JPH06124831A - 薄膜材料及びその熱処理方法 - Google Patents

薄膜材料及びその熱処理方法

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JPH06124831A
JPH06124831A JP29776392A JP29776392A JPH06124831A JP H06124831 A JPH06124831 A JP H06124831A JP 29776392 A JP29776392 A JP 29776392A JP 29776392 A JP29776392 A JP 29776392A JP H06124831 A JPH06124831 A JP H06124831A
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magnetization
temperature
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JP29776392A
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Kenji Katori
健二 香取
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/08Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/12Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys
    • H01F10/14Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys containing iron or nickel
    • H01F10/147Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys containing iron or nickel with lattice under strain, e.g. expanded by interstitial nitrogen

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  • Power Engineering (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来にない磁化の温度変化を示す薄膜材料を
提供し、さらには高飽和磁束密度を有する磁性薄膜や熱
履歴を検知する温度センサを提供する。 【構成】 Feを主成分としNを2〜12原子%含むと
ともにPt、Co、Ni、Cr、Pdのうちの少なくと
も1種を0〜20原子%含む薄膜材料が開示される。こ
の薄膜材料は、高温fcc相から急冷することで室温で
非磁性fcc構造を示す部分を有し、マルテンサイト点
以下に急冷あるいは強磁性fcc相出現温度まで加熱す
ることにより、非可逆的に磁化が増大する。したがっ
て、前記薄膜材料を温度センサとし、その磁化を測定す
ることで熱履歴が検出される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化鉄系の薄膜材料に
関するものであり、特に自発磁化の特殊な温度依存性を
有する薄膜材料及びその熱処理方法に関するものであ
る。さらには前記薄膜材料の磁化を増大して得られる磁
性薄膜及び前記薄膜材料を利用した温度センサに関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、強磁性体は、キュリー点(T
c)を有し、この温度以上では自発磁化を失い、磁化が
急激に小さくなる。この変態は可逆的であり、温度をキ
ュリー点以下とすることにより、再び強磁性体となる。
【0003】一方、CoNbZr等、Co系のアモルフ
ァス材料の場合には、加熱により結晶化させ、これを室
温に戻した場合には、自発磁化はアモルファスに比べて
小さくなる。この変態は可逆的である。
【0004】また、近年、FeTaC等の薄膜材料で、
スパッタ成膜後は非磁性アモルファスとなり、これを加
熱することで結晶化させ、磁化を増大させることが報告
されている。(第13回日本応用磁気学会講演概要集
第485頁)これらアモルファス→結晶の変態では、キ
ュリー温度が変化することにより、磁化の大きさの相違
が生ずる。
【0005】さらに、Gd−Feアモルファス材料のよ
うに、反強磁性的に磁化が配列した場合には、それぞれ
の磁化の温度特性の相違から補償点を有し、この温度で
磁化は最小を示し、補償点以上の温度でも以下の温度で
も磁化が増加するものも知られているが、この場合は可
逆的な変化である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】非可逆的な磁化の変化
はメモリやセンサ等に応用することができるものと期待
されるが、これまで加熱による磁化の増大あるいは減少
が知られるのみで、加熱と冷却共に変化が見られる薄膜
材料は報告されていない。
【0007】そこで本発明は、かかる実情に鑑みて提案
されたものであって、常温から温度が上昇した場合で
も、また冷却された場合でも、自発磁化に非可逆的な変
化が表れる薄膜材料を提供することを目的とする。
【0008】また、本発明は、前記薄膜材料の磁化を増
大し得る熱処理方法を提供し、これにより高飽和磁束密
度を有する磁性薄膜を提供することを目的とする。さら
に本発明は、自発磁化の非可逆的な変化を利用して温度
履歴を的確に把握し得るセンサを提供することを目的と
する。
【0009】
【課題を解決するための手段】鉄(Fe)には、γ−α
変態と呼ばれる相変態がある。すなわち、鉄は常温では
体心立方(bcc)構造を有するα相であるが、909
°以上の高温では面心立方(fcc)構造を有するγ相
に変態し、且つこの変態は可逆的に行われる。そして、
α相では大きな磁化を持つが、γ相では磁化を持たなく
なる。
【0010】本発明者等が種々検討したところ、純鉄で
は高温から急冷しても高温相であるγ相を常温まで保持
することはできないが、窒素(N)等を導入すると、高
温からの急冷によりほとんどγ相単相の状態を常温でも
安定に保持することができることが明らかになった。
【0011】本発明は、かかる知見に基づいて完成され
たものであって、Feを主成分としNを2〜12原子%
含むとともにPt、Co、Ni、Cr、Pdのうちの少
なくとも1種を0〜20原子%含み、高温面心立方相
(高温fcc相)から急冷することにより室温で非磁性
面心立方構造(非磁性fcc構造)を示す部分を有する
ことを特徴とするものである。
【0012】本発明の薄膜材料において、高温から急冷
して得られたγFe−N相は、X線回折により容易に分
析可能で、常温でほとんど非磁性を示す。このγFe−
N相を再び300〜400℃に加熱した場合、強磁性相
であるα相とγ´相(fccFe4 N)に分解する。ま
た、−30℃以下に冷却した場合にも、強磁性相である
α´相が生成することが明らかとなった。
【0013】そこで本発明の熱処理方法は、上記薄膜材
料をマルテンサイト点(Ms点)以下に急冷あるいは強
磁性fcc相出現温度まで加熱して磁化を増大させるこ
とを特徴とするものであり、また本発明の磁性薄膜は、
上記薄膜材料をMs点以下に急冷あるいは強磁性fcc
相出現温度まで加熱して磁化を増大させてなるものであ
る。
【0014】加熱した際にγ相が分解する温度及び冷却
した際にα´相が生成する温度は、Pt、Co、Ni、
Cr、Pd等の元素の添加により調整可能である。ま
た、急冷した際にγ相が分解しα´相が生成する割合
も、前記添加元素の導入により調整することができる。
なお、急冷した際に、γ相の割合が多いほど磁化の変化
の割合も大きいため、γ相は30%以上となることが望
ましい。
【0015】
【作用】Fe−N系薄膜を高温γ相の状態から急冷した
γFe−N膜は、常温では安定な非磁性体であり、これ
を加熱あるいは冷却することにより強磁性体が生成し、
薄膜の磁化は大幅に増加する。この変化は非可逆的であ
り、加熱あるいは冷却により生成された強磁性体は常温
でも安定な強磁性体となる。
【0016】このような磁化の温度変化は、従来の薄膜
材料には全く見られなかったものであり、例えば温度セ
ンサとしてこの材料を用いた場合には、薄膜の磁化を測
定することにより、ある温度範囲から外れたか否かを判
別することができる。また、X線解析等で生成相を判別
することにより、それが高温に外れたのか、低温に外れ
たのかを判別することが可能である。
【0017】
【実施例】以下、本発明を適用した実施例について、実
験結果に基づき図面を参照しながら説明する。
【0018】実施例1 Feターゲットを用い、Arガス中にN2 ガスを導入
し、N2 ガス分圧を変化させながら反応性スパッタを行
い、図1に示すような窒素濃度を有する膜厚3μmの薄
膜を成膜した。さらに、この薄膜上に酸化防止のために
SiO2 保護膜を成膜した。
【0019】これら薄膜を図1に示す急冷温度からそれ
ぞれ急冷し、しかる後薄膜の磁化を測定した。その結
果、図1に示すように、窒素を含む広い範囲にわたって
磁化が大幅に低下していることがわかった。
【0020】また、これら試料をX線回折により分析し
たところ、図2に示す相図が得られた。この図2より、
γFe−N相が常温で保持され、このため試料の磁化が
小さくなっていることがわかる。なお、この図2から、
N量は2〜12原子%とすることが望ましい。
【0021】このように急冷により磁化が小さくなった
薄膜は、加熱あるいは冷却により非可逆的に磁化を大き
くすることができる。図3に、加熱により磁化が増大す
る様子を示す。図中A点より加熱しながら磁化を測定す
ると、300℃程度の加熱により磁化が大きくなってい
ることがわかる。この後、温度を下げた場合でも、磁化
は小さくならない。X線回折により調べたところ、加熱
後の薄膜にはもはやγ相は存在せず、α相とγ´相の混
合相であることが確認された。
【0022】図4には、急冷により磁化が低下した試料
を冷却した場合の磁化−温度特性を示した。A点から試
料を冷却すると、マイナス数十℃で磁化が上昇をはじ
め、一旦冷却した後には常温に戻してももはや磁化は減
少しない。以上のように、Nを2〜12原子%含んだ薄
膜を急冷して得られた試料は、加熱及び冷却のいずれに
よっても非可逆的に磁化を増大させるという、従来の薄
膜材料にはない機能を有することがわかった。
【0023】実施例2 ターゲットとしてFeターゲットの上にPtチップを載
せたものを用い、先の実施例1と同様の条件で薄膜材料
を作製した。得られた薄膜材料中のPt含有量は10原
子%であった。
【0024】これら試料を急冷した後の磁化を図5に示
す。図1に示すFe−N膜に比べてより低い急冷温度で
十分に低い磁化となっている。この結果からも明らかな
ように、第3元素(ここではPt)の添加により、必要
とされる急冷温度が調整できる。
【0025】また、図6に、Nを7原子%含んだFe−
N−Pt膜において、急冷後飽和磁束密度Bsが2kG
以下となるために必要な急冷温度とPt量の関係を示
す。この図6を見ると、Pt含有量の増加に伴って、必
要な急冷温度が低下している。
【0026】図7には、急冷した試料を400℃に加熱
しγ相を分解させた後の試料の飽和磁束密度BsとPt
含有量を示した。Pt含有量が20原子%を越えた場
合、急冷に必要な温度は低下するものの、その後加熱し
たときに磁化の変化が小さくなってしまうため、Pt含
有量は20原子%以下に抑えることが望ましい。このよ
うに急冷に必要な温度が低下する理由は、PtがFeの
fcc構造を安定化するように働くためと推定される。
【0027】Feのfcc構造を安定化させるNi、C
r、Pd、Coを添加した場合にも同様の傾向が観察さ
れた。表1に各種元素を導入した場合の薄膜の組成、急
冷後飽和磁束密度Bsが2kG以下となるために必要な
急冷温度TQ 、急冷後飽和磁束密度Bsが2kG以下と
なった試料を400℃に加熱した後常温に戻した際の飽
和磁束密度Bs、急冷後飽和磁束密度Bsが2kG以下
となった試料を−196℃に冷却した後常温に戻した際
の飽和磁束密度Bsを示す。
【0028】
【表1】
【0029】この表1より、添加元素の導入により、必
要な急冷温度、γ→α+γ´分解後の飽和磁束密度B
s、γ→α´分解の割合を調整できることがわかる。
【0030】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の薄膜材料においては、高温γ相の状態から急冷する
ことにより常温で安定なγ相を得ることができる。この
γ相は加熱及び冷却によって磁化を非可逆的に増大させ
るという従来にない機能を有しており、温度センサ、情
報メモリ等への応用が可能である。
【0031】また、上記γ相を加熱あるいは冷却して磁
化を増大させた磁性薄膜は、極めて高い飽和磁束密度B
sを有し、磁性材料として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】Fe−N薄膜材料の急冷温度と窒素含有量及び
急冷後の常温での磁化を示す特性図である。
【図2】Fe−N薄膜材料の窒素含有量と急冷後の相状
態を示す特性図である。
【図3】急冷により磁化が低下した試料を加熱し常温に
戻したときの磁化の変化を示す特性図である。
【図4】急冷により磁化が低下した試料を冷却し常温に
戻したときの磁化の変化を示す特性図である。
【図5】Ptを10原子%含有するFe−N−Pt薄膜
の急冷温度と窒素含有量及び急冷後の常温での磁化を示
す特性図である。
【図6】窒素を7原子%含んだFe−N−Pt薄膜にお
いて急冷後の飽和磁束密度Bsを5kG以下とするため
に必要な急冷温度とPt含有量の関係を示す特性図であ
る。
【図7】窒素を7原子%含んだFe−N−Pt薄膜を急
冷した後400℃に加熱しγ相を分解したときの磁化と
Pt含有量を示す特性図である。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Feを主成分としNを2〜12原子%含む
    とともにPt、Co、Ni、Cr、Pdのうちの少なく
    とも1種を0〜20原子%含み、 高温面心立方相から急冷することにより室温で非磁性面
    心立方構造を示す部分を有することを特徴とする薄膜材
    料。
  2. 【請求項2】請求項1記載の薄膜材料をマルテンサイト
    点以下に急冷あるいは強磁性面心立方相出現温度まで加
    熱して磁化を増大させることを特徴とする薄膜材料の熱
    処理方法。
  3. 【請求項3】請求項1記載の薄膜材料をマルテンサイト
    点以下に急冷し磁化を増大させたことを特徴とする磁性
    薄膜。
  4. 【請求項4】請求項1記載の薄膜材料を強磁性面心立方
    相出現温度まで加熱して磁化を増大させたことを特徴と
    する磁性薄膜。
  5. 【請求項5】請求項1記載の薄膜材料を用い、該薄膜材
    料の磁化の非可逆的変化により温度変化を検出すること
    を特徴とする温度センサ。
JP29776392A 1992-10-09 1992-10-09 薄膜材料及びその熱処理方法 Withdrawn JPH06124831A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009249682A (ja) * 2008-04-04 2009-10-29 Nec Tokin Corp 硬磁性合金およびその製造方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009249682A (ja) * 2008-04-04 2009-10-29 Nec Tokin Corp 硬磁性合金およびその製造方法

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