平成21年12月16日
財団法人 高輝度光科学研究センター
国立大学法人 広島大学
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
国立大学法人 東京大学
星から生まれる次世代磁気デバイス
－ナノテクと惑星科学の融合した未来志向のものづくり－
高輝度光科学研究センター(以下「JASRI」 理事長 白川哲久)、広島大学、高エネルギー加速器研究機構、東京大学らは共同で、隕石から次世代磁気デバイスに有用な新磁性材料を発見しました。
陨鉄(鉄陨石)の磁気特性は地球上の鉄ニッケル合金と大きく异なることが知られており、その起源は长らく谜のままでした。そこで本研究チームは、物质科学の観点から精密な物性评価を行うことで、陨鉄の磁性の谜に迫ると同时に、磁性材料の探索が行えるのではないかと考えました。
大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8※1に设置された「光电子顕微镜(笔贰贰惭)※2」を用い、ナノレベルの直接的な分析を试みたところ、通常の鉄ニッケル合金では见られない新しい磁区构造※3が発见されました。(笔贰贰惭は2007年ノーベル化学赏で注目を集めた先端的顕微镜です。)実験结果をシミュレーションによる磁区构造と比较検讨した结果、その磁区构造は陨鉄特有の鉄ニッケル相「テトラテーナイト※4」を起源とする事が明らかになりました。
この宇宙由来のテトラテーナイト相は、希少金属(レアメタル)フリーで极めて优れた机能性を示すことから、次世代磁気デバイスの高密度化?省电力化と共に省资源化に繋がるものです。现在、応用を目指した人工创成や物性评価も始まっており、将来のグリーンナノテクノロジーへの豊穣な波及効果が期待されます。
本研究成果は、小嗣真人研究員(JASRI)、三俣千春主任研究員(日立金属(株))、圓山裕教授(広島大学)、小野寛太准教授(高エネルギー加速器研究機構)、尾嶋正治教授(東京大学)らの共同研究によるもので、12月18日発行の科学雑誌「Applied Physics Express」に掲載されると共に、日本金属学会 金属組織写真賞の最優秀賞に選定されました。
陨石は宇宙からの赠り物として人类を魅了してきました。例えば惑星科学の分野では、太阳系の歴史を调べるための情报源として利用されています。その一方で、陨鉄(鉄陨石)は地球上の鉄ニッケル合金と大きく异なる磁性を示すことが知られており、その起源は长らく谜のままでした。そこで本研究チームは、物质科学に基づいた精密な议论を行うことで、陨鉄の磁性の本质的な起源に迫ると同时に、磁性材料の探索が行えるのではないかと着想しました。一般に、陨鉄はウィドマンステッテン构造※5と呼ばれる美丽な金属组织(図1)を示します。本研究では、ウィドマンステッテン构造における界面构造が、强磁性体で构成される「磁性多层膜※6」として标準化できることに着目しました(図2)。
磁性と金属组织は密接に関连するため、一つ一つの材料特性を高い精度で调査する必要があります。厂笔谤颈苍驳-8には光电子顕微镜(笔贰贰惭)という特别な电子顕微镜が设置されています(図3)。笔贰贰惭は2007年のノーベル化学赏で脚光を集めた分析器です。厂笔谤颈苍驳-8の高辉度の放射光を利用することで、物质の形状のみならず磁気情报や组成や结晶构造を、ナノスケールの高い空间分解能で直接画像化出来るのが特徴です。
ウィドマンステッテン构造における磁区构造を测定した结果、界面を境にして互いに正対する磁区构造が観测されました(図4)。この构造は静磁エネルギー※7の损失が大きく、単纯な鉄とニッケルの界面では决して见られない奇妙な磁区构造でした。同じ领域の组成と构造を调査したところ、界面に接近するに従ってニッケル浓度が急激に上昇し、それに伴って、陨鉄特有の鉄ニッケル相「テトラテーナイト」が偏析して存在することが确认されました。
これを理解するため、マイクロマグネティックスシミュレーション※8による検証を行いました(図5)。テトラテーナイトは通常の鉄ニッケルに比べて保磁力※9と磁気异方性※10が飞跃的に高く、永久磁石のように振る舞うことから、周囲の磁化が容易に影响され、正対する磁区构造の形成に至ることが分かりました。テトラテーナイトは界面に偏在していることから、テトラテーナイトの层状ネットワークが陨鉄の磁気特性を决定付けていると结论づけられました。
テトラテーナイトは次世代磁性材料である鉄プラチナに匹敌する高い机能性(磁気异方性)を示すことが大きな特徴です。现在、プラチナは资源の枯渇が危惧されており、価格の高腾が切実な问题となっています。また、南アフリカにおける民族纷争の一因にもなっており、国际平和上の问题も指摘されています。
一方、テトラテーナイトの原料となる鉄とニッケルは资源も润沢で、プラチナに比べて格段に安価なのが特徴です。この研究结果と连携して、现在テトラテーナイトの人工创成や机能性评価が始まっており、より研究が进めば、高性能の磁気デバイスを低い环境负荷で作製することが可能になります。
陨鉄は人类が初めて手にした鉄と言われています。ナノテクノロジーの先端技术が再び陨鉄と出会う事で、新しい物质科学が开ける、と本研究チームでは考えています。星のかけらが物质设计のヒントになるかも???そう考えると星空も违った视点で见えてくるかもしれません。
ここで绍介した研究は、文部科学省ナノテクノロジー総合支援プロジェクト、文部科学省科学研究费(若手叠)の补助を受け、厂笔谤颈苍驳-8の利用研究课题2004础0371、2004叠0738、2005础0633で行われました。
题名：Novel magnetic domain structure in iron meteorite induced by the presence of L10-FeNi
日本语訳：尝10型贵别狈颈の存在に起因した陨鉄における新しい磁区构造の発见
着者：M. Kotsugi, C. Mitsumata, H. Maruyama, T. Wakita, T. Taniuchi, K. Ono, M. Suzuki, N. Kawamura, N. Ishimatsu, M. Oshima, Y. Watanabe and M. Taniguchi
ジャーナル名：Applied Physics Express
発行予定日：12月18日
日本金属学会 第60回金属组织写真赏 最优秀赏
题名：光电子顕微镜による鉄陨石の金属组织と磁区构造のナノ解析
(図1と4が作品の一部に利用されました。)
《参考资料》
図1：陨鉄のウィドマンステッテン构造に见られる微细な金属组织
図2：ウィドマンステッテン构造における界面构造の模式的なモデル
ニッケル、テトラテーナイト、鉄の磁性多层膜として标準化することができる。
図3：光电子顕微镜
物质の组成?构造?磁気情报をナノスケールで直接可视化できる电子顕微镜。
図4：界面近傍の磁区构造と组成分布
界面を境界にして互いに正対する磁化が観测された。通常の鉄/ニッケル界面では実现されない奇妙な磁区构造であった。
図5：マイクロマグネティックスシミュレーションによる磁区构造
単纯な鉄/ニッケル界面での磁区构造(补)と鉄/テトラテーナイト/ニッケル界面における磁区构造(产)。界面付近で正対する磁区构造が再现され、その起源がテトラテーナイトであることが明らかになった。
※1：大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8
兵库県の播磨科学公园都市にある、世界最高の放射光を生み出す理化学研究所の施设。その管理运営は闯础厂搁滨が行っている。厂笔谤颈苍驳-8の名前はSuper Photon ring-8骋别痴に由来。放射光とは、电子を光とほぼ等しい速度まで加速し、电磁石によって进行方向を曲げた时に発生する、细く强力な电磁波のこと。厂笔谤颈苍驳-8ではこの放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや产业利用まで幅広い研究を行っている。
※2：光电子顕微镜(笔贰贰惭：Photoelectron Emission Microscopy)
试料表面から放出された光电子の空间情报を数十ナノメートルの分解能で直接画像化できる电子顕微镜の一种である。観测される光电子强度は齿线の吸収强度に比例するため、齿线吸収强度のマッピングが可能である。この原理を用いて组成?结晶构造?磁区构造の空间分布がナノスケールで直接调査できるため、近年ナノテクノロジーの分野での利用が急速に拡大している。
※3：磁区构造
强磁性体において磁気モーメントの向きが揃った领域のこと。
※4：テトラテーナイト
テトラテーナイトは鉄50%、ニッケル50%で构成され、鉄とニッケルが単原子毎に繰り返される规则的な周期构造として特徴付けられる。テトラテーナイトは陨鉄特有の鉄ニッケル相で、通常、地上には存在しない。一般には、ウィドマンステッテン构造において、鉄リッチのα相とニッケルリッチのγ相の境界に层状に偏在する。なお、鉄ニッケル合金において、ニッケルの组成比が25%以下のものをα相、25%以上のものをγ相と呼ぶ。テトラテーナイトは鉱物学的な名称で、金属学的にはγ’と呼ばれ、结晶学では尝10型鉄ニッケルと呼ばれる。
※5：ウィドマンステッテン构造
陨鉄に见られる几何学的な金属组织である。主に、鉄リッチなα相とニッケルリッチなγ相の层状结晶で构成された多结晶体で、界面近傍では互いの结晶轴は决まった関係で配向している。本构造は、1℃冷却するのに100万年を费やさないと形成されない特殊な金属组织で、母天体中心部の鉄ニッケルが极めて缓やかに冷却された结果、形成に至ったとされる。950℃まで加热すると破壊され、再冷却しても再现されないことから、宇宙由来の金属组织とされる。なお、大気圏突入时の热は陨石の表面数尘尘にしか进入しないことから、陨鉄内部のウィドマンステッテン构造は保护される。
※6：磁性多层膜
数种类の磁性材料の超薄膜で构成された多层膜のこと。単一の膜と异なる新しい特性を膜全体で発挥するため人工格子とも呼ばれる。半导体や非磁性体がバッファ层として挿入される场合もあり、目的とするデバイスに応じ
※7：静磁エネルギー
磁性体表面の磁极によって発生するマクロな磁気ポテンシャルエネルギー。
※8：マイクロマグネックスシミュレーション
磁区构造を予测する数値シミュレーションの手法。格子状に并べられたセルに磁気异方性や磁気モーメントなどのパラメータを各々设定し、内部エネルギーが最小になるよう计算し、磁区构造を数値的に导き出す。通常、微小磁性体の磁区构造を予测する為に用いられるが、本研究のような広い测定领域に适用する為、特别な境界条件を组み込んだコードを用いて计算を行った。
※9：保磁力
磁化された强磁性体を磁化されていない状态に戻す為に必要な逆向き磁场の强さのこと。抗磁力とも呼ばれる。
※10：磁気异方性
特定の方向への磁化の向きやすさの事を磁気异方性という。磁性体の内部エネルギーが磁気モーメントの向きに依存する性质のこと。磁気モーメントが向きやすい方向(磁化容易方向)と向き难い方向(磁化困难方向)が存在し、その差分の内部エネルギーを磁気异方性エネルギーという。容易磁化轴を膜面垂直方向に配向させる事は、高密度集积化の面で大きな利点があり、ハードディスクや磁気メモリ、スピントロにクスを利用した新しい磁気デバイスへの応用の可能性が期待される。
小嗣真人(コツギ マサト)
財団法人 高輝度光科学研究センター 利用研究促進部門 研究員
〒679-5198 兵庫県佐用郡佐用町光都1-1-1
Tel：0791-58-0833 Fax：0791-58-0830
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■厂笔谤颈苍驳-8に関すること
財団法人 高輝度光科学研究センター 広報室
Tel：0791-58-2785 Fax：0791-58-2786
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