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東大など、大きな保磁力を示す世界最小ハードフェライト磁石の開発に成功

2015-10-09

世界最小ハードフェライト磁石の開発に成功
―磁気記録テープ用のナノ新素材を発見―


1.発表者
 大越慎一(東京大学大学院理学系研究科化学専攻 教授)
 生井飛鳥(東京大学大学院理学系研究科化学専攻 助教)
 井元健太(東京大学大学院理学系研究科化学専攻 特任助教)
 吉清まりえ(東京大学大学院理学系研究科化学専攻 特任助教)
 中川幸祐(東京大学大学院理学系研究科化学専攻 特任助教)
 所裕子(筑波大学数理物質系 准教授)


2.発表のポイント
 ◆ナノサイズで大きな保磁力(注1)を示す世界最小サイズのハードフェライト磁石(注2)の開発に成功しました。このフェライト磁石は、単なる酸化鉄からなるイプシロン型−酸化鉄(ε−Fe2O3、注3)というナノ材料です。
 ◆今回開発したフェライト磁石は、色が最も薄いフェライト磁石であることを見出しました。透明カラー磁性体への展開が期待されます。
 ◆単なる酸化鉄からできたε−Fe2O3ナノ粒子は環境にやさしく低価格であるため大量生産に適した材料であり、最近、アーカイブ用大容量記録媒体として再び注目を集めている磁気テープへの応用や、プリンター用カラー磁性トナーなどの新規用途への可能性があります。


3.発表概要
 東京大学大学院理学系研究科の大越慎一教授らの研究グループは、ナノサイズの世界最小ハードフェライト磁石、“イプシロン型−酸化鉄(ε−Fe2O3)ナノ磁性粒子”の開発に成功しました。このハードフェライトは、鉄と酸素からできた単なる酸化鉄です。今回、イプシロン型−酸化鉄を5〜40ナノメートルの間の粒子サイズで系統的に合成する新技術を開発し、ε−Fe2O3が7.5nm以上で磁石の性質(強磁性相転移)を示すことを明らかにしました。磁気テープやハードディスクなどの磁気記録メディアでは、3キロエルステッド(kOe)以上の保磁力が必要ですが、今回の材料は、8nmで5kOeの保磁力を示しており、超高密度磁気記録用の素材としての可能性を有しています。特に、ビッグデータのアーカイブ用大容量記録メディアとしてグーグルなどでも使用され、昨今、産業界でその復活がたいへん注目を浴びている磁気テープストレージの未来材料として期待されます。また、ε−Fe2O3はフェライト磁石の中で最も色が薄く、透明カラー磁性塗料やプリンター用のカラー磁性トナーなどの新しい用途への可能性も期待されます。ε−Fe2O3は、強磁性だけでなく、自発電気分極も持っていることが理論的にも実験的にも明らかになり、最小のマルチフェロイックフェライト粒子ということになります。
 鉄と酸素だけからなる酸化鉄は、環境にやさしく低価格であるため大量生産に適した材料であり、今回のナノサイズで強磁性を示すフェライト磁石は、次世代のアーカイブ用大容量磁気テープなどの高密度磁気記録技術などへの利用が期待できます。
 本研究成果は、日本時間2015年10月6日(火曜日)午後6時に『Scientific Reports(サイエンティフィック・リポーツ)』のオンライン版で公開されます。


4.発表内容
 酸化鉄からなるフェライト磁石は、永久磁石、磁気記録媒体、電磁波吸収材料、磁性流体などに広く用いられてきました。特に、磁気記録媒体用途の重要性や高密度化の要求が高まっており、高密度化に向けて大きな保磁力を持つナノサイズの磁性粒子の開発が、重要な課題となっています。フェライト磁石は、ナノサイズで必要とされる化学的安定性を持つため注目されていますが、これまでに知られているフェライト磁石では、粒径を小さくすると磁石としての性質を保つことができないため、十ナノメートル(nm)以下のハードフェライト磁石はありませんでした。
 今回、東京大学大学院理学系研究科の大越慎一教授の研究グループは、世界最小ハードフェライト磁石の開発に成功しました(図1)。微小なサイズの酸化水酸化鉄をガラスで包んで熱処理を行うことで、5nmから40nmの間の様々な大きさのイプシロン型−酸化鉄(ε−Fe2O3)ナノ粒子を作製することに成功しました。合成された粒子は、粒径が比較的均一に揃っており、保磁力と粒径の関係を詳細に調べた結果、保磁力が消える粒径サイズ(超常磁性限界)が一桁ナノサイズの7.5nmであることが分かりました(図2)。この超常磁性限界のサイズは、これまでに知られている他のフェライト磁石(バリウムフェライト、ストロンチウムフェライト、コバルトフェライト等)と比べて圧倒的に小さく、例えば、超微小サイズの8nmの粒径でも、ε−Fe2O3は5kOeという大きい保磁力を示しました。この保磁力は磁気記録メディアで必要とされる保磁力3kOeを満たしており、一桁ナノサイズでの磁気記録が可能な磁性粒子ということになります。また、ハード磁石の性能の指標である磁気異方性定数の値は7.7×10の6乗erg cmの−3乗と見積もられ、これまでのフェライト磁石と比較して倍以上の著しく高い磁気異方性を有していることが分かりました(注4)。
 イプシロン型−酸化鉄ナノ粒子はまた、色が薄く、分散液にした際に淡い橙色を示します。紫外可視吸収スペクトルの解析から、広いバンドギャップによる高い透明性を持つことが分かりました(図3上図)。フェライト磁石の中で最も色が薄いことから、プリンターやコピー機用のカラー磁性トナーといった新しいアプリケーションが期待されます。さらに、ε−Fe2O3は反転対称の破れた結晶構造を持っており、第一原理計算による電子状態計算から、大きな電気分極を持つことが分かりました。つまり、現在見つかっている物質の中で、強磁性と強誘電性が共存した最小サイズのマルチフェロイックフェライト粒子ということになります(図3下図)。
 酸化鉄は環境にやさしく低価格であるため大量生産に適した材料であり、今回開発した合成法は大量生産に向いた低コスト且つ簡便な合成法です。様々な機能を示すナノサイズで高保磁力を示すフェライト磁石は、コンピュータのハードディスクや次世代の磁気記録テープのような高密度磁気記録技術などへの利用が期待されます。
 本研究成果の一部は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業チーム型研究(CREST)「プロセスインテグレーションに向けた高機能ナノ構造体の創出」研究領域(入江正浩 研究総括)における研究課題「磁気化学を基盤とした新機能ナノ構造物質のボトムアップ創成」(研究代表者:大越慎一)ならびに、文部科学省科学研究費補助金・特別推進研究「光・電磁波に相関する相転移物質の創成と新機能」(研究代表者:大越慎一)の一環として行われました。日本時間2015年10月6日(火曜日)午後6時に『Scientific Reports(サイエンティフィック・リポーツ)』のオンライン版で公開されます。


5.発表雑誌
 雑誌名:Scientific Reports(サイエンティフィック・リポーツ)
 論文タイトル:Nanometer−size hard magnetic ferrite exhibiting high optical−transparency and nonlinear optical−magnetoelectric effect
 論文タイトル訳:ナノサイズハードフェライト磁石とその高透明性および光学的磁気電気効果
 著者:Shin−ichi Ohkoshi(*),Asuka Namai,Kenta Imoto,Marie Yoshikiyo,Waka Tarora,Kosuke Nakagawa,Masaya Komine,Yasuto Miyamoto,Tomomichi Nasu,Syunsuke Oka,and Hiroko Tokoro
 DOI番号:10.1038/srep14414


■用語解説
 (注1)保磁力:ある方向に磁化された磁石を、磁化されていない状態に戻すために必要な反対向きの外部磁場の大きさ。
 (注2)フェライト磁石:鉄の酸化物を主成分とする磁性材料の総称。金属の磁性体と異なり、電気が流れにくい絶縁体(あるいは半導体)である。マグヘマイト(γ−Fe2O3)やマグネタイト(Fe3O4)などが知られている。
 (注3)イプシロン型−酸化鉄(ε−Fe2O3):2004年に大越教授らが、化学的合成法を駆使してε−Fe2O3単相を合成し、室温で20kOe(キロエルステッド)という金属酸化物で最大の保磁力を示すことを世界で初めて報告した。磁気記録用メディア用途の他、高周波ミリ波(35〜222ギガヘルツ)も吸収できることからミリ波通信用の電磁波吸収材料としても世界的に注目を集めている。これまでに、大越教授は、ε−Fe2O3に関して国内・海外で84件の特許出願(内45件登録)を行ってきている。現在、ε−Fe2O3に関しては、国内磁性粉メーカーが量産体制を整えており、メーカー各社にサンプル出荷をしている状況である。
 (注4)磁気異方性定数:磁化を結晶の特定の方向に揃えようとする性質の強さを表す定数。イプシロン型−酸化鉄の、大きな磁気異方性の起源は、FeとOの間の強い混成による軌道角運動量がゼロでなくなることに起因する強い磁気異方性と極性結晶構造に起因する磁気異方性の残存に起因すると考えている。


■添付資料

 ※図1〜3は添付の関連資料を参照



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