【研究領域課題番号】18H01465 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マグネタイト / 強磁性トンネル接合 / トンネル磁気抵抗効果 / スピントロニクス / Fe3O4 / XMCD / ハーフメタル

【研究成果の概要】

Fe3O4は負のスピン分極を持つハーフメタル材料であると予測されているが,これまでのFe3O4電極を用いた磁気トンネル接合(MTJ)が示すトンネル磁気抵抗(TMR)効果は大きな値ではなく,その符号も実験的には確立されていない。本研究ではMgO(001)基板上にエピタキシャル成長したFe3O4－MTJを作製し,80Kで－55.8%の負のTMR比を実現した。この値は通常の正のTMRで用いられるTMRの定義では126%に相当する大きな値である。さらに、Fe3O4製膜時のTMRの酸素分圧依存性を調べ、TMR効果がFe3O4の相転移であるVerwey転移に影響されることを見出した。

【研究の社会的意義】

Fe3O4は第一原理計算により－100％のスピン分極を持つハーフメタルであると予測されており、スピン分解光電子分光などの分光学的な測定では大きなスピン分極率が得られていた。今回これまで示されていなかったトンネル磁気抵抗化における高いスピン分極率が実験的に示されたことは、酸化物磁性体の界面電子物性を調べる上で、学術的に重要な成果と言える。また、スピントロニクス応用の根幹であるTMR効果で大きな値が得られたことは、今後の酸化物を用いたスピントロニクス応用への道をひらく研究成果であり、本分野の今後の発展が期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】材料加工・処理

【研究領域課題番号】12450291 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

水蒸気酸化 / 鉄-クロム合金 / 過熱器 / 保護性酸化皮膜 / 内部酸化層 / ボイド生成 / 化学ポテンシャル分布 / 剥離 / 高温水蒸気酸化 / Fe-Cr合金 / ポテンシャル分布 / マグネタイト / ボイド形成 / フェライト鋼 / 非晶質SiO_2 / 鉄-クロムスピネル / フェライト系Cr鋼 / 酸化機構 / プロトン / Fe_3O_4 / (Fe,Cr)_3O_4

【研究成果の概要】

Fe-Cr系の合金は火力発電用のボイラー材料として長年使用されており、実機による多くのデータが集積されているが、その水蒸気酸化機構は未だ不明であり、実操業上の問題である酸化皮膜の剥離性についての解明が急務である。発電効率の向上の観点から超々臨界火力発電が期待されているなか、本研究は水蒸気酸化機構の解明と保護性酸化皮膜の剥離の抑制について研究したものである。本研究では酸化初期からの皮膜組織の形成過程を、詳細に検討し、皮膜の成長過程を明らかにした。また、皮膜酸化物層には剥離を支配する多くのボイドが存在するが、酸化過程における皮膜中の化学ポテンシャル分布を予測して、物質収支の観点からボイド形成を取り扱えることを提案した。さらに,水蒸気酸化固有の問題として,水蒸気から酸化皮膜中に非平衡的にプロトンが溶解し,これが組織形成,特にボイドの形成に大きく影響していることを示唆した。プロトンの溶解量や透過速度に関する定量的な研究は、研究手法は確立したものの、時間的な制約から十分な量の結果を得るには至らず、今後の課題として継続中である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】14,600千円 (直接経費: 14,600千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】07805001 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

原子価揺動 / 価数揺動 / X線異常散乱 / マグネタイト / フェルベ転移 / 混合原子価 / 原子価コントラスト法 / Fe_3O_4 / フェルヴェ転移 / ホアン散乱 / フェルヴェー転移 / 散慢散乱 / ファン散乱 / 散漫散乱 / 混合原子価化合物 / フェルベ-転移 / ホッピング伝導

【研究成果の概要】

回折法と分光法を組み合わせ同原子種で価数の異なるイオンを区別することを目的に、原子価揺動を起こす遷移金属・希土類金属化合物を異常分散法で調べた。結果として、結晶内イオン分布、原子価状態が変化する転移、電子的秩序状態等について新しい知見が得られた。
吸収端近傍のXANES領域で観測される前吸収端構造やケミカルシフトから、遷移に対応した電子状態や酸化数の増加に伴う結合エネルギーの増加に関する知見が得られる。このようなある特定のエネルギーに注目し、電子状態の差をX線解折の手段で研究した。このとき、例えばFe^<2+>とFe^<3+>とでは、原子散乱因子の異常分散項fに差が生じ、散乱能(X線回折強度)の差から従来は不可能とされた価電子の差が識別できる。本研究では、観測吸収スペクトルから原子価ごとの異常分散項fを直接求めて「原子価差コントラスト法」を開発し、更に「原子価状態を探求する実験」を行なうことを目指した。
原子価揺動状態では、電気抵抗・磁化率その他の物性に特有の異常がみられる。研究では最初にマグネタイトFe_3O_4を手掛け、Fe^<2+>とFe^<3+>とのホッピング伝導の部分凍結やフェルベェ転移以下での電子的秩序状態を求めた。更に遷移金属酸化物やRuを含む希土類金属化合物に研究対象を拡張した。電荷配列の秩序パターンが非常に複雑な場合、中性子回折や核磁気共鳴からの情報のみでイオン配列に伴う結晶構造を決定することは困難である。本研究により、価電子の差をX線では区別できないという一般概念が打破でき、しかも本手法を従来のX線構造解析法に容易に取り込むことができたと考えている。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)