに、吸着量を測定した試料について磁気測定し、結果を比較した。その結果、O2ガスの吸着によってPdナノ粒子の飽和磁化が大きく減少することがわかった。これは、強磁性がPdナノ粒子の表面にのみ出現し、O2ガス吸着によって消失することを示す。

(3-2)ガス中蒸発法により作製した非常に清浄なPdナノ粒子は400Kにおいても保磁力40Oeを示し、大きな磁気異方性を有することが示唆される。本研究では、バルクにおいて本来消失しているはずの軌道角運動量がナノ粒子表面においては復活しており、スピン軌道相互作用を通して軌道磁気モーメントが強磁性秩序に寄与している可能性に着目した。ESRを用いてg因子を測定し、磁気モーメントに対する軌道の寄与を求めた結果g=1.991となり、微小な軌道の寄与を示唆する結果を得た。

(3-3)強磁性体Niのナノ粒子に注目した。NiはPdと電子構造が似ているため、Niナノ粒子においてもPdと同様に面方位に依存した磁性が観測されると考えられる。さらにNiは元々が強磁性であるので、ナノ粒子化により強磁性秩序のさらなる強化が期待される。試料作製としてガス中蒸発法を用い、清浄な表面を持つNi超微粒子を得ることができた。SQUIDによる磁化測定とTEM像によるナノ粒子表面の面方位を検討した結果、(100)表面の増加に伴い磁化が増大する傾向が見られた。これは、ナノ粒子の磁性が面方位に依存することを示唆する結果である。

(4)ナノスケール磁性体の力学的性質に関する研究

(背景)磁性薄膜、磁性ナノ粒子の研究の中で、その力学的な性質を利用するという立場の研究はこれまでほとんど行われていない。しかし、磁性形状記憶合金を薄膜化、ナノ粒子化により微細化を行うことが出来れば、将来のナノアクチュエータへの道が開ける可能性がある。通常の形状記憶合金が温度変化で形状変化するため応答時間を消費するのに比べて、磁性形状記憶合金では、磁場で形状変化が起こせるために応答の時間短縮が可能となる。この強磁性形状記憶合金をナノスケールで応用することを目指して、FePdの薄膜およびナノ粒子に注目し、磁性形状記憶合金薄膜の基礎的な性質である磁気、電気特性を調べた。具体的な内容は以下の通りである。

(4-1) Fe-30at.%Pdは強磁性形状記憶合金として知られており、磁場で制御できる応答性の高いアクチュエータとして開発が期待されている。一方、形状記憶効果はマルテンサイト変態と呼ばれる、温度変化に依存して生じる結晶変態により引き起こされる。このマルテンサイト変態は、一般に、母相のサイズが小さくなるほど変態温度が減少することが知られており、あるサイズ以下では変態しなくなる臨界粒径が存在する。この臨界粒径は、形状記憶素子を小型化する際、素子のサイズを決める重要な目安となる。そこで、実用性の高いFe-Pdを用いて、その微粒子を作製し、臨界粒径を探ることを目的とした。as-madeの微粒子は広い濃度分布を持っていたため、熱処理を行い濃度を均一化した。この試料の構造を低温X線回折法により調べたが、変態を確認することはできなかった。今後はさらに詳細な検討を行うため、リソグラフィーでpatterningした試料を用いて変態温度の粒径依存性を調べていく予定である。

(4-2)二元同時真空蒸着法を用いてFePdの薄膜の作成を行った。このFePd薄膜を低温にてX線回折をしたところ、形状記憶効果を起こすマルテンサイト変態と逆変態の確認ができた。SQUID磁力計で磁化の温度依存性の計測をした結果、多段的な磁化の変化を観測した。高磁場下(5000Oe)でバルクFePdの磁化の温度依存性が同様な変化を示すことから、薄膜を蒸着した基板からの負荷の影響が、高磁場と同様の影響を与えている可能性がある。今後、基板と薄膜間にバッファ層を積むことで基板からの負荷の影響を調べる予定である。

■発表論文・学会発表・特許申請など

論文

T. Sato and A. Hori, “Aging behavior of semiconductor spin-glass under photo illumination”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 272-276,1337~1339(2004).

K. Komatsu, T. Sato, P. Jonsson and H. Takayama, “Aging behavior of spin glass fine particles in restricted space”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 272-276,1321-1322(2004).

T. Shinohara, T. Sato, and T. Taniyama, “Ferromagnetism of gas-evaporated Pd fine particles in mesoscopic size”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 272-276, E1181-E1182(2004).

N. Takenouchi, T. Sato and T. Ogawa, “Unidirectional magnetic anisotropy in Ni/(Al, Cu)/NiMn trilayer films”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 272-276,E945-E947(2004).

Y. Matsuda, S. Hashimoto, S. Anzai, T. Sato , Y. Yamada and A. Ohta, “Magnetic field effect on the magnetic properties of (Cr1-xTix)5S6”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 272-276,E601-E603(2004).

T. Sato, T. Shinohara, T. Ogawa, T. Takeda, “Spin freezing process in a reentrant ferromagnet studied by neutron depolarization analysis”, Physical Review B 70(13),134410-1~134410 ?9(2004).

Hiroaki Kura and Tetsuya Sato, “Synthesis of L10-(FeyPt100-y)100-xCux nanoparticles with high coercivityby annealing at 400℃”, Journal of Applied Physics 96(10), 5771-5774(2004).

Hiroaki Kura and Tetsuya Sato, “Preparation of non-coagulated FePtCu nanoparticles with high coersivity”, Physica Status Solidi (c) 1(12), 3499-3502(2004).

Takenao Shinohara, Masayuki Shigemune, Tetsuya Sato, Tomoyasu Taniyama, Hiroshi Ssakurai, “XMCD study of dilutely Fe doped Pd fine particles”, Journal Physical Society of Japan 74(3),1044-1048(2005).

国内学会発表

平成16年9月 大場洋次郎、佐藤徹哉、篠原武尚
「Pd超微粒子の強磁性に対するO2ガス吸着の影響II」
日本物理学会2004年秋季大会、青森大学

平成16年9月 篠原武尚、奥隆之、鈴木淳市、池田圭太、佐藤徹哉、安達智宏、池田一昭、清水智宏
「集光型偏極中性子小角散乱法によるPd超微粒子の磁気構造の研究」
日本物理学会2004年秋季大会、青森大学

平成16年9月 藏裕彰、佐藤徹哉
「高保磁力を有するFePtCu超微粒子の合成」
日本物理学会2004年秋季大会、青森大学

平成16年9月 渡辺敬太、藏裕彰、大場洋次郎、佐藤徹哉
「ポリオールプロセスで作成したL10-FePd超微粒子の磁性」
日本物理学会2004年秋季大会、青森大学

平成16年9月 関健太、藏裕彰、佐藤徹哉
「強磁性FePd形状記憶合金超微粒子の磁気特性」
日本物理学会2004年秋季大会、青森大学

平成16年9月 水野遊生、佐藤徹哉
「リエントラントスピングラスNiPtMn薄膜の異常ホール効果」
日本物理学会2004年秋季大会、青森大学

平成16年9月 新井隆太、小松克伊、佐藤徹哉
「スピングラス半導体に対する相互作用摂動下でのエイジング現象の研究(II)」
日本物理学会2004年秋季大会、青森大学

平成16年9月 廣岡司、佐藤徹哉
「スピングラス半導体Sn 0.93 Mn 0.07 Te単結晶におけるエイジング現象の研究」
日本物理学会2004年秋季大会、青森大学

平成16年9月 藏裕彰、佐藤徹哉
「ポリオールプロセスにより作製したFePtCu超微粒子の磁気特性」
日本応用磁気学会学術講演会、沖縄コンベンションセンター

平成16年9月 渡辺敬太、藏裕彰、佐藤徹哉
「ポリオールプロセスで作製したFePd規則合金超微粒子の磁気特性」
日本応用磁気学会学術講演会、沖縄コンベンションセンター

平成16年11月 佐藤徹哉、篠原武尚、谷山智康
「Pd超微粒子表面に出現する強磁性」
日本応用磁気学会138回研究会、化学会館(東京)

平成17年3月 大場洋次郎、佐藤徹哉、篠原武尚
「Pd超微粒子の表面に発現する強磁性?ガス吸着の影響」
日本物理学会第60回年次大会、東京理科大学野田キャンパス

平成17年3月 関健太、藏裕彰、佐藤徹哉
「強磁性Fe-Pd超微粒子のマルテンサイト変態」
日本物理学会第60回年次大会、東京理科大学野田キャンパス

平成17年3月 小松克伊、佐藤徹哉
「スピングラスナノ微粒子におけるスピングラスダイナミックス」
日本物理学会第60回年次大会、東京理科大学野田キャンパス

平成17年3月 水野遊生
「リエントラントスピングラスNiPtMn薄膜の異常ホール係数の精密測定」
日本物理学会第60回年次大会、東京理科大学野田キャンパス

平成17年3月 廣岡司、佐藤徹哉
「GeをドープしたIV-VI族磁性半導体Sn 1-x Mn x Teのスピングラス特性」
日本物理学会第60回年次大会、東京理科大学野田キャンパス

平成17年3月 新井隆太、小松克伊、佐藤徹哉
「温度変化がない光照射下でのスピングラスのエイジング効果」
日本物理学会第60回年次大会、東京理科大学野田キャンパス

平成17年3月 新井隆太、小松克伊、佐藤徹哉
「温度変化がない光照射下でのスピングラスのエイジング効果」
日本物理学会第60回年次大会、東京理科大学野田キャンパス

国際会議発表

2004年6月Hiroaki Kura and Tetsuya Sato
”Preparation of non-coagulated FePtCu nanoparticles with high coercivity”
Second Seeheim Conference on Magnetism 2004, Seeheim (Germany).

■学位論文

博士論文

佐藤が主査として関係した論文

  • 篠原武尚: Pd超微粒子の表面に出現する磁気特性に関する研究
    2005年3月23日(副査:中嶋敦教授、磯部徹彦助教授、江藤幹夫助教授、喜多英治教授(筑波大))

佐藤が副査として関係した論文

  • 茶園広一:BaTiO3をベースとした積層コンデンサー用誘電体材料における微細構造と電気特性の関係
    2003年12月8日(主査:木村敏夫教授)
  • 岡部博孝:層状Co酸化物AxCoO2 (A=Na, Pd)の電子状態と物性
    2005年3月23日(主査:的場正憲教授)
  • 神原陽一:CrスピネルおよびMnペロブスカイト関連硫化物の異常磁気物性と相関電子状態
    2005年3月23日(主査:的場正憲教授)
  • 大喜田尚紀:ゼロ複屈折性光学ポリマーの合成とポリマーにおける複屈折発現機構の解析
    2005年3月23日(主査:小池康博教授)

修士論文

藏裕彰:巨大磁気異方性を有するL10FePt合金超微粒子の作製と磁気特性

学士論文

大野暁:ESRによるPd超微粒子の軌道磁気モーメントの評価
関健太:強磁性Fe-Pd超微粒子のマルテンサイト変態に伴う磁気特性
竹内洋司:スピングラストンネル素子の抵抗変化を基にしたスピングラスのダイナミクスの研究
伊達智洋:Ni超微粒子における磁化の面方位依存性
田中洋範:磁気光学材料としてのCd1-xMnxTe超微粒子の作成
水谷友:低温X線回折による強磁性Fe-Pd形状記憶合金薄膜のマルテンサイト変態の観測

■ 進路 :

慶応義塾大学大学院総合デザイン工学専攻博士課程
慶応義塾大学大学院総合デザイン工学専攻修士課程6名


Dept. Applied Physics and Physico-Informatics