2007年度 佐藤研究室

■構成

教授

佐藤徹哉

助教

牧英之

大学院

小松克伊(D3)、藏浩彰(D3)、大場洋次郎(D2)、乾智絵(M2)、浦山太一(M2)、岡本啓明(M2)、庭山潤(M2)、水野智行(M2)、井口亮(M1)、尾崎晋佑(M1)、坂本泰浩(M1)、日比野訓士(M1)、平岡徳将(M1)

学部

河合佑治(B4)、沼田 展明(B4)、廣井 孝介(B4)、松崎 洋平(B4)、山田 都照(B4)

■ 研究成果

(1) スピングラス磁性に関する研究

スピングラスではエイジング現象や若返り・メモリー効果など非常に興味深い現象が報告されている。このような現象のメカニズムはまだ未解明な部分が多く、そのメカニズムを解明するために様々な実験的アプローチを行っている。

  1. 微細加工技術によりスピングラスの微粒子を作製し、エイジングに関係するスピンの相関長に関する情報を系のサイズを制限することで得ることを試みた。サイズの制限に伴い零磁場冷却後の磁化の温度依存性のピークの温度が減少することが確かめられ、相関長との関連が示唆される結果が得られた。また、異常ホール効果測定により微小領域のスピン相関の情報を得る試みも行っている。
  2. スピングラス磁性半導体に光照射を行い、温度ではなく相互作用に摂動を与えたときのダイナミクスを調べる。温度および相互作用の摂動下でのダイナミクスの研究は若返り・メモリー効果のメカニズムを解明するために重要である。温度の摂動を与える実験は多く報告されているが、相互作用に摂動を与える例はなく、非常にユニークな研究であると言える。
  3. ハイゼンベルグスピングラスではスピン配置の幾何的なカイラリティが秩序の起源となっているということが近年示唆されている。カイラリティは異常ホール効果により観測できることが示唆されているが、異常ホール効果は小さく、詳細な議論はできていない。そこで大きな異常ホール効果を得るためにリエントラントスピングラスの薄膜をイオンビームスパッタ法により作製し、精密な測定を行った。異常ホール係数は強磁性相では従来の理論で説明ができるが、スピングラス相は従来の理論では説明できない現象が観られ、カイラリティの寄与を示唆する結果が得られた。
  4. 強磁性ナノ粒子の凝集系や分散系では微粒子1つ1つは強磁性でありながら、微粒子間に双極子相互作用などが働き、空間配置や粒径のランダムさによりスピングラスのような状態が生じる。強磁性ナノ粒子の研究は主に磁性流体を凍結させた状態で測定が行われているが、この状態では粒子間の相互作用を定量的に評価することが難しい。現在まで粒子間距離を制御した系を作製することに成功しており、今後粒子間距離の変化によるスピングラス的振舞への影響などを評価する。

(2) 光と磁性の相互作用に関する研究

光と磁性には密接な関係があり、相互に影響を及ぼすことが知られている。例として、ファラデー効果や光誘起磁化などが挙げられる。これらの現象は、磁性体の根源となる電子スピンが光と相互作用することで発現するため、材料の構造や電子状態を変化させることで、相互作用を変化させお互いの特性を制御することが可能になると考えられる。本研究班では、それらにおける総合的な研究を行っている。具体的な研究内容を以下に示す。

  1. 室温で強磁性を示し、大きなファラデー効果を示す希薄磁性半導体Zn1-xCrxTeナノ粒子を作製した。X線磁気円二色性の測定結果により、Zn1-xCrxTeナノ粒子が作製されていることを確認した。
  2. ゾルゲル法を用いて作製した磁性フォトニック結晶のファラデー回転角が単層と比較して22倍に増大されることが示された。また、その増大するときの波長は、局在波長に限らないという可能性が示唆された。
  3. 媒質中に磁性ナノ粒子が分散した系(ナノ粒子分散系)の磁気光学特性を、実験とシミュレーションにより求め、ナノ粒子分散系における磁気光学特性を予測可能であることが示唆された。
  4. Azoで表面修飾したPdやPtナノ粒子の磁性を光照射により制御することを試みた。Azoの光異性化によって、ナノ粒子の磁性を制御可能であることが示唆された。
  5. 磁場により電気分極が変化するマルチフェロイックCoCr2O4薄膜をゾルゲル法を用いて作製した。その結果、誘電率にマルチフェロイック特性を確認でき、磁場により光学特性を制御できる可能性が示唆された。

(3)金属ナノ粒子表面の磁性に関する研究

PdおよびPtは常磁性の金属であるが、強磁性体に近い電子状態を持ち、“強磁性寸前の金属”と言われている。そのため、これらの金属は低次元化や外部入力により電子状態を変調することで容易に強磁性を発現し得る物質であり、この常磁性→強磁性スイッチングを利用することで、従来には無い新たな原理に基づく磁気デバイスを開発できると期待される。具体的な研究内容は下記の通りである。

  1. X線磁気円二色性測定を行い、Pdナノ粒子の電子状態と磁性を調べた。その結果、Pdナノ粒子は3d遷移金属と同等の軌道磁気モーメントを持つこと、4dバンドの空準位の増加が強磁性の発現に寄与することが示唆された。
  2. ESR実験を行い、Pdナノ粒子の磁気異方性を検討した。その結果、ナノ粒子中に2種の強磁性領域が存在し、それぞれの領域が小さいながらも軌道磁気モーメントを有することが分かった。
  3. Pdの表面における2次元的性質に着目し、第一原理計算を用いてPd薄膜の電子状態と磁性を検討した。その結果、Pd(100)薄膜と(111)薄膜において異なる磁性発現メカニズムを見出した。
  4. 電界による磁性制御を実現するため、金属-溶液界面に生じる電気二重層を用いた、磁性の可逆的制御を試みている。電界印加中における磁気光学効果の測定手法を確立し、Ni薄膜における磁性の可逆的な変化を観測することに成功した。
  5. PtはPd以上の強い磁気異方性を示すと予想され、応用上重要な物質である。そこで、Ptにおける強磁性発現の条件を探索することを目的として、Pt薄膜の磁性の研究を試みている。MBE装置による試料作製条件の決定と、試料の真空封入機構の構築を行った。今後、得られた試料の磁気測定を進める予定である。

(4)微細加工技術を用いた新規デバイス開発に関する研究

カーボンナノチューブは、直径1nm程度の円筒構造をもつ一次元材料として注目されており、量子細線や量子ドットとして振舞うことから、量子輸送研究などの分野で盛んに研究されている。さらにカーボンナノチューブは、その構造(カイラリティー)に依存して金属および半導体として振舞うことから、一次元導体からトランジスタまで、様々な電子材料への応用が期待されている。また、最近になり、半導体カーボンナノチューブにおいて0.9~1.6μm程度の近赤外領域でのフォトルミネッセンスが報告されるようになり、カーボンナノチューブの光物性を利用した光デバイスや光・電子デバイスが近い将来次々と登場するものと思われる。本研究では、カーボンナノチューブを用いた機能電子デバイス開発を目的として、下記の研究を進めた。

  1. 応力印加デバイスによるバンドギャップの連続制御と波長可変発光:単層カーボンナノチューブ(SWNT)は大きな機械的弾性を持つことが知られており、この特性を利用し、外部入力として引っ張りなどの応力をSWNTに印加することにより、バンドギャップ連続制御が可能と考えられる。応力印加によるバンドギャップ連続変調は、これまで理論的には実現可能との報告がなされていたが、実際には一本のSWNTへの応力印加は非常に困難であり、これまで実験的には実証されていなかった。本研究では、一本のSWNTに対して、圧電素子により応力を印加可能な素子を新たに開発するとともに、応力印加による一本のSWNTのバンドギャップの連続制御に世界に先駆けて成功した。
  2. 電極の仕事関数制御によるキャリア注入制御:本研究では、多量のSWNTからなるSWNT薄膜に様々な仕事関数の電極を形成することにより、電極-ナノチューブ界面のショットキーバリアを制御し、SWNTへの電子・正孔注入を制御することを試みた。その結果、高い仕事関数電極ではp型伝導、低い仕事関数電極ではn型伝導が得られることが明らかとなった。また、SWNT両端に低・高仕事関数電極を形成したデバイスでは、ゲート電圧に依存してp型とn型の両方を示す両極性伝導を得ることが出来た。この両極性伝導を用いることにより電子・正孔の同時注入が可能となるため、電子・正孔注入による発光素子の実現が期待される。
  3. カーボンナノチューブ電流注入型発光素子開発:近年、半導体SWNTからのフォトルミネッセンス測定により、0.9~1.6μm程度の近赤外領域で発光することが明らかとなっており、SWNTに電極を形成することで電流注入型の発光素子実現が期待されている。本研究では、一本の孤立SWNTおよびSWNT薄膜を用いた素子に対して、電流注入による発光測定を行った結果、電流注入により近赤外領域で発光が得られた。SWNTの発光素子への応用が期待される。
  4. 局所ゲート電界を用いたキャリア緩和時間制御:本研究では、正・負のゲート電圧をSWNTの長さ方向に対して印加することにより、バンド端をゲート電圧で空間的に可変的に変調することを試みた。その結果、局所バックゲート構造を有する素子を作製することが出来たことから、今後ゲート電圧印加に伴う緩和時間の変化をフォトルミネッセンス測定により行う。
  5. 局所バックゲート構造による二重結合量子ドットデバイス開発:カーボンナノチューブは、電極形成をすることによりナノチューブ-電極間にトンネルバリアが形成されることから、低温では量子ドットとして振る舞い、単一電子トランジスタ特性を示す。近年、カーボンナノチューブ内に存在する欠陥をトンネルバリアとして利用することにより、2つ以上の量子ドットが結合した多重結合量子ドットが報告されている。この多重結合量子ドットでは、それぞれの量子ドットに位相の異なる交流ゲート電圧を印加することにより、電圧1周期に対して1つの電子が輸送される一電子ポンプへの応用が期待されている。本研究では、局所バックゲート構造を有する量子ドットデバイスを作製し、低温での電気測定により二重結合量子ドット特性の観測を試みた。その結果、二重結合量子ドットに特徴的なハニカム状のクーロンピークが観測され、バックゲート構造による二重結合量子ドット作製に成功した。

進路

味の素 1名
リコー 1名
キャノン 1名
トヨタ自動車 1名
慶応義塾大学大学院総合デザイン工学専攻修士課程 5名

■発表論文・学会発表・特許申請など

論文

  • H. Maki, S. Suzuki, T. Sato and K. Ishibashi. “Band gap narrowing and electron doping by potassium encapsulation into single-walled carbon nanotubes”, Japanese Journal of Applied Physics 46(4B), 2486-2489(2007).
  • R. Arai, K. Komatsu, T. Sato, “Aging behavior of spin glasses under bond and temperature perturbation using photo illumination”, Physical Review B 75(14), 144424 1-8(2007).
  • H. Maki, T. Sato and K. Ishibashi, “Direct observation of the deformation and the band gap change from an individual single-walled carbon nanotube under uniaxial strain”, Nano Letters 7(4), 890 – 895(2007).
  • A. Harada, T. Taniyama, Y. Takeuchi, T. Sato, T. Kyomen, and M Itoh, “Ferromagnetism at the surface of a LaCoO3 single crystal observed using scanning SQUID microscopy”, Physical Review B 75(18), 184426 1-5(2007).
  • Chie Inui, Hiroaki Kura, Tetsuya Sato, Yosuke Tsuge, Seimei Shiratori, Hisanori Okita, Akihiro Tagaya and Yasuhiro Koike, “Preparation of nanocomposite for optical application using surface modified ZnTe nanoparticles and zero-birefringence polymer”, Journal of Materials Science 42(19), 8144-8149(2007).
  • Chie. Inui, Yosuke. Tsuga, Hiroaki. Kura, Shinobu. Fujihara, Seimei. Shiratori, Tetsuya. Sato, “Preparation of one-dimensional photonic crystals by sol-gel process for magneto optical materials”, Thin Solid Films 516(9), 2454-2459(2008).
  • Kenta Seki, Hiroaki Kura, Tetsuya Sato and Tomoyasu Taniyama, “Size depndence of martensite transformation temperature in ferromagnetic shape memory alloy FePd”, Journal of Applied Physics 103, 063910 1-9(2008).
  • Haitao Yang, Daiji Hasegawa, Shinsuke Ozaki, Tetsuya Sato, Migaku Takahashia and Tomoyuki Ogawa, “Gram-scale synthesis of monodisperse Fe nanoparticles in one pot”, Scripta Materialia 58, 822-825(2008).
  • Yutaka Niwayama, Hiroaki Kura, Tetsuya Sato, Migaku Takahashi and Tomoyuki Ogawa, “Room temperature ferromagnetism in diluted magnetic semiconductor Zn1-xCrxTe nanoparticles synthesized by chemical method”, Applied Physics Letters 92, 202502 1-3(2008).

国内学会発表

  • 平成19年5月 日比野訓士、水野智行、牧英之、佐藤徹哉
    「架橋カーボンナノチューブへの電極形成とその電気特性」
    日本材料科学会平成19年度学術講演大会、東京工業大学
  • 平成19年5月 水野智行、牧英之、谷山智康、佐藤徹哉
    「カーボンナノチューブトランジスタの局所ゲート電極形成による効果」
    日本材料科学会平成19年度学術講演大会、東京工業大学
  • 平成19年5月 平岡徳将、牧英之、佐藤徹哉
    「カーボンナノチューブに内包したPdナノワイヤーの作製」
    日本材料科学会平成19年度学術講演大会、東京工業大学
  • 平成19年5月 尾崎晋佑、樫原周一郎、藏裕彰、佐藤徹哉
    「Coナノ粒子を用いたナノ粒子分散系の磁気光学特性」
    日本材料科学会平成19年度学術講演大会、東京工業大学
  • 平成19年7月 牧英之、佐藤徹哉、石橋幸治
    「一軸引っ張り歪印加による孤立単層カーボンナノチューブのバンドギャップ連続制御」
    第33回フラーレン・ナノチューブ総合シンポジウム、九州大学
  • 平成19年9月 乾 智絵,蔵 裕彰,佐藤徹哉
    「ゾルゲル法による磁性フォトニック結晶の作製と評価」
    第68回応用物理学会学術講演会、北海道工業大学
  • 平成19年9月 岡本崇生,籔内 真,牧 英之,佐藤徹哉,太田英二,谷山智康
    「2次元配列させたPdナノ粒子の磁気特性および電気伝導性」
    第68回応用物理学会学術講演会、北海道工業大学
  • 平成19年9月 日比野訓士,牧 英之,谷山智康,佐藤徹哉
    「化学気相成長単層カーボンナノチューブに対する異なる仕事関数の金属を用いた電極形成」
    第68回応用物理学会学術講演会、北海道工業大学
  • 平成19年9月 牧 英之,佐藤徹哉,石橋幸治
    「一軸引っ張り歪印加による孤立単層カーボンナノチューブのバンドギャップ連続制御」
    第68回応用物理学会学術講演会、北海道工業大学
  • 平成19年9月 庭山潤,藏裕彰,佐藤徹哉
    「強磁性を示す希薄磁性半導体Zn1-xCrxTeナノ粒子の作製と評価」
    日本物理学会第62回年次大会、北海道大学
  • 平成19年9月 大場洋次郎,岡本啓明,佐藤徹哉,中村哲也,大沢仁志,室隆桂之,篠原武尚B,鈴木淳市
    「Pdナノ粒子のX線磁気円二色性実験」
    日本物理学会第62回年次大会、北海道大学
  • 平成19年9月 浦山太一,影島博之,佐藤徹哉
    「第一原理計算による二次元系Pdの磁性発現に関する研究」
    日本物理学会第62回年次大会、北海道大学
  • 平成19年9月 岡本啓明,大場洋次郎,佐藤徹哉
    「ESRによるPdナノ粒子の磁性と軌道角運動量の評価」
    日本物理学会第62回年次大会、北海道大学
  • 平成19年9月 井口亮,小松克伊,牧英之,佐藤徹哉
    「スピングラスの微小領域における異常ホール効果測定」
    日本物理学会第62回年次大会、北海道大学
  • 平成19年9月 小松克伊,牧英之,佐藤徹哉
    「サイズの制限されたスピングラスのダイナミクス」
    日本物理学会第62回年次大会、北海道大学
  • 平成19年9月 尾崎晋佑,樫原周一郎,藏裕彰,牧英之,佐藤徹哉
    「Coナノ粒子を用いたナノ粒子分散系の磁気光学特性」
    日本物理学会第62回年次大会、北海道大学
  • 平成20年3月 小松克伊、牧英之、佐藤徹哉
    「サイズの制限されたスピングラスのダイナミクスII」
    日本物理学会第63回年次大会 近畿大学
  • 平成20年3月 坂本泰浩、藏裕彰、須田理行、牧英之、栄長泰明、佐藤徹哉
    「表面修飾されたPtナノ粒子における強磁性発現」
    日本物理学会第63回年次大会 近畿大学
  • 平成20年3月 廣井孝介、小松克伊、藏裕彰、牧英之、佐藤徹哉
    「ガラスコートにより粒子関距離を制御した強磁性微粒子集合体が示す磁性」
    日本物理学会第63回年次大会 近畿大学
  • 平成20年3月 尾崎晋佑、藏裕彰、牧英之、佐藤徹哉
    「ナノ粒子分散系の磁気光学特性」
    日本物理学会第63回年次大会 近畿大学
  • 平成20年3月 水野智行, 牧英之, 鈴木哲, 小林慶裕, 佐藤徹哉
    「マルチバックゲートのカーボンナノチューブ2重接合型量子ドットの制御」
    第34回フラーレンナノチューブシンポジウム、名城大学

国際会議発表

  • 2007年5月Takao Okamoto, Shin Yabuuchi, Hideyuki Maki, Tetsuya Sato, Eiji Ohta, Tomoyasu Taniyama
    “Magnetism and conductance pf Pd nanoparticles”
    1st International Conference on Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC) and 2nd International Conference on Joining Technology for New Metallic Glasses and Inorganic Materials (JTMC), Shonan Village Center (Japan)
  • 2007年9月 H. Maki, T. Sato, K. Ishibashi
    “Band-Gap Tuning of an Individual Single-Walled Carbon Nanotube with Uniaxial Strain”
    The 2007 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2007), Tsukuba (Japan).
  • 2007年10月 Y. Oba, H. Okamoto, T. Sato, T. Shinohara, J. Suzuki, T. Nakamura, T. Muro, and H. Osawa
    “X-ray magnetic circular dichroism study in ferromagnetic Pd nanoparticle”
    6th international conference of fine particle magnetism (ICFPM), Rome (Italy)
  • 2007年10月K. Komatsu, H. Maki, and T. Sato
    “Dynamics of mesoscopic spin glass with uniform size”
    6th international conference of fine particle magnetism (ICFPM), Rome (Italy)
  • 2007年10月Y. Niwayama, H. Kura, and T. Sato
    “Synthesis and characterization of ferromagnetic Zn1-XCrXTe nanoparticles”
    6th international conference of fine particle magnetism (ICFPM), Rome (Italy)
  • 2007年12月 H. Maki, T. Sato, K. Ishibashi
    “Band-Gap Tuning of an Individual Single-Walled Carbon Nanotube with Uniaxial Strain”
    International Symposium on Advanced Nanodevices and Nanotechnology(ISANN), Hawaii (U.S.A.).
  • 2008年2月 H. Maki, T. Sato, K. Ishibashi
    “Band-Gap Tuning of an Individual Single-Walled Carbon Nanotube with Uniaxial Strain”
    International CNT Conference 2008 in NU (ICNTC2008), Nagoya Univ. (Japan).

特許

なし

 

■表彰

牧 英之 応用物理学会講演奨励賞

 

■学位論文

博士論文

○佐藤が主査として関係した論文

  • 藏 裕彰: FePt, FePtCuおよびFePtAuナノ粒子の規則化と高保磁力化に関する研究
    2008年3月23日(副査:磯部徹彦准教授、太田英二教授、的場正憲教授、高橋研教授(東北大))

○佐藤が副査として関係した論文

  • 一二三洋希:Design and Synthesis of Novel Magnetic Resonance Imaging Probes and their Application to Imaging
    2008年3月23日(主査:鈴木孝治教授)
  • 安藤直人:Formation of Large Cluster Anions of Aromatic Hydrocarbons and Size Effect on their Structure and Electronic States
    2008年3月23日(主査:中嶋 敦教授)
  • 薮内 真:Si結晶中Mn不純物およびMnナノシリサイドの磁性に関する研究
    2008年3月23日(主査:太田英二教授)
  • 池田数磨:熱電変換性能と有効質量の異方性に関する研究
    2008年3月23日(主査:的場正憲教授)

修士論文

乾 智絵:ゾルーゲル法により作製した1次元磁性フォトニック結晶におけるファラデー効果の増大
浦山太一:Pd薄膜の面方向に依存した電子状態と磁性の第一原理計算
岡本啓明:ESRとスピン偏極準安定He原子線によるPdナノ粒子の磁気特性の研究
庭山 潤:室温強磁性を示す希薄磁性半導体Zn1-xCrxTeナノ粒子の作製と磁気的性質
水野智行:多数ゲートを用いたカーボンナノチューブ2重接合型量子ドットの制御

学士論文

河合佑治:カーボンナノチューブの局所電圧印加によるバンド端変調及びキャリヤ再結合時間の制御
沼田展明:Cd欠損を取り除いたスピングラス半導体Cd1-xMnxTeの光照射下での動的性質
廣井孝介:微細化されたスーパースピングラスの作成
松崎洋平:ゾルゲル法を用いたマルチフェロイックを示すCoCr2O4薄膜の作製
山田都照:MBEによる(100)面配向したPt薄膜の作製

 

■その他

  • 牧 英之助教が助教(有期)から助教(専任)になることが決まりました。
  • 修士2年生の乾 智絵君が専修において最も優秀な研究活動を行なった学生に与えられる優秀研究活動賞(修士)を受賞しました。

Dept. Applied Physics and Physico-Informatics