JP2006114489A

JP2006114489A - 誘電体メタマテリアル、および磁性体メタマテリアル

Info

Publication number: JP2006114489A
Application number: JP2005260735A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Osato; 齊大里; Georgios Zouganelis; ゲオルギオスゾウガネリス
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC; Niterra Co Ltd
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】磁性特性や誘電特性などの電気特性を驚異的に高めた材料を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、磁性体または誘電体を周期的に配した複合材料（メタマテリアル）である。その結合には、ソフトマテリアルを用いる。磁性体や誘電体の形は、立方体または立方体にやや変形を加えた擬似立方体あるいはその両方を組み合せたものである。それらを３次元的に周期的に配置し、その間をソフトマテリアルで繋いだものである。これらの材料を周期的（１〜３次元）に配することによって、誘電特性や磁性特性を本来のものより高い特性を持つ材料を提供できる。誘電体では、チタン酸バリウム（BaTiO₃）、フォルステライト、ウイルマイトなどが利用され、数倍の誘電率を得ることができる。一方、磁性材料としては、最も磁力の強いFe₁₄Nd₂Bより強力な磁性特性を得ることが可能である。
【選択図】図４

Description

本発明は、誘電体材料または磁性体材料を用いたメタマテリアルに関するものである。

従来、現存する最大の誘電率を持つ誘電体材料としてチタン酸バリウム（BaTiO₃）が知られている。また、現存する最大の磁性を持つ強磁性材料としてネオジ鉄ボロン（Fe₁₄Nd₂B）化合物が知られている。

誘電体材料であるチタン酸バリウム（BaTiO₃）は、その強誘電性によりコンデンサの材料として実用に共されている。この他に誘電体材料としてチタン酸ストロンチウム、フォルステライト、ウイルマイトがあり、共振器、アンテナ等の無線通信の分野において実用に共されている。

一方、強磁性材料であるネオジ鉄ボロン（Fe₁₄Nd₂B）化合物は、結晶電場異方性（CEF）および形状異方性を備えるため、大きな磁性特性を持っている。また、同じく強磁性材料である鉄は、粒子形状異方性が強いため大きな磁性特性をもっている。これらは、モータや磁気記録用の材料として実用に共されている。

なお、強磁性体および強誘電体を使用したメモリ素子材料の例として、特許文献１に示されるものがある。
特開２００２−１１８２３７公報

上記の誘電体材料や磁性体材料の誘電率や透磁率（磁性特性）をさらに増大できれば、より高性能で小型化可能なコンデンサ、共振器、アンテナ、モータ及び磁気記録用の材料等が実現可能である。

本発明者らは、この改善を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、現存する誘電体材料や磁性体材料により形成された単位構造を周期的に配列することにより、誘電率や透磁率を、素材である誘電体材料や磁性体材料がもともと備える誘電率や透磁率と比較して劇的に増大できることを見出した。

すなわち、上記の課題を解決するための第１の発明は、誘電体材料により形成された単位構造の複数が周期的に配列されるとともに、前記単位構造同士が互いにソフトマテリアルで結合された誘電体メタマテリアルである。

また、第２の発明は、磁性体材料により形成された単位構造の複数が周期的に配列されるとともに、前記単位構造同士が互いにソフトマテリアルで結合された磁性体メタマテリアルである。

ここで、「周期的に配列」とは、特定の周期性をもって配列されていれば配列の態様はどのようであっても良く、例えば単位構造の複数個が、一直線上に並んだ１次元周期構造であってもよく、正方格子構造・三角格子構造等のように二次元的に規則的に配列する２次元周期構造であってもよく、面心立方格子構造・体心立方格子構造・単純立方格子構造等のように３次元的に規則的に配列する３次元周期構造であってもよい。

本発明によれば、誘電体材料により形成された単位構造の複数を周期的に配列し、ソフトマテリアルで結合して誘電体メタマテリアルとすることにより、誘電特性を、素材である誘電体材料がもともと有する特性と比較して飛躍的に向上させることができる。

また、磁性体材料により形成された単位構造の複数を周期的に配列し、ソフトマテリアルで結合して磁性体メタマテリアルとすることにより、磁性特性を、素材である磁性体材料がもともと有する特性と比較して飛躍的に向上させることができる。磁性体材料を周期的に配列させることにより、磁束密度Ｂは、特に低周波領域において増大する。特に、磁性体材料としてネオジ鉄ボロン（Fe₁₄Nd₂B）を使用した場合、磁性体メタマテリアルは、素材であるネオジ鉄ボロンがもともと有する透磁率と比較して驚異的に大きくなる。

このような誘電体メタマテリアル・磁性体メタマテリアルは、高性能で小型化可能なコンデンサ、共振器、アンテナ、モータ及び磁気記録用材料等の材料として利用可能である。

本発明の誘電体メタマテリアルまたは磁性体メタマテリアル（以下、「メタマテリアル」と略記することがある）は、誘電体材料または磁性体材料の単位構造を周期的に配列し、ソフトマテリアルで結合したものである。

単位構造を構成する誘電体材料としては特に制限はないが、強誘電体材料または常誘電体材料を好ましく使用できる。より具体的には、チタン酸バリウム（BaTiO₃）、チタン酸ストロンチウム（SrTiO₃）、フォルステライト（Mg₂SiO₄）、ウイルマイト（Zn₂SiO₄）等を好ましく使用できる。なかでも、フォルステライトおよびウイルマイトとしては、ルチル型酸化チタンを添加することにより共振周波数の温度係数を０ｐｐｍ／℃付近に調整したルチル添加フォルステライト、ルチル添加ウイルマイトを使用することもできる。

また、単位構造を構成する磁性体材料としては特に制限はないが、ネオジ鉄ボロン（Fe₁₄Nd₂B）、鉄（Fe）、ニッケル(Ni)、サマリュームコバルト（SmCo₅）を特に好ましく使用することができる。

「ソフトマテリアル」とは、電界・磁界をかけたときにヒステリシスをもたない材料のことをいう。本発明の誘電体メタマテリアルに好適なソフトマテリアルとしては、例えばルチル型酸化チタン（TiO₂）、SrTiO₃、CeTiO₃、NiO₂、Cu、Bi、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等を挙げることができる。また磁性体メタマテリアルに好適なソフトマテリアルとしては、ルチル型酸化チタン（TiO₂）、SrTiO₃、CeTiO₃、NiO₂、Fe、Ni、Cu、Bi、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、Si等を挙げることができる。

なお、例えば誘電体材料の中には、単位構造を構成する材料としても使用でき、単位構造同士を結合するソフトマテリアルとしても使用できるものがあるが、１つのメタマテリアルを構成する単位構造とソフトマテリアルとには、互いに異なる材料を使用することを要する。

図１〜図５には、誘電体材料、または磁性体材料により形成された単位構造Ｐ_１〜Ｐ_５を周期的に配列してソフトマテリアルＳ_１〜Ｓ_５で結合したメタマテリアルＭ_１〜Ｍ_５の例を示す。メタマテリアルＭ_１〜Ｍ_５の周期構造は、例えば図１、図２に示すように、単位構造Ｐ_１またはＰ_２の複数個が一次元的に配列する１次元周期構造であってもよく、図３に示すように、単位構造Ｐ_３が二次元的に配列する２次元周期構造であってもよく、図４、図５に示すように、単位構造Ｐ_４、Ｐ_５が３次元的に配列する３次元周期構造であってもよい。特に３次元周期構造であることが、誘電特性または磁性特性の向上のために効果的である。

また、単位構造Ｐの形状には特に制限はなく、例えば図１に示すように直方体であっても良く、図２に示すように立方体であっても良く、円柱（図７参照）等の形状をとることもできる。特に、立方体、または立方体に変形を加えた擬似立方体、あるいは立方体と擬似立方体とを組み合わせた形状であることが好ましい。ここで、「変形を加えた」とは、例えば立方体（正６面体）の辺の長さや角度を変化させること、頂点を削ること等を含み、「擬似立方体」としては、例えば６つの面の一部または全部が長方形で構成される直方体、立方体の頂点が削られた形状の１４面体である切頂６面体（truncated-cube）等を例示できる。

本発明のメタマテリアルの作成方法の一例を、図６Ａ〜図６Ｃを参照しつつ説明する。

まず、誘電体材料（または磁性体材料）により作製したプレート１１と、ソフトマテリアルである樹脂により作製した樹脂シート１２とを用意する。そして、プレート１１の複数枚を、間に樹脂シート１２を挟みつつ積層し、積層体１３を作製する（図６Ａ）。次に、この積層体１３に対し、例えば炭酸ガスレーザ装置を用いてプレート１１の板面と直交する方向（Ｚ軸方向）からレーザ光を照射することにより、積層体１３をプレート１１の積層方向に沿って複数箇所切断する（図６Ｂ）。なお、図６Ｂでは、積層体１３をプレート１１の積層方向（Ｚ軸方向）と交差する２方向にそれぞれ複数列（具体的には、Ｘ軸方向に５列、Ｙ軸方向に４列）に分断しているが、分断の態様は本作成例に特に限定されるものではなく、分断によって分割形成される複数個のプレート片（単位構造Ｐ_６）が周期的に配列していれば良い。次いで、積層体１３の切断位置に形成された隙間１４の内部を、樹脂シート１２の材料である樹脂と同種の樹脂で埋めるとともに、積層体１３の外周面を同じ樹脂によりコーティングする。このようにして、誘電体材料（または磁性体材料）により形成された単位構造Ｐ_６（プレート片）の複数個が３次元的に配列し、互いにソフトマテリアルＳ_６（樹脂シート１２、および隙間１４の充填と表面コーティングとに使用された樹脂）で結合されたメタマテリアルＭ_６が完成する（図６Ｃ）。

次に、本発明のメタマテリアルの作成方法の他の例を、図７Ａ〜図７Ｃを参照しつつ説明する。

まず、誘電体材料または磁性体材料のペースト２１を調製する。ペースト２１は、誘電体材料または磁性体材料の焼結用の原料粉末と、樹脂（例えばダウ・ケミカル社製熱可塑性セルロースエーテル「エトセル（登録商標）」）と有機溶剤（例えばテルピネロール）とを３本ロールミルで混錬する通常の方法により調製することができる。

これとともに、ソフトマテリアルのグリーンシート２２を準備する。まず、ソフトマテリアルを構成するセラミックスの原料粉末と、有機バインダ（例えばブチラール系樹脂、アクリル系樹脂）と、可塑剤と、有機溶媒（例えばメチルエチルケトン、エタノール、トルエンの混合溶液）をポットで混合することにより、ソフトマテリアルの原料スラリーを得る。この原料スラリーを、通常のドクターブレードキャスティング装置を用いて、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）キャリア部材の上に薄く均一な厚さでキャスティング（塗工）した後、ヒータにより約７０℃で加熱乾燥し、スラリー中の揮発成分の大部分を揮発させて、グリーンシート２２を得る。このグリーンシート２２を、打ち抜き金型等の周知の手段を用いて切断し、所定の大きさとする。

次に、このグリーンシート２２に、厚さ方向に貫通する複数個の貫通孔２３を、メカニカルパンチ装置、あるいは、炭酸ガスレーザ装置を用いて空ける（図７Ａ）。図７Ａでは、縦２列、横４列に貫通孔２３を配置したが、貫通孔の配列は周期的であれば図７Ａの配列に特に限定されない。次いで、この貫通孔２３に、例えばスクリーン印刷法により、誘電体材料または磁性体材料を含むペースト２１を充填する。

次いで、このように貫通孔２３の形成およびペースト２１の充填が施されたグリーンシート２２Ａの複数枚を、貫通孔２３が形成されていないグリーンシート２２Ｂを挟んで積層する。そして、ラミネート装置を用いて所定温度条件（例えば８０℃）下でシート積層方向に押圧力（例えば５０００ｋｇｆ/ｃｍ^２程度）を付与することにより、各グリーンシート２２Ａ、２２Ｂを圧着して一体化させ、積層体２４を形成する（図７Ｂ）。

最後に、この積層体２４を脱脂（２５０℃で１０時間程度）し、さらに所定温度で所定時間焼成を行う。これにより、ペースト２１に含まれる誘電体材料または磁性体材料の原料粉末が焼結し、誘電体材料または磁性体材料の単位構造Ｐ_７となる。また、グリーンシート２２Ａ、２２Ｂに含まれるセラミックスの原料粉末も焼結して、単位構造Ｐ_７同士を結合する。このようにして、単位構造Ｐ_７が周期的に配列し、互いにソフトマテリアルＳ_７で結合されたメタマテリアルＭ_７が得られる（図７Ｃ）。なお、焼成前に、積層体２４を必要に応じて適切な大きさにカットしても構わない。

＜実施例１−１＞
誘電体メタマテリアルの誘電特性増大効果を検証するため、チタン酸バリウム（BaTiO₃）の単位構造を周期的に配列した誘電体メタマテリアルのＳパラメータをコンピュータシミュレーションにより求めた。

図１に例示したようにチタン酸バリウムの単位構造Ｐ_１をＺ軸方向に３個直列させ、隣り合う単位構造Ｐ_１間をソフトマテリアルＳ_１で結合するとともに表面を同じソフトマテリアルＳ_１でコーティングしたものを単位格子Ｇ_１とした。この単位格子Ｇ_１は、４つの反射面をもつ。この単位格子Ｇ_１をＸＹ方向に複数並列することにより、図４に例示したような３次元周期構造の誘電体メタマテリアルを設計した。但し、単位格子Ｇ_１は、Ｘ軸方向に２０列、Ｙ軸方向に２０列配列した。また、単位構造Ｐ_１の寸法は、幅Ｗ_１×奥行きＬ_１×高さＨ_１＝０．１８ｍｍ×０．１８ｍｍ×０．３ｍｍ、単位格子Ｇ_１の寸法は、幅Ｗ_２×奥行きＬ_２×高さＨ_２＝０．２ｍｍ×０．２ｍｍ×１ｍｍとした。

このようにして設計した誘電体メタマテリアルについて、ＦＤＴＤ（Finte Difference Time Domain）、ＦＥＭ（Finte Element Method）を用いてコンピュータシミュレーションによりＳパラメータを解析した。

Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションによる解析結果を図８に示した。メタマテリアルを形成することによって、２８ＧＨｚ付近で共振ピークが観測された。

＜実施例１−２＞
図２に例示したようにチタン酸バリウムの単位構造Ｐ_２をＺ軸方向に５個直列させ、隣り合う単位構造Ｐ_２間をソフトマテリアルＳ_２で結合するとともに表面を同じソフトマテリアルＳ_１でコーティングしたものを単位格子Ｇ_２とした。この単位格子Ｇ_２は、６つの反射面をもつ。この単位格子Ｇ_２をＸＹ方向に複数並列することにより、図５に例示したような３次元周期構造の誘電体メタマテリアルを設計した。但し、単位格子Ｇ_２は、Ｘ軸方向に２０列、Ｙ軸方向に２０列配列した。また、単位構造Ｐ_２の寸法は、幅Ｗ_３×奥行きＬ_３×高さＨ_３＝０．１８ｍｍ×０．１８ｍｍ×０．１８ｍｍ、単位格子Ｇ_２の寸法は、幅Ｗ_４×奥行きＬ_４×高さＨ_４＝０．２ｍｍ×０．２ｍｍ×１ｍｍとした。

このようにして設計した誘電体メタマテリアルについて、実施例１−１と同様にしてコンピュータシミュレーションによりＳパラメータを解析した。

Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションによる解析結果を図９に示した。実施例１−１と比較して、Ｚ軸方向の周期の数を３から５に増加させることによって、Ｓパラメータの共振ピークの低周波側へのシフトが観察された。このことから誘電率の増加が導かれる。

＜実施例２−１＞
実施例１−１のチタン酸バリウムに代えて、透磁率μ＝２０００の磁性体材料を用いた他は実施例１−１と同様にして３次元周期構造の磁性体メタマテリアルを設計し、コンピュータシミュレーションを行った。

Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションによる解析結果を図１０に示した。メタマテリアルを形成することによって、２０ＧＨｚ付近で共振ピークが観測された。

＜実施例２−２＞
実施例１−２のチタン酸バリウムに代えて、透磁率μ＝２０００の磁性体材料を用いた他は実施例１−２と同様にして３次元周期構造の磁性体メタマテリアルを設計し、コンピュータシミュレーションを行った。

Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションによる解析結果を図１１に示した。実施例２−１と比較して、Ｚ軸方向の周期の数を３から５に増加させることによって、Ｓパラメータの共振ピークの高周波側へのシフトが観察された。このことから透磁率の増加が導かれる。

＜実施例３＞
磁性体メタマテリアルの磁性特性増大効果を検証するため、鉄の単位構造を周期的に配列した磁性体メタマテリアルのＳパラメータをコンピュータシミュレーションにより求めた。

図１２に示すように、幅Ｗ_５×奥行きＬ_５×高さＨ_５＝２．２５ｍｍ×２．２５ｍｍ×４５ｍｍに形成された樹脂（ソフトマテリアルＳ_８）のブロックに、幅方向に貫通する２０個の貫通孔３０を高さ方向に均一ピッチで形成した。この貫通孔３０内に鉄製のワイヤからなる単位構造Ｐ_８を差し込むことにより、メタマテリアルＭ_８を作製した。
このようにして設計した磁性体メタマテリアルについて、Broadband Microstrip Based Methodを用いてＳパラメータをコンピュータシミュレーションにより解析した。

図１３には、磁性体メタマテリアルのＳパラメータのコンピュータシミュレーションによる解析結果を示した（図中、S21wires、S22wiresとして示す）。なお、図１３には、対照として、貫通孔３０内に単位構造Ｐ_８を差し込んでいないソフトマテリアルＳ_８のブロックについての解析結果も併せて示した（図中、S21holes、S22holesとして示す）。メタマテリアルのＳパラメータには、対照と比較して共振ピークの増大および低周波側へのシフトが観察された。

１次元周期構造のメタマテリアルの一例を示す斜視図１次元周期構造のメタマテリアルの他の例を示す斜視図２次元周期構造のメタマテリアルの一例を示す斜視図３次元周期構造のメタマテリアルの一例を示す斜視図３次元周期構造のメタマテリアルの他の例を示す斜視図誘電体材料（または磁性体材料）により作製したプレートを、樹脂シートを挟んで積層した積層体を示す斜視図積層体に切れ目を入れた様子を示す斜視図メタマテリアルの完成形を示す斜視図ソフトマテリアルのグリーンシートに貫通孔を形成した様子を示す斜視図グリーンシートを積層した積層体を示す斜視図メタマテリアルの完成形を示す斜視図誘電体材料としてチタン酸バリウムを用い、Ｚ軸方向の周期数が３である３次元周期構造の誘電体メタマテリアルについて、自由空間法によるＳパラメータのコンピュータシミュレーションを行った結果を示すチャート誘電体材料としてチタン酸バリウムを用い、Ｚ軸方向の周期数が５である３次元周期構造の誘電体メタマテリアルについて、Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションを行った結果を示すチャート透磁率μ＝２０００の磁性体材料を用い、Ｚ軸方向の周期数が３である３次元周期構造の磁性体メタマテリアルについて、Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションを行った結果を示すチャート透磁率μ＝２０００の磁性体材料を用い、Ｚ軸方向の周期数が５である３次元周期構造の磁性体メタマテリアルについて、Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションを行った結果を示すチャート実施例３に用いた磁性体メタマテリアルの構造を示す斜視図磁性体材料として鉄を用いた磁性体メタマテリアルについて、Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションを行った結果を示すチャート

符号の説明

Ｍ…メタマテリアル（誘電体メタマテリアル、磁性体メタマテリアル）
Ｐ…単位構造
Ｓ…ソフトマテリアル

Claims

誘電体材料により形成された単位構造の複数が周期的に配列されるとともに、前記単位構造同士が互いにソフトマテリアルにより結合された誘電体メタマテリアル。
前記単位構造が、立方体、または立方体に変形を加えた擬似立方体、あるいは前記立方体と前記擬似立方体とを組み合わせた形状であることを特徴とする請求項１に記載の誘電体メタマテリアル。
前記誘電体材料が強誘電体材料または常誘電体材料であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の誘電体メタマテリアル。
前記誘電体材料がチタン酸バリウム（BaTiO₃）、チタン酸ストロンチウム（SrTiO₃）、フォルステライト（Mg₂SiO₄）、およびウイルマイト（Zn₂SiO₄）からなる群より選ばれる１種であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の誘電体メタマテリアル。
前記ソフトマテリアルがルチル型酸化チタン（TiO₂）、SrTiO₃、CeTiO₃、NiO₂、Cu、Bi、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、熱可塑性樹脂、および熱硬化性樹脂からなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の誘電体メタマテリアル。
磁性体材料により形成された単位構造の複数が周期的に配列されるとともに、前記単位構造同士が互いにソフトマテリアルにより結合された磁性体メタマテリアル。
前記単位構造が、立方体または立方体に変形を加えた擬似立方体あるいはその両方を組み合せた形状であることを特徴とする請求項６に記載の磁性体メタマテリアル。
前記磁性体材料がネオジ鉄ボロン（Fe₁₄Nd₂B）、鉄（Fe）、ニッケル(Ni)、およびサマリュームコバルト（SmCo₅）からなる群より選ばれる１種であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の磁性体メタマテリアル。
前記ソフトマテリアルがルチル型酸化チタン（TiO₂）、SrTiO₃、CeTiO₃、NiO₂、Fe、Ni、Cu、Bi、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか１項に記載の磁性体メタマテリアル。