JP7337291B2 - 磁気光学材料およびその製造方法 - Google Patents
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Description
赤外波長域にてENZ特性を示すTCO(Transparent Conductive Oxide)材料(透明導電性材料)の基礎となる元素および化合物のうち少なくとも一方と、磁性金属との複合ターゲットまたは個別の複数のターゲットを用いて、前記基板の温度を300~800[℃]の範囲に含まれる第2温度に制御し、かつ、当該基板の雰囲気圧力を0.1~10[Pa]の範囲に制御しながら当該基板の上に前記磁気光学材料を成膜する第2工程と、を含む。
本発明の第1実施形態としての磁気光学材料10において、マトリックス11はIn2O3系化合物であり、磁性金属粒子12はFe、CoおよびNiから選択される少なくとも1種の金属またはその合金の粒子である。図1に模式的に示されているように、磁気光学材料10は、赤外波長域にてENZ特性を示すTCO材料からなるマトリックス11と、マトリックス11に分散している磁性金属粒子12と、により構成されているナノグラニュラー構造を有する。磁性金属粒子12の粒径は、例えば2~20nmの範囲に含まれている。これは、他の実施形態における磁気光学材料10においても同様である。
本発明の第2実施形態としての磁気光学材料10において、マトリックス11はZnO系材料であり、磁性金属粒子12はFe、CoおよびNiから選択される少なくとも1種の金属またはその合金の粒子である。磁気光学材料10は、AlおよびGaから選択されるM成分を用いて、組成式FeaCobNicZnxOyMzで表わされ、組成比a、b、c、x、y、zは原子比率で、0≦a≦0.35、0≦b≦0.35、0≦c≦0.35、0.05≦a+b+c≦0.50、0.20≦x≦0.50、0.20≦y≦0.50、0.01≦z≦0.10、0.50≦x+y+z≦0.95、かつ、a+b+c+x+y+z=1である。B、In、Y、Sc、F、V、Si、Ge、Ti、ZrおよびHfから選択される1種以上の元素がM成分として採用されてもよい。
本発明の第3実施形態としての磁気光学材料10において、マトリックス11はCdO系材料であり、磁性金属粒子12はFe、CoおよびNiから選択される少なくとも1種の金属またはその合金の粒子である。磁気光学材料10は、InおよびDyから選択されるM成分を用いて、組成式FeaCobNicCdxOyMzで表わされ、組成比a、b、c、x、y、zは原子比率で、0≦a≦0.35、0≦b≦0.35、0≦c≦0.35、0.05≦a+b+c≦0.50、0.20≦x≦0.50、0.20≦y≦0.50、0.02≦z≦0.10、0.50≦x+y+z≦0.95、かつ、a+b+c+x+y+z=1である。SnがM成分として採用されてもよい。
本発明の第4実施形態としての磁気光学材料10において、マトリックス11はSnO2系材料であり、磁性金属粒子12はFe、CoおよびNiから選択される少なくとも1種の金属またはその合金の粒子である。磁気光学材料10は、FおよびNbから選択されるM成分を用いて、組成式FeaCobNicSnxOyMzで表わされ、組成比a、b、c、x、y、zは原子比率で、0≦a≦0.35、0≦b≦0.35、0≦c≦0.35、0.05≦a+b+c≦0.50、0.15≦x≦0.40、0.35≦y≦0.70、0.02≦z≦0.10、0.50≦x+y+z≦0.95、かつ、a+b+c+x+y+z=1である
本発明の第5実施形態としての磁気光学材料10において、マトリックス11はTiO2系材料であり、磁性金属粒子12はFe、CoおよびNiから選択される少なくとも1種の金属またはその合金の粒子である。磁気光学材料10は、組成式FeaCobNicTixOyNbzで表わされ、組成比a、b、c、x、y、zは原子比率で、0≦a≦0.35、0≦b≦0.35、0≦c≦0.35、0.05≦a+b+c≦0.50、0.15≦x≦0.40、0.35≦y≦0.70、0.02≦z≦0.10、0.50≦x+y+z≦0.95、かつ、a+b+c+x+y+z=1である。
本発明の第6実施形態としての磁気光学材料10において、マトリックス11はIn2O3-ZnO系材料であり、磁性金属粒子12はFe、CoおよびNiから選択される少なくとも1種の金属またはその合金の粒子である。磁気光学材料10は、組成式FeaCobNicInxGayZnzOwで表わされ、組成比a、b、c、x、y、z、wは原子比率で、0≦a≦0.35、0≦b≦0.35、0≦c≦0.35、0.05≦a+b+c≦0.50、0.15≦x≦0.40、0.35≦y≦0.70、0.02≦z≦0.10、0.65≦x+y+z≦0.95、かつ、a+b+c+x+y+z+w=1である。
本発明の磁気光学材料10は基板上に成膜される。基板としては、石英ガラスまたはコーニング社製♯7059(コーニング社の商品名)などのガラス基板、表面を熱酸化した単結晶SiウエハまたはMgO基板が採用される。
基板の上に、スパッタリング法により実施例1-1~1-5および比較例1-1~1-4のそれぞれの薄膜が作製された。実施例および比較例の数番N-Mは、第N実施形態(N=1~7)の第M実施例または第M比較例を表わしている。基板としては、約0.5mm厚の石英基板もしくはコーニング社製#7059(コーニング社の商品名)ガラス基板が用いられた。表1には、各実施例および各比較例の薄膜の組成を表わす原子比率a、b、c、x、y、zの数値が示されている。スパッタリングに際して用いられる複合ターゲットの組成が調節されることにより、薄膜の組成が調節された。
図4左側には、マトリックス11がITOである実施例1-1~1-5のそれぞれの磁気光学材料10の電気抵抗率が示されている。図4左側における丸付き数字Mは、実施例1-Mに対応している。図4右側には、マトリックス11がITOである比較例1-1~1-4のそれぞれの磁気光学材料10の電気抵抗率が示されている。図4右側における四角付き数字Mは、比較例1-Mに対応している。図4から、実施例ではITOマトリックスの高い電気伝導性に応じた抵抗率が得られており、キャリア密度とキャリアの移動度が高いことから誘電率が零に近くなる波長帯域が近赤外領域に存在していることがわかる。一方、比較例1-1および比較例1-3の磁性金属含有量が多い試料で抵抗率の増加が確認される。結晶性の低下に由来するキャリアの移動度の低下などによるものであると考えられ、近赤外領域でのENZ特性の発現に不適であることを示している。
図5左側には、マトリックス11がITOである実施例1-1~1-5のそれぞれの磁気光学材料10のファラデー回転角θFの波長依存性の測定結果が、一点鎖線、二点鎖線、点線、破線および実線のそれぞれにより示されている。図5右側には、マトリックス11がITOである比較例1-1~1-4のそれぞれの磁気光学材料10のファラデー回転角θFの波長依存性の測定結果が、一点鎖線、二点鎖線、点線および破線のそれぞれにより示されている。図5から、実施例の磁気光学材料10のファラデー回転角θFの最大値が、波長範囲500~1700nmにおいて0.3から2.8[deg/μm]の範囲に含まれており、磁気光学材料として有効に機能していることがわかる。実施例1-1~1-3のそれぞれの磁気光学材料10のファラデー回転角θFが、波長が長くなるにつれて約900nmで符号が正から負に変化していることがわかる。これは、マトリックス中にナノメートルサイズの磁性微粒子が分散したナノグラニュラー構造に起因した磁気光学特性であり、ITOマトリックス中に磁性金属が分散したナノグラニュラー構造が形成され、その構造に由来した磁気光学効果が発現していることを意味している。一方、比較例1-2および1-4はファラデー効果が確認されていないことから、磁性金属の含有量が不足していることを示している。
図6左側には、マトリックス11がITOである実施例1-1~1-5のそれぞれの磁気光学材料10の磁化曲線が、一点鎖線、二点鎖線、点線、破線および実線のそれぞれにより示されている。図6右側には、マトリックス11がITOである比較例1-1~1-4のそれぞれの磁気光学材料10の磁化曲線が、一点鎖線、二点鎖線、点線および破線のそれぞれにより示されている。図6から、磁性金属含有量が大きくなるほど飽和磁束密度Bsが大きくなっていることがわかる。さらに、強磁性主体の磁気特性であり、ナノ磁性粒子由来の磁気特性が得られていることがわかる。一方、比較例1-2および1-4は磁化がほぼ確認されていないことから、磁性金属の含有量が不足していることを示している。
図7には、マトリックス11がITOである実施例1-1および1-4のそれぞれの誘電率の実数成分の波長依存性の測定結果が、一点鎖線および破線のそれぞれにより示されている。複素屈折率mは、複素誘電率ε(ω)および複素透磁率μ(ω)を用いて、関係式(02)により表わされる。ここで、複素透磁率μ(ω)は、周波数帯域が強磁性共鳴周波数に対して十分に高い周波数であるため、1として取り扱うことができる。
図8左側には、マトリックス11がITOである実施例1-1~1-5のそれぞれの磁気光学材料10の透過率の波長依存性の測定結果が、一点鎖線、二点鎖線、点線、破線および実線のそれぞれにより示されている。図8右側には、マトリックス11がITOである比較例1-1~1-4のそれぞれの磁気光学材料10の透過率の波長依存性の測定結果が、一点鎖線、二点鎖線、点線および破線のそれぞれにより示されている。
図9左側には、マトリックス11がITOである実施例1-1~1-5のそれぞれの磁気光学材料10の反射率の波長依存性の測定結果が、一点鎖線、二点鎖線、点線、破線および実線のそれぞれにより示されている。図9右側には、マトリックス11がITOである比較例1-1~1-4のそれぞれの磁気光学材料10の反射率の波長依存性の測定結果が、一点鎖線、二点鎖線、点線および破線のそれぞれにより示されている。
Claims (8)
- 赤外波長域にてENZ特性を示すTCO材料からなるマトリックスと、前記マトリックスに分散している磁性金属粒子と、からなるナノグラニュラー構造を有する磁気光学材料において、
前記マトリックスがIn2O3系化合物であり、前記磁性金属粒子がFe、CoおよびNiから選択される少なくとも1種の金属またはその合金の粒子であり、
SnをM成分として用いて、組成式FeaCobNicInxOyMzで表わされ、0≦a≦0.14、0≦b≦0.13、0≦c≦0.29、0.05≦a+b+c≦0.29、0.21≦x≦0.34、0.44≦y≦0.59、0.01≦z≦0.02、0. 71≦x+y+z≦0.95、かつ、a+b+c+x+y+z=1である磁気光学材料。 - 赤外波長域にてENZ特性を示すTCO材料からなるマトリックスと、前記マトリックスに分散している磁性金属粒子と、からなるナノグラニュラー構造を有する磁気光学材料において、
前記マトリックスがZnO系材料であり、前記磁性金属粒子がFe、CoおよびNiから選択される少なくとも1種の金属またはその合金の粒子であり、
AlおよびGaから選択されるM成分を用いて、組成式FeaCobNicZnxOy Mzで表わされ、組成比a、b、c、x、y、zは原子比率で、0≦a≦0.14、0≦b≦0.13、0≦c≦0.29、0.05≦a+b+c≦0.29、0.21≦x≦0.34、0.44≦y≦0.59、0.01≦z≦0.02、0. 71≦x+y+z≦0.95、かつ、a+b+c+x+y+z=1である磁気光学材料。 - 赤外波長域にてENZ特性を示すTCO材料からなるマトリックスと、前記マトリックスに分散している磁性金属粒子と、からなるナノグラニュラー構造を有する磁気光学材料において、
前記マトリックスがCdO系材料であり、前記磁性金属粒子がFe、CoおよびNiから選択される少なくとも1種の金属またはその合金の粒子であり、
InおよびDyから選択されるM成分を用いて、組成式FeaCobNicCdxOyMzで表わされ、組成比a、b、c、x、y、zは原子比率で、0≦a≦0.14、0≦b≦0.13、0≦c≦0.29、0.05≦a+b+c≦0.29、0.21≦x≦0.34、0.44≦y≦0.59、0.01≦z≦0.02、0. 71≦x+y+z≦0.95、かつ、a+b+c+x+y+z=1である磁気光学材料。 - 赤外波長域にてENZ特性を示すTCO材料からなるマトリックスと、前記マトリックスに分散している磁性金属粒子と、からなるナノグラニュラー構造を有する磁気光学材料において、
前記マトリックスがSnO2系材料であり、前記磁性金属粒子がFe、CoおよびNiから選択される少なくとも1種の金属またはその合金の粒子であり、
FおよびNbから選択されるM成分を用いて、組成式FeaCobNicSnxOyMzで表わされ、組成比a、b、c、x、y、zは原子比率で、0≦a≦0.14、0≦b≦0.13、0≦c≦0.29、0.05≦a+b+c≦0.29、0.21≦x≦0.34、0.44≦y≦0.59、0.01≦z≦0.02、0. 71≦x+y+z≦0.95、かつ、a+b+c+x+y+z=1である磁気光学材料。 - 赤外波長域にてENZ特性を示すTCO材料からなるマトリックスと、前記マトリックスに分散している磁性金属粒子と、からなるナノグラニュラー構造を有する磁気光学材料において、
前記マトリックスがTiO2系材料であり、前記磁性金属粒子がFe、CoおよびNiから選択される少なくとも1種の金属またはその合金の粒子であり、
組成式FeaCobNicTixOyNbzで表わされ、組成比a、b、c、x、y、zは原子比率で、0≦a≦0.14、0≦b≦0.13、0≦c≦0.29、0.05≦a+b+c≦0.29、0.21≦x≦0.34、0.44≦y≦0.59、0.01≦z≦0.02、0. 71≦x+y+z≦0.95、かつ、a+b+c+x+y+z=1である磁気光学材料。 - 赤外波長域にてENZ特性を示すTCO材料からなるマトリックスと、前記マトリックスに分散している磁性金属粒子と、からなるナノグラニュラー構造を有する磁気光学材料において、
前記マトリックスがIn2O3-ZnO系材料であり、前記磁性金属粒子がFe、CoおよびNiから選択される少なくとも1種の金属またはその合金の粒子であり、
組成式FeaCobNicInxGayZnzOwで表わされ、組成比a、b、c、x、y、z、wは原子比率で、0≦a≦0.14、0≦b≦0.13、0≦c≦0.29、0.05≦a+b+c≦0.29、0.21≦x≦0.34、0.44≦y≦0.59、0.01≦z≦0.02、0. 71≦x+y+z≦0.95、かつ、a+b+c+x+y+z+w=1である磁気光学材料。 - 請求項1~6のいずれか1項記載の磁気光学材料の製造方法であって、
基板の温度を300~800[℃]の範囲に含まれる第1温度に制御し、かつ、当該基板の雰囲気圧力を1.0×10-4[Pa]以下に制御する第1工程と、
赤外波長域にてENZ特性を示すTCO材料または当該TCO材料の基礎となる元素および化合物のうち少なくとも一方と、磁性金属との複合ターゲットまたは個別の複数のターゲットを用いて、前記基板の温度を300~800[℃]の範囲に含まれる第2温度に 制御し、かつ、当該基板の雰囲気圧力を0.1~10[Pa]の範囲に制御しながら当該基板の上に前記磁気光学材料を成膜する第2工程と、を含む磁気光学材料の製造方法。 - 請求項7記載の磁気光学材料の製造方法において、
前記第1温度が前記第2温度よりも高温である磁気光学材料の製造方法。
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