JP4625980B2 - fcc構造を有する磁気記録媒体用合金粒子粉末の製造法 - Google Patents

fcc構造を有する磁気記録媒体用合金粒子粉末の製造法 Download PDF

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Description

本発明は、高密度磁気記録媒体、ナノスケール・エレクトロニクス、永久磁石材料、生体分子標識剤、ドラッグデリバリーシステム(以下DDS)などに用いることのできる強
磁性粒子を得るのに適したfcc構造の合金粒子粉末およびその製造法に関する。
本発明は、標準電極電位が大きく異なる白金族金属(Pt、Pd)と遷移金属(Fe、Co)との合金(両イオンが同時に析出し難いので湿式法ではその合金化が難しい合金)
であって且つ磁性をもたない面心立方晶構造(fcc構造)の微粒子合金粉末に係るものである。このfcc構造の合金は熱処理によって強磁性を示す面心正方晶構造(fct構
造)に相変態させることができる。この意味で、本発明の合金粒子粉末は、磁性材料に供される場合には、fct構造の強磁性合金を得るための前駆体物質であるとも言える。こ
のため、本発明の合金粒子粉末を「強磁性合金粒子の前駆体」などと呼ぶことがある。また、本発明は厳密には後述の一般式によって表されるT成分とM成分からなる合金粒子粉
末に関するが、T=Fe、M=Ptである場合のFePt系合金粒子がその代表例として挙げられるので、本明細書では本発明の合金粒子粉末を単に「FePt粒子」若しくは「
FePtナノ粒子」と呼ぶことがあるが、これはあくまで例示である。
高密度磁気記録媒体では、記録密度の上昇のために記録単位のサイズ低下が必要であるが、従来のCoCr合金系スパッタ薄膜を用いた媒体では、熱ゆらぎや結晶粒子サイズの
微細化やバラツキ等の問題から高記録密度化の限界に近づいている。このようなことから、最近、高密度磁気記録媒体として、結晶粒子径がシングルナノメートルオーダーまで小
さくなっても熱ゆらぎの問題がなく、高い異方性を有し且つ大きな保磁力を示すFePt
系の磁性金属ナノ粒子が注目されている。
このような磁性金属ナノ粒子に関して、特許文献1および非特許文献1には、鉄ペンタカルボニルの熱分解反応と、白金(II)アセチルアセトナートの多価アルコールによる還
元作用を同時に行わせることにより、単分散状態のFePt合金粒子を生成する方法が記
載されている。
これらの方法で得られるFePt粒子の結晶構造は不規則相のfcc(面心立方晶)構造であるため、ナノオーダーの粒子では常温において超常磁性を示す。したがって強磁性
粒子として使用する場合は、この不規則相を熱処理によりL10規則相(fct(面心正方
晶)構造)に結晶構造転移させる必要がある。
この熱処理は、不規則相から規則相への結晶構造転移温度(Tt)以上で処理する必要があり、一般に500℃以上の高温で行う。この場合、熱による粒子同士の合体による巨
大化が起って粒度分布の分布幅が広がると、粒子は単磁区と多磁区構造に混在するようになって高密度磁気記録媒体には適さなくなる。したがって、粒子合成直後の粒径を保存し
たまま、強磁性を有するFePt粒子を得るためには、粒子同士の合体を防止する保護剤で粒子を被覆することや、何らかの方法によりTtを低下させ、熱処理温度がより低温で
実施できるようにすることが有効である。
非特許文献2には、ポリオール法によるFePt粒子合成の際に、ポリオールとしてテトラエチレングリコール(TEG)を使用し、白金及び鉄アセチルアセトネートを300
℃で還元すると、合成されたままで、fct構造を有するFePtナノ粒子が得られたと
記載されている。
特許第3258295号公報(特開2000-54012号公報) SCIENCE VOL.287, 17 MARCH, 2000, p.1989-1992 Japanese Journal of Applied Physics, Vol.42, No.4A, 1 April, 2003, P.L350-352
特許文献1および非特許文献1の方法 (これらの文献に記載の方法を以下にIBM法と略称することがある) で得られるFePt粒子は、反応直後のものは磁性を持たないfc
c(面心立方晶)構造であり、そのままでは磁気記録媒体用途の磁性粒子として利用することはできない。このため、fct結晶構造転移温度(Tt)以上に加熱処理して、強磁
性を発現するfct(面心正方晶)構造に転移させる必要がある。そのさい、IBM法で得られるFePt粒子の結晶構造転移温度は450℃程度であるから、fct構造に転移
するには450℃以上の温度での熱処理が必要である。
しかし、このFePt粒子の集合体(粉体)をそのまま450℃以上の温度に加熱すると、金属粒子同士が合体して巨大化してしまい、fct構造が得られたとしても、高密度
記録媒体の用途に適したナノ粒子形態とはならないし、粒子同士の合体が一様に進行しないのが普通であるから、粒径分布が発生し、これに伴って磁気特性に大きな分布を生じて
、実用上の問題となる。
加熱によって粒子同士が合体して巨大化するのを防止するには、各粒子が互いに所定の間隔をあけて位置決めされた状態で, 例えば基板上に各粒子を所定位置に固定した状態で
, あるいは粒子同士の焼結を防止するための何等かの障壁を設けた状態で、該熱処理を行うことが必要である。しかし、このような熱処理を実現するには、粒子の規則的な配置を
行うための精密技術が必要である。
またIBM法では、例えばFe=50 at.%、Pt=50 at.%のFePt粒子を作成する場合でも、Fe原料をモル量で2倍以上仕込まなければ作成できないといったように
粒子の組成制御が難しく、粒子間で組成のバラツキがないようにするには、どうすべきかについて未知であった。事実、本発明者によるIBM法の追試試験では、得られた個々の
粒子の組成分析をTEM―EDSで実施したところ、粒子間で組成に大きなバラツキが生じた。FePt合金の場合、強磁性体相であるfct規則構造はPtが35〜55 at.%
の範囲内でのことである。したがって、この範囲を外れる組成の粒子が存在していた場合には、いくら熱処理をしても、その粒子はfct規則構造にならない。またPt35〜5
5 at.%であっても、粒子間でその組成が変化していると、磁気特性も変化するので磁気
記録媒体としては適さない。
非特許文献2には、合成されたまま状態でfct構造をもつFePtナノ粒子が得られる可能性が示された。しかし、該文献に記載された方法で得られたFePtナノ粒子粉末
は、TEGを用いて300℃で合成する方法のものでも、室温における保磁力Hcは370エルステッド(Oe )に過ぎない。このFePtナノ粒子粉末は、同じくTEG(テト
ラエチレングリコール)を用いて260℃で合成したものに比べると、fct構造を有することが確認されているが、それでも、室温での保磁力Hcが370Oe 程度では、実際
の磁気記録用に適用するには難がある。
したがって、本発明の課題は、このような問題を解決することにあり、とくに非特許文献2に示されたFePtナノ粒子の製法をさらに改善し、実際の磁気記録用材料に適した
組成分布の少ないfct構造のFePt系ナノ粒子からなる磁性材料を得ることができる
fcc構造の合金粒子粉末(強磁性合金粒子粉末の前駆体)を得ることにある。
前記の課題は、fcc構造のFePt粒子の単結晶化度を改善することによって解決できることが判明した。とくにポリオール法によるFePtナノ粒子の製法において、錯化
剤の存在下でFePt合金粒子を合成すると、fcc構造のFePt粒子の各粒子の組成のバラツキが少なくなると共に結晶化度も向上することが明らかとなり、前記の課題が有
利に解決できることがわかった。
したがって、本発明によると、FeまたはCoの少なくとも1種と、PtまたはPdの少なくとも1種とを主成分とした面心立方晶構造(fcc構造)を有する合金の粒子粉末
であって、TEM観察により測定される平均粒径(DTEM) が50nm以下であり、X線結晶粒径を(Dx)としたとき、単結晶化度=(DTEM) /(Dx)が1.50未満であ
ることを特徴とする合金粒子粉末を提供する。
さらに本発明によれば、TをFeとCoの1種または2種、MをPtとPdの1種または2種としたとき、式〔TX1-X〕におけるXが0.3〜0.7の範囲となる組成比で
TとMを含有し、TとM以外の金属元素が(T+M)に対する原子百分比で30 at.%以下(0%を含む)、残部が製造上の不可避的不純物からなり且つ面心立方晶構造(fcc
構造)を有する合金の粒子粉末であって、
TEM観察により測定される平均粒径(DTEM) が50nm以下であり、
下記の(1) 式を満たす粒子が100個のうち90個以上であり、且つ下記の(2) 式を満た
す合金粒子粉末を提供する。
0.90Xav≦X1,2,・・・X100≦1.10Xav ・・・(1)
1,2,・・・X100の標準偏差σ≦20% ・・・(2)
ただし、Xavは、前記の組成式〔TX1-X〕のXの値について、粉体として実測された値 (粒子集合体の平均組成におけるXの値) を表し、X1,2,・・・X100は、当該粉体
のTEM―EDX測定において、測定視野内に粒子が1000個以上入っている状態で任
意に選んだ100個の粒子について測定された個々の該Xの値を表す。
本発明に従う合金粒子粉末を得るには、TをFeとCoの1種または2種、MをPtとPdの1種または2種としたとき、式〔TX1-X〕におけるXが0.3〜0.7の範囲
となる組成比でTとMを含有し、TとM以外の金属元素が(T+M)に対する原子百分比で30 at.%以下(0%を含む)、残部が製造上の不可避的不純物からなる合金粒子粉末
を製造するさいに、T成分とM成分を含む金属塩を、沸点が150℃以上の多価アルコールおよび/またはこれらの誘導体からなる液に固形分が残存しない状態にまで溶解し、そ
の溶液を不活性ガス雰囲気下で150℃以上の温度で該金属塩を該多価アルコールおよび/またはこれらの誘導体で還元し、この還元によって該合金の微粒子を合成すること、そ
して、この還元を錯化剤の溶存下で進行させることを特徴とするfcc構造を有する合金粒子粉末の製造法によって有利に製造することができる。錯化剤としては、アセチルアセ
トン、ギ酸、クエン酸、コハク酸、酢酸、スルファミン酸、フタル酸、マロン酸、リンゴ酸およびシュウ酸からなる群から選ばれる少なくとも1種を使用することができ、その使
用量は全金属塩に対するモル比で0.1〜250の範囲の量で使用するのがよい。
また、この還元を結晶核誘発剤の存在下で進行させることにより、一層、組成分布の良好な粒子からなる合金粒子粉末を得ることができる。結晶核誘発剤としては、Au、Ag
、Ru、Rh、Pd、Os、IrおよびPtの群からなる少なくとも1種の金属の塩を使用することができ、PtまたはPdの場合には、合金合成用の原料の金属塩とは異なる塩
を使用する。また、TとM以外の金属元素として不規則相から規則相への結晶構造転移温度(Tt)を下げるのに寄与する金属元素、例えばAu、Ag、Cu、Sb、Biおよび
Pbからなる群から選ばれる少なくとも1種であることができる。
非特許文献2によると、ポリオール法によるFePt合金粒子の合成の際に、テトラエチレングリコール(TEG)を用いて白金および鉄アセチルアセトナートを260℃で還
元しても、X線回折でfct 構造に起因するピークは観察されず、保磁力も室温では10Oe以下である。しかし、同じ原料を用いて300℃で還元を実施すると、X線回折でf
ct構造に起因するピークが観察でき、保磁力は370Oeであったとされている。これは、還元温度260℃から300℃にすることによって、fcc構造からfct構造に相
変化を起こしたためと考えられる。このように、非特許文献2の方法では、特許文献1や非特許文献1のように気相で熱処理を実施しなくても、fct構造をもち保磁力を発現す
るFePt合金粒子が直接得られたことが確認されている。ただし、特許文献1や非特許文献1で報告されている保磁力と比較すると、その保磁力の値(370Oe)はずいぶん
と小さい。
本発明者は、非特許文献2に代表されるポリオール法によるFePt粒子の合成法についての研究を重ねてたが、優れた磁気特性、特に高い保磁力をもつFePt粒子粉末を得
るには、単結晶化度が高く各粒子ごとに組成のバラツキのないfcc構造のFePt粒子を生成させることが肝要であることがわかった。そして、このことは、錯化剤の存在下で
ポリオール法を実施することによって実現できることを見い出した。
以下に本発明を特定する事項について個別に説明する。
〔合金の成分組成〕
本発明のfcc構造の微粒子合金粉末は、少なくともFeおよび/またはCoと、Pt
および/またはPdを含む合金からなる。
本合金は、TをFeとCoの1種または2種、MをPtとPdの1種または2種としたとき、式〔TX1-X〕におけるXが0.3〜0.7の範囲となる組成比でTとMを含有
し、残部は、TとM以外の金属元素と製造上の不可避的不純物とからなる。TとM以外の金属元素は(T+M)に対する原子百分比で30 at.%以下(0 at.%を含む)である。
この合金において、fcc構造からfct構造を形成するための組成としてはX=0.
5が理想的である。しかし、X:0. 3〜0. 7の範囲でもfct構造を10〜100%の範囲で有する金属組織を得ることができる。本発明合金において、TとM以外の金属元
素としては、相転移に影響を与える金属元素(Z成分という)と、結晶核誘発剤に含まれる金属元素(N成分という)が挙げられ、これらZ成分とN成分の合計量が(T+M)に
対する原子百分率で30 at.%(0 at.%を含む)以下の量で含有することができる。場合によっては20 at.%以下、さらには10 at.%以下であってもよく、0 at.%の場合
もある。
Z成分において相転移に影響を与えるとは、ポリオール法によるFePt粒子合成の際にfcc構造からfct構造への結晶構造転移温度(Tt) を低下させる作用を有するこ
とを意味する。具体的には、そのZ塩を添加しておくと、金属に還元されたさいにそのZ金属が結晶粒界または粒界に偏析して、前記の作用を示すようなものである。このような
作用を有する金属元素としてはAu、Ag、Cu、Sb、Bi、Pbなどがある。Z成分に関しては、その塩がポリオールで還元されることが重要である。Z成分の含有量はTと
Mの合計量に対して30 at.%未満であるのがよい。Z/(T+M)の原子百分比が30 at.%以上であると、Z成分が多くなりすぎてfct構造の発現を阻害するため、磁気特
性の急激な悪化が起きるので好ましくない。なお、Z成分は必須ではなく、Z成分無添加
でもfct構造が得られる場合には、Z成分は含有しなくてもよい。
N成分は、本合金製造時に用いた結晶核誘発剤由来のT、M、Z以外の残留金属元素である。N成分の含有量はTとMの合計量に対して20 at.%未満であるのがよい。N/(
T+M)の原子百分比が20 at.%以上であると、N成分が多くなりすぎてfct構造の発現を阻害するため、磁気特性の急激な悪化が起きるので好ましくない。本合金製造時に
用いることができる結晶核誘発剤は、T、M、Zの金属元素と同じ金属の塩の場合もある。この場合のN成分はT、M、Z成分のどれかと一致することになるから、T、M、Z以
外のN成分は合金組成には含まれないことになる。しかし、結晶核誘発剤の金属成分がT、M、Zの金属元素と同じ場合は、後述のように、主構成元素であるT、M成分や、結晶
構造転移温度低減元素であるZ成分とは、それらの金属塩とは異なる金属塩が結晶核誘発
剤として用いられる。
本発明の合金製造時に不可避的に混入する不純物等については、特性に大きな影響を与えない限りその含有が許容される。許容される不純物の含有量は5重量%以下、好ましく
は2重量%以下、さらに好ましくは1重量%以下である。
本発明に従う合金粒子粉末は非常に微粒子であっても、各粒子の合金組成が非常に均斉である点に特徴がある。以下に、本発明の合金粒子の特徴を具体的に説明するが、説明を
簡便にするためにT=Fe、M=Ptである場合のFePt粒子を例として説明する。しかし、Feに代えてCoを、或いはCoに代えてPdを用いた合金の場合も全く同様であ
り、FePt粒子はあくまで例示である。
FePt粒子の1個1個の組成分析はTEM−EDX(TEM−EDSとも呼ばれる)で実施することができる。TEM(透過電子顕微鏡)においてナノブローブ電子線を用い
たエネルギー分散型X線分光法(EDX)は測定範囲を1〜2nmに絞ることができる。このため、測定対象とするFePtナノ粒子が個々に分散して互いに離れた位置にあれば
各粒子ごとの組成分析が可能である。このようTEM−EDXの測定装置として、例えば日立社製透過電子顕微鏡(Transmisson Electron Microscope :HF−2000:加速電
圧200kV)やTEM―EDX(NORAN Instruments社製 VANTAGE)がある。なお、これまでTEM−EDSとして使用されている用語も本明細書ではTEM−E
DXに含まれるものとして取り扱う。
本発明に従う合金粒子粉末としての平均組成は、粉末を酸により完全に溶解したものをICP測定に供することによって得られる。TEM−EDXの測定において、視野内に存
在する全粒子(1000個以上)について測定された個々の組成を平均した値を平均組成
とすることもできる。
本発明によると、粉末としての平均組成と各粒子の個々の組成との間に式(1) と式(2)
の関係を実質上満足したFePtナノ粒子粉末が提供される。
0.90Xav≦X1,2,・・・X100≦1.10Xav ・・・(1)
1,2,・・・X100の標準偏差σ≦20% ・・・(2)
avは、組成式〔TX1-X〕のXの値について、粉体として実測された値 (粒子集合体の平均組成におけるXの値) であり、X1,2,・・・X100は、当該粉体のTEM―ED
X測定において、測定視野内に粒子が1000個以上入っている状態で任意に選んだ100個の粒子について測定された個々のXの値を表す。(1) 式を実質上満足することは、1
00個の個々の粒子のX成分が、集合体(粉体)のX成分の平均値に対して±10%の範囲内に収まっていることを意味している。ただし100個のうち10個以下、好ましくは
5個以下の粒子がこの条件を外れても磁気記録用等の用途において許容できる。このことを「(1) 式を満たす粒子が100個のうち90個以上である」と定義している。(2) 式を
満たすことは、該100個の個々の粒子のX成分値のバラツキの程度を表す標準偏差σが
20%の範囲に収まっていることを意味している。
図1にFeとPtの二元系平衡状態図を示した。図1に見られるように、組成が異なるとfcc→fct構造への転移温度が変化することがわかる。したがって、粒子個々の組
成が異なっていると、同一の温度で熱処理を実施しても、ある粒子はfct構造へ相変化するが、ある粒子は相変化しない(或いは部分的にしか相変化しない)といった現象が起
き、粒子ごとに磁気特性が異なることになる。最悪の場合は、粉体の平均組成ではPtが35〜55at% の範囲(図1のFePtの範囲)にあっても、或る粒子ではPtの含有量
がこの範囲を外れることもあり得る。この場合には、いくら熱をかけてもその粒子はfct構造に相変化しなくなる。磁気記録用途では、このような粒子ごとの磁気特性の変動は
、書き込み不良やデータの消失がおきるため、致命的な問題となる。
最近のハードディスクでは、磁気記録の高密度化に伴って、記録ビットの寸法が、トラック方向も含め、極端に微小化している。この微小化は、今日では薄膜磁気記録媒体を構
成する結晶粒の寸法に近づいている。例えば、記録ビットの占有面積は10Gbit/in2では0.063μm2、50Gbit/in2では0.013μm2、100Gbit/in2では0.
0063μm2となり、磁性膜の平均結晶粒径を15nmとすると、1ビットに含まれる結晶粒の数はそれぞれ、278個、56個、28個程度になる(「記録・メモリ材料ハン
ドブック」、逢坂哲彌・山崎陽太郎・石原宏編参照)。このように磁気記録が高密度化されてゆく程、粒子1つ1つの特性の均一性が重要になる。例えば100Gbit/in2で考え
ると、28個の磁性粒子のうち1個の粒子が非磁性であると、その記録ビットの信号出力は3.6%小さくなってしまう。かりに28個中3個の磁性粒子が非磁性であると出力が
10.7%も低下してしまう。このような出力の変動は、データのエラーレートの上昇、書き込み不良やデータの消失などが起き、高記録密度磁気記録媒体にとっては好ましくな
い。
FePt粒子の場合、FeとPtの比で考えるとFeが45〜65at%(Ptでは35〜55at%)以外では、強磁性を発現するfct構造にならない。このため、個々の
粒子の磁気特性を均一にするには、まず、個々の粒子の組成がこの範囲で均一なければならないが、その組成がたとえfct構造を発現する範囲内であっても、実際には個々の粒
子のfct構造の割合が異なることもある。個々の粒子のfct構造割合が異なっていると、個々の粒子の磁気特性にバラツキを生じてしまう。また仮に、すべての粒子がfct
構造単相になっていたとしても、FeとPtの含有割合、いわゆる組成が異なると、結晶
磁気異方性定数や飽和磁化等の磁気特性が必ず異なってくる。
結局、どのような場合を想定しても、個々の粒子の組成のバラツキは、個々の磁気特性のバラツキにつながる。よって、個々の粒子の組成を均一にすることは、高記録密度磁気
記録用には必須の要件であると言える。だが、FePtナノ粒子において個々の粒子の組成が均一な合金粒子を得るのは容易ではない。例えば標準電極電位が大きく異なるPtイ
オンとFeイオンを還元剤によって湿式で還元してFePt合金を析出させようとしても
、還元され易いPtイオンが先に還元され易くなるからである。
本発明によれば、ポリオール法でFePtナノ粒子の合金を合成する際に、錯化剤の存在下で還元すると、単結晶化度の高いFePt粒子が生成し、ひいては粒子間で組成のバ
ラツキの少ないFePt粒子粉末が合成できることが判明し、好ましくはさらに、結晶核誘発剤を用いて還元反応を制御すると、粒子間の組成のバラツキが一層少なくなることが
判明した。これにより、前記の(1) 式を実質上満足し且つ(2) 式を満たすFePtナノ粒
子粉末を安定して得ることに成功した。
〔面心立方晶構造(fcc構造)〕
本発明のFePt粒子粉末は面心立方晶構造(fcc構造)を有する。したがって、X線回折ではfcc構造に起因するピークが現れる。fct構造が部分的に存在していても
、その割合は10%以下である。したがって、fct構造の磁性材料を得る場合には、このfcc構造のFePt粒子をfct構造に相変態させる。この相変態は、一般的にはf
cc構造のFePt粒子粉体を気相中で熱処理することによって行うことができる。しかし、ポリオール法によって本発明のfcc構造のFePt粒子を製造したあと、引き続き
、例えば反応後の液中においてさらに高温の温度に保持する処理を行うか、或いは別の媒体液中においてさらに高温の温度に保持する処理によっても、fcc構造からfct構造
への相変態を行うことができる。
なお、本発明が対象とするFePt合金などでは、fcc構造(面心立方晶構造)とfct構造(面心正方晶構造)のX線回折パターンが殆ど同じであり、またfct構造のみ
から得られる(001)と(110)の反射は強度が非常に弱いので、これらのピークだけでfct構造の定量化を行うことは困難である。しかし、メスバウワー分光法で計測さ
れるFePt合金についての強磁性構造の割合を解析することによって、そのfct構造の割合を算出することができる。すなわち、FePt粒子のfct構造の割合については
、Fe原子のメスバウアー分光測定による強磁性構造の割合の解析によって、すなわち、Fe原子のメスバウアー分光測定による磁気秩序下にあるFe原子の個数割合を求めるこ
とによって、これをfct構造の割合とすることができる。
〔粒径〕
本発明に従うFePt粒子粉末は、透過電子顕微鏡(TEM)観察による1次粒子の粒
径の平均値が50nm以下、好ましくは30nm以下、さらに好ましくは20nm以下で
ある。1次粒子はそれ以上には分けられない最小単位の粒子を言う。
FePt合金粒子を磁気記録媒体用の磁性材料として使用する場合には、その粒子の粒径が記録密度と密接に関係しており、一般に粒径が小さいほど記録密度を高めることがで
きる。本発明に従う粒子粉末は、透過電子顕微鏡(TEM)観察による1次粒子の粒径の平均値が50nm以下、好ましくは30nm以下、さらに好ましくは20nm以下である
ので、磁気記録媒体の用途に適する。
〔X線結晶粒径(Dx)〕
本発明に従うFePt粒子の結晶粒子径はX線回折結果から Scherrer の式より求めることができる。このため、結晶粒子径は本明細書ではX線結晶粒径(Dx)と呼ぶ。その
求め方は、次のとおりである。
Scherrer の式は、次の一般式で表現される。
D=K・λ/β COSθ
式中、K:Scherrer定数、D:結晶粒子径、λ:測定X線波長、β:X線回折で得られた
ピークの半価幅、θ:回折線のブラッグ角をそれぞれ表す。
後記の実施例では、Kは0.94の値を採用し、X線の管球はCuを用いた。このため前式は
次のように書き換えられる。
D=0.94×1.5405/β COSθ
この式でDを求めるさいに、FePt系の合金粒子のピークについては41°付近に観察される(111) のものを採用できる。他の成分系の合金粒子については、近接するピークと
分離可能な十分に大きなピークを採用すればよい。
本発明に従うFePt粒子粉末は、1個の粒子内に存在する結晶粒子の数が少ない点に特徴があり、このためにX線結晶粒径(Dx)は、TEMで測定した1次粒子の平均粒径
(DTEM) との間で一定の関係(単結晶化度<1.50)を有しているが、X線結晶粒径(Dx)だけについて見ると、Dxは一般に4.0nm以上、好ましくは5.0nm以上
、さらに好ましくは6.0nm以上である。
〔単結晶化度〕
本発明のFePt粒子粉末は、(DTEM) /(Dx)の比が1.50未満である。この比(DTEM) /(Dx)を単結晶化度と呼ぶ。この比が小さいほど、1個の粒子中に存在
する結晶粒子の数が少ないことを意味する。
逆に単結晶化度が大きいほど1次粒子は数多くの結晶粒子からなる多結晶体となるが、fcc構造の1次粒子が、数多くの結晶粒子から構成されると、これを熱処理してfct
構造に相変化させた場合でも多結晶体となる。磁性材料としてのFePt粒子が多結晶状態であると、1次粒子内の各結晶粒子に起因する結晶磁気異方性が互いに打ち消し合うこ
とが起きる。その結果、粒子としての磁気異方性は、同じ体積の単結晶粒子の磁気異方性
と比較すると大幅に小さいものになることは容易に推測できる。
fcc構造の一次粒子が多結晶粒子でも、これを相変化させるための熱処理を施すさいにその温度を高めて単結晶化を図ることも不可能ではないが、このような単結晶化を図る
に十分な高い温度に昇温すると粒子間の焼結を起こして、粒子の粗大化が起き、今度は磁化が安定に存在するために多磁区構造をとるようになり、結果的に磁気異方性を弱めるこ
とになる。また、粒子が粗大化して粒子が物理的に大きくなると、高密度磁気記録に必要とされる高記録密度の磁化反転に適さなくなる。したがって、fcc構造の1次粒子が単
結晶粒子であることは望ましくなく、単結晶化度が小さいことが望まれる。
本発明によると、単結晶化度=(DTEM) /(Dx)<1.50のfcc構造のFePt粒子が実現できた。1次粒子が単結晶であれば理屈上では単結晶化度は1となる。この
ため、単結晶化度が1より小さくなることは一見したところあり得ないと思われるが、実際はそうではない。実際の粒子は、粒度分布を有し、また平均粒子径は個数平均値である
ために一般に微粒子側に値がシフトし易い。逆にX線結晶粒径(Dx)は結晶粒径の大きな方にシフトし易い。したがって、測定された(DTEM) と(Dx)の比をとったときに
これが1より小さいことが実際にはあり得る。しかし、本発明の経験によると、この比が0.6より小さくなる場合には、すなわち単結晶化度<0.6では粒度分布がブロードに
なりすぎて、磁気記録媒体用の粉体としては適当ではない。したがって、本発明のfcc構造構造のFePt粒子は、単結晶化度が0.6〜1.50未満の範囲にあり、このこと
が、磁気特性の優れたfct構造のFePt粒子を得るに適した結晶形態を有していることになる。また単結晶化度が1.5未満であることは、1次粒子内の結晶粒子の数が5個
以下であることに対応している。
〔製造法〕
非特許文献2では保磁力Hc=370Oe のfct構造のFePt粒子粉末が得られている。本発明によるfcc構造の前駆体に対してfct構造へ相変化する熱処理を実施す
ると、その限界を超えて、さらに高い保磁力を有するfct構造のFePt粒子を合成することができる。本発明によるfcc構造の前駆体(FePt粒子)の製造法は、ポリオ
ール法で前記の式〔TX1-X〕におけるT成分とM成分を還元するさいに、錯化材の溶存下で進行させる点に特徴がある。すなわち、前記式のXが0.3〜0.7の範囲となる
組成比でT成分とM成分を含む金属塩を、沸点が150℃以上の多価アルコールおよび/またはこれらの誘導体からなる液に固形分が残存しない状態にまで溶解し、その溶液を不
活性ガス雰囲気下で150℃以上の温度で該金属塩を該多価アルコールおよび/またはこれらの誘導体で還元し、この還元によって該合金の微粒子を合成すること、そして、この
還元を錯化剤の溶存下で進行させること、場合によっては、さらに結晶核誘発剤の存在下
で還元を始発させることを特徴とする。
錯化剤としては、アセチルアセトン、ギ酸、クエン酸、コハク酸、酢酸、スルファミン酸、フタル酸、マロン酸、リンゴ酸およびシュウ酸からなる群から選ばれる少なくとも1
種が好適であり、場合によってはこれらの塩類(アンモニウム塩を含む)を使用することもできる。要するところ、錯化剤としては、ポリオール中に溶存する原料金属イオンを錯
体化できるものであれば基本的に使用可能である。錯化剤の使用量は全金属塩に対するモル比で0.1〜250の範囲の量とするのがよい。このモル比が0.1未満では個々の粒
子の組成を均一化する効果や単結晶化度を高める効果が十分に現れないし、他方このモル比を25倍より高くしてもそれらの効果が飽和し、経済的ではなくまた反応が遅くなり過
ぎて生産性も悪くなる。
前記のように、錯化剤の添加によって、fcc構造の個々のFePt粒子の組成が均一化し且つ単結晶化度を高めることができる。その理由は必ずしも明確ではないが、合金の
合成反応速度を抑制できるからであろうと推測される。錯化剤を添加すると、T成分やM成分とポリアオール中で錯体を形成し、溶液中ではこれらの成分は錯イオンとして存在す
るようになる。その結果、溶液に対する溶解度が上がる。また還元されやすいM成分の低温での金属化を抑制する。このようなことが総合的に寄与してFePt合金の個々の粒子
の組成が均一化し、また単結晶化度を高めることができるものと考えられる。
また、この還元反応を結晶核誘発剤の存在下で進行させると一層粒子個々の組成の均一化を図ることが可能となる。結晶核誘発剤としてはは、Au、Ag、Ru、Rh、Pd、
Os、IrおよびPtの群からなる少なくとも1種の金属(N成分という)の塩を使用することができ、PtまたはPdの場合には、合金合成用の原料の金属塩とは異なる塩を使
用する。
結晶核誘発剤の使用量は、NがTまたはMと異なる場合にはN/(T+M)の原子百分比が0.01〜20 at.%の範囲で使用するのがよい。NがTまたはMと一致する場合に
は、TとMが式〔TX1-X〕におけるXが0.3以上で0.7以下となる範囲内の量で使用するが、結晶核誘発剤中のTまたはMは合金原料中のT+Mに対して0.01 at.%
以上、20 at.%以下であるのがよい。結晶核誘発剤の使用量が0.01at% 未満では粒子個々の組成のバラツキ低減や反応の再現性改善に効果が見られず、また20at% を超え
る添加では、結晶成長を阻害するなどの害の方が大きく現れるようになるので好ましくな
い。
ポリオール法の実施にさいしては、T成分とM成分を含む金属塩をポリオールに溶解し、そのポリオール(多価アルコール)でT成分とM成分のイオンを還流下で金属に還元す
ることによって、〔TX1-X〕の合金粒子を得ることを要旨とする(Xは0.3〜0.7の範囲)。本発明で使用する多価アルコールとしては、エチレングリコール、トリエチ
レングリコールまたはテトラエチレングリコールが好ましい。しかし、これに限らず、沸点が150℃以上の多価アルコールまたはその誘導体であれば、本発明で使用できる。ま
た150℃以上の多価アルコールまたはその誘導体は1種のみでなく2種以上を混合して
使用することもできる。
多価アルコール中に溶存させる金属の原料は金属錯体であることが好ましく、さらに好ましくはアセチルアセトナート錯体がよい。FePt粒子の場合は、FeおよびPtは、
鉄(III) アセチルアセトナートおよび白金 (II) アセチルアセトナートによって供給するのがよい。実際には、これらの鉄(III) アセチルアセトナートおよび白金 (II) アセチル
アセトナートを多価アルコールに完全に溶解したあと、その溶液を150℃以上の温度、好ましくは270℃以上の温度に不活性ガス雰囲気下に還流状態で昇温して還元反応を進
行させる。昇温前に金属塩が完全に溶解しないで固形分が残存していると、合成される個
々の粒子内外において組成や金属組織がバラツク原因となるので好ましくない。
この合成反応においては、その反応速度を適正に制御することが重要である。そのための方法として溶媒中の金属濃度の調整も重要である。すなわち金属原料の濃度を抑えるこ
とにより、生成する金属の過飽和度を低下させ、核発生および粒子成長の速度を低下させることができる。ポリオールと金属塩中に含まれる全ての金属イオンのモル比、すなわち
、ポリオール/全金属イオンのモル比が例えば100以上であるのがよい。昇温速度は、1℃/分以上とするのがよい。昇温速度は厳密には50℃から150℃に至るまでの平均
昇温速度(℃/分)を言う。
先に述べたfcc構造からfct構造への結晶構造転移温度(Tt) を低下させる作用を有する成分(Z成分)を当該合金に含有させたい場合には、ポリオールで還元可能なZ
成分の塩をこのポリオール法を実施する当該溶液中に溶解させておくのがよい。これにより、Z塩の金属塩もポリオールでZ金属に還元され、その金属成分が〔TX1-X〕合金
の粒界に偏析して(Tt) を低下させる作用を供する。
この合成反応において、反応溶液に分散剤を含有させておくこともできる。分散剤は合成された粒子表面に吸着して粒子同士の凝集を抑制するのに有効である。また、分散剤の
種類と添加量を適切にすることによって、合成されるFePt粒子の粒径を制御することも可能である。使用できる分散剤としては、FePt粒子粉末表面に吸着しやすいN原子
を有するアミン基、アミド基、およびアゾ基を有する界面活性剤か、またチオール基また
はカルボキシル基のいずれかを構造中に含有する有機分子が好適である。
このようにして、本発明によると、各粒子の組成にバラツキがなく且つ単結晶化度の高いfcc構造のFePt合金粒子粉末を得ることができる。このfcc構造の合金粒子粉
末をfct構造に相変態させるには、適当な温度で熱処理すればよい。
そのさい、気相で熱処理する場合には、FePt合金粒子の表面にカップリング剤等を
被着させた状態で熱処理することにより、粒子間の焼結を防止することができる。
液相で熱処理する場合には、前記のポリオール法による合成反応を終えたあと、得られた合金粒子粉末含有物質を沸点が200℃以上、好ましくは270℃以上の多価アルコー
ルまたはその誘導体中に移し、その状態で反応温度200℃以上さらに好ましくは、270℃以上で1時間以上、好ましくは3時間以上、さらに好ましくは5時間以上保持する処
理を行えばよい。熱処理に供する多価アルコールまたはその誘導体が、最初から合成反応に使用した沸点が200℃以上の好ましくは270℃以上のものである場合は、fcc構
造の合金粒子粉末を製造する工程を終えたのち、引き続き昇温してfct構造に相変化さ
せる熱処理を行えばよい。
以下に実施例を挙げて、本発明をさらに説明する。
〔実施例1〕
テトラエチレングリコール(沸点:327℃)2 00mLに、鉄(III) アセチルアセトナート=1.30m mol/Lと白金 (II) アセチルアセトナートを1.30m mol/L添
加し、鉄(III) アセチルアセトナートと白金 (II) アセチルアセトナートの固形分が存在しなくなるまで溶解した。その後、コハク酸を25.978mmol(鉄と白金の合計の
50倍のmol量)を添加し、固形分が存在しなくなるまで溶解した。
この溶液を還流器のついた容器に移してオイルバスに載せ、容器内に不活性ガスとして窒素ガスを400mL/minの流量で吹込みながら、該溶液を160rpmの回転速度
で撹拌しつつ加熱し、200℃の温度で1時間の還流を行って、反応を終了した。そのさ
い、昇温速度は10℃/min (50℃から150℃の平均昇温速度)とした。
反応終了後の液に3倍量のメタノールを添加したうえで遠心分離器にかけ、その後、上澄み液を取り除いた。上澄み液を除いたあとの残留分(粒子粉末)に再びメタノール10
0mLを添加して超音波洗浄槽に装填し、この超音波洗浄槽で該粒子粉末を分散させた。得られた分散液を遠心分離器にかけたあと上澄み液を取り除いた。得られた残留分(粒子
粉末)に対し、前記同様のメタノールを加えて超音波洗浄槽および遠心分離器で処理する洗浄操作を、さらに2回繰り返した。最後に上澄み液を分別して得られたFePtナノ粒
子粉末含有物を、透過電子顕微鏡(TEM)、X線回折(XRD)、組成分析および磁気測定(VSM)に供した。TEM観察にさいしては、FePt粒子粉末含有物をヘキサン
中に入れ、界面活性剤としてオレイン酸とオレイルアミンを添加したうえ、超音波分散処
理して得られた分散液の状態で測定に供した。
透過電子顕微鏡(TEM)観測の結果を図2に示したが、1次粒子の平均粒径は5.9nmであり、角張った結晶性のよさそうな粒子が観察された。X線回折の結果、fct構
造に由来する超格子反射(001)と(110)に対応する回折ピークは、観察されず、fcc構造に起因するピークのみであった。また、X線結晶粒径(Dx)は5.4nmで
あった。その結果、単結晶化度は1.09であった。
TEM―EDS測定において、測定視野内に存在する1000個以上の粒子について測定した平均組成は原子比でFe:Pt=52:48であった。すなわち、Xav=52.0
at.%であった。また、そのうち任意に選んだ100個の粒子についての個々の組成分析の結果、標準偏差σは12%であり、下記の(1) 式を満足しない粒子は3個だけであり、
残りの97個は満足した。
0.90Xav≦X1,2,・・・X100≦1.10Xav ・・・(1)
磁気測定では、保磁力=46Oe 、飽和磁化量σs =0.4emu/g 、SQ=0.04、
SFDは測定不可であった。
〔実施例2〕
錯化剤として、コハク酸に代えて、酢酸を129.89mmol(鉄と白金の合計の2
50倍のmol量)を用いた以外は、実施例1を繰り返した。
得られたFePt粒子粉末含有物について、透過電子顕微鏡(TEM)観測の結果を図3に示したが、1次粒子の平均粒径は5.7nmであり、角張った結晶性のよさそうな粒
子が観察された。X線回折の結果、fct構造に由来する超格子反射(001)と(110)に対応する回折ピークは、観察されず、fcc構造に起因するピークのみであった。
また、X線結晶粒径(Dx)は7.0nmであった。その結果、単結晶化度は0.81で
あった。
TEM―EDS測定における平均組成は原子比でFe:Pt=51:49であった。すなわち、Xav=51.0 at.%であった。また、任意に選んだ100個の粒子についての
個々の組成分析の結果、標準偏差σは10%であり、前記の(1) 式を満足しない粒子は2
個だけであり、残りの98個は満足した。
磁気測定では、保磁力=332Oe 、飽和磁化量σs =0.03emu/g 、SQ=0.0
1、SFDは測定不可であった。
〔比較例1〕
錯化剤を用いなかった以外は、実施例1を繰り返した。
得られたFePt粒子粉末含有物について、透過電子顕微鏡(TEM)観測の結果を図4に示した。1次粒子の平均粒径は6.0nmであり、図4に見られるように、各粒子は
その表面に凹凸をもつ形状(粒子表面に複数の突起と窪みを有し、コンペイ糖のような形状)を有しているのが観察された。X線回折の結果、fct構造に由来する超格子反射(
001)と(110)に対応する回折ピークは観察されず、fcc構造に起因するピークのみであった。またX線結晶粒径(Dx)は2.2nmであった。その結果、単結晶化度
は2.72であった。
TEM―EDS測定における平均組成は原子比でFe:Pt=52:48であった。すなわち、Xav=52.0 at.%であった。また、任意に選んだ100個の粒子についての
個々の組成分析の結果、標準偏差σは21%であり、前記の(1) 式を満足しない粒子は6
個であった。
磁気測定では、保磁力=2Oe 、飽和磁化量σs =7.71emu/g 、SQ=0.04、
SFDは測定不可であった。
〔実施例3〕
実施例1と同一仕込みと同一反応条件で反応を終了した。すなわち、200℃の温度で1時間の還流を行って、反応を終了するまでは、実施例1を繰り返した。その後、引き続
き、その状態からさらに昇温し(200℃から250℃までの平均昇温速度を10℃/m
inとした)、300℃の温度で5時間の還流を行った。
この処理を終えたあとの液に3倍量のメタノールを添加したうえで遠心分離器にかけ、その後、上澄み液を取り除いた。上澄み液を除いたあとの残留分(粒子粉末)に再びメタ
ノール100mLを添加して超音波洗浄槽に装填し、この超音波洗浄槽で該粒子粉末を分散させた。得られた分散液を遠心分離器にかけたあと上澄み液を取り除いた。得られた残
留分(粒子粉末)に対し、前記同様のメタノールを加えて超音波洗浄槽および遠心分離器で処理する洗浄操作を、さらに2回繰り返した。最後に上澄み液を分別して得られたFe
Ptナノ粒子粉末含有物を、組成分析およびX線回折と磁気測定(VSM)に供した。
得られたFePt粒子粉末含有物についてX線回折の結果、fct構造に由来する超格子反射(001)と(110)に対応する明確な回折ピークが現れ、面心正方晶の存在が
確認された。Fe原子のメスバウアー分光測定によるfct構造の割合は75%であった。磁気測定では、保磁力=3610Oe、飽和磁化σ=42.4emu/g、SQ=0.
575、SFD=0.879であった。
〔実施例4〕
実施例2と同一仕込みと同一反応条件で反応を終了した。すなわち、200℃の温度で1時間の還流を行って、反応を終了するまでは、実施例2を繰り返した。その後、引き続
き、その状態からさらに昇温し(200℃から250℃までの平均昇温速度を10℃/m
inとした)、300℃の温度で5時間の還流を行った。
その後は、実施例3と同様の洗浄および分別の処理を行い、得られたFePt粒子粉末含有物についてX線回折を行った結果、fct構造に由来する超格子反射(001)と(
110)に対応する明確な回折ピークが現れ、面心正方晶の存在が確認された。Fe原子のメスバウアー分光測定によるfct構造の割合は74%であった。磁気測定では、保磁
力=3250Oe、飽和磁化σ=37.5emu/g、SQ=0.568、SFD=0.
862であった。
〔比較例2〕
比較例1と同一仕込みと同一反応条件で反応を終了した。すなわち、200℃の温度で1時間の還流を行って、反応を終了するまでは、比較例1を繰り返した。その後、引き続
き、その状態からさらに昇温し(200℃から250℃までの平均昇温速度を10℃/m
inとした)、300℃の温度で5時間の還流を行った。
その後は、実施例3と同様の洗浄および分別の処理を行い、得られたFePt粒子粉末含有物についてX線回折を行った結果、fct構造に由来する超格子反射(001)と(
110)に対応する回折ピークが現れ、面心正方晶の存在が確認された。Fe原子のメスバウアー分光測定によるfct構造の割合は41%であった。磁気測定では、保磁力=9
85Oe、飽和磁化σ=21.3emu/g、SQ=0.42、SFD=0.92であっ
た。
実施例3〜4と比較例2とを対比すると明らかなように、錯化剤を添加して作成したfcc構造のFePt粒子(実施例1〜2のもの)は、錯化剤無添加で得られたfcc構造
のFePt粒子(比較例1のもの)と比べて、同じ熱処理でfct構造に相変化させた場
合でも、fct構造の割合が高くなり、また良好な磁気特性が得られることがわかる。
〔図5について〕
図5は、前記の実施例1〜2および比較例1のもののほかに、数多く実施した他の例で得られたFePt粒子について、TEM観察により測定される平均粒径(DTEM) とX線
結晶粒径(Dx)の関係を整理したものである。いずれの他の例でも、実施例1〜2および比較例1のものと使用原料および反応温度200℃は同じであるが、その他の反応条件
特に昇温速度が異なり、また錯化剤は無添加の状態としてFePt粒子を得たものである。図5の結果から、錯化剤を添加しない条件でも、反応条件を変えるとTEM観察により
測定される平均粒径(DTEM) は変化させることができるが、X線結晶粒径(Dx)は本質的に変化せず、したがって、錯化剤を添加しない場合には単結晶化度を改善することは
難しいことがわかる。これに対して、錯化剤を添加した実施例1と実施例2では単結晶化度=1の直線に近づいており、単結晶化度が大幅に改善されていることが明らかである。
Fe−Pt二元系平衡状態図である。 本発明に従うFePt系合金粒子粉末のTEM写真である。 本発明に従う他の例のFePt系合金粒子粉末のTEM写真である。 比較例のFePt系合金粒子粉末のTEM写真である。 種々の条件で製造されたFePt系合金粒子について、TEM観察により測定される平均粒径(DTEM) とX線結晶粒径(Dx)の関係を示した図である。

Claims (2)

  1. 式〔FeXPt1-X〕におけるXが0.3〜0.7の範囲となる組成比でFeとPtを含有し、残部が製造上の不可避的不純物からなり且つ面心立方晶構造(fcc構造)を有する合金の粒子粉末の製造方法であって、FeとPtを含む金属塩を、沸点が150℃以上の多価アルコールおよび/またはこれらの誘導体からなる液に固形分が残存しない状態にまで溶解し、ギ酸、クエン酸、コハク酸、酢酸、スルファミン酸、フタル酸、マロン酸、リンゴ酸およびシュウ酸からなる群から選ばれる少なくとも1種を添加し、その溶液を不活性ガス雰囲気下で150℃以上の温度で該金属塩を該多価アルコールおよび/またはこれらの誘導体で還元し、この還元によって該合金の微粒子を合成することを特徴とするfcc構造を有する磁気記録媒体用合金粒子粉末の製造法。
  2. 前記のギ酸、クエン酸、コハク酸、酢酸、スルファミン酸、フタル酸、マロン酸、リンゴ酸およびシュウ酸からなる群から選ばれる少なくとも1種の使用量は全金属塩に対するモル比で0.1〜250の範囲の量で使用する請求項1に記載の磁気記録媒体用合金粒子粉末の製造法。
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