JPS61151828A - 薄膜磁性体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、薄膜磁性体に関し、より詳しくは、異方性の
大きさを制御でき、強力な永久磁石の特性を有し、所定
温度にすると急激に永久磁石の特性が発現もしくは消失
する特性をも有する薄膜磁性体に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

薄膜磁性体は、磁気記録材料、光磁気記録材料。

薄膜永久磁石として、今日その需要は増大している。

薄膜磁性体の材料としては、例えば、磁気テープ・磁気
ディスクに使用されるものであって、Ｔ−Ｆｅ、ｏ　３
１　Ｃｏ添加ｒ−Ｆｅ、０３　、ＣｒＯ２。

Ｆｅ粉末等の微結晶粉末を樹脂で結着せしめたもの、Ｃ
ｏ合金を蒸着したちの；垂直磁化記録材料に使用される
ものであって、Ｂａフェライト微結晶を樹脂で結着せし
めたもの、ＣｏＣｒをスバ。

りしたちの；光磁気記録材料に使用されるものであって
、ＭｎＢ１を蒸着したもの、ＧｄＣｏをスパツクしたち
の；等多くの材料が知られているが、更に一層優れた特
性を有する材料を求めて新しい材料の開発研究が行われ
ている。

このような材料開発において、最近、人工格子膜による
新しい材料開発が注目を浴びている。この人工格子膜技
術を応用した材料開発の研究は、２種以上の物質を交互
に超薄膜状に積層させることにより、通常の方法例えば
単に２種以上の物質を混合する方法では得られない新規
な元素の組合わせ、化合物の組合わせ、構造等を有する
物質を合成しようとするものである。この研究において
は従来にない新しい物性が得られるとの期待がもたれて
いる。

例えば、半導体材料の分野ではＧａＡｓ−Ｇａ１−ｘＡ
ｌｘＡｓのような人工格子膜が開発され従来にない新し
い特性を得ていて注目されている。

この技術は、超薄膜状の層を多数積層して成る人工格子
膜において、各層間の界面を通じて発生する２種物質間
の相互作用に起因して新たな特性が得られるものである
。したがって、薄膜磁性体の分野でもこの技術を通用す
れば新たな特性を有する薄膜磁性体の開発が可能である
との期待が持たれている。

〔発明の目的〕

本発明は、人工格子膜の方法を通用して新規な特性を有
する薄膜磁性体の提供を目的とする。

〔発明の概要〕

本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ね
た結果、薄膜磁性体を強磁性体と反強磁性体と非磁性体
とから構成し、これらを後述する如き構造になるように
組合わせれば、強磁性体と反強磁性体との界面で起こる
交換相互作用に基づく異方性の大きさを制御することが
可能となり、このことにより薄膜磁性体が強い永久磁石
の特性を有し、さらにはこの永久磁石特性が所定温度で
急激に発現もしくは消失する特性をも有することを見出
し本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明の薄膜磁性体は、強磁性体層及び反強
磁性体層の積層体である磁性体層と非磁性体層とが交互
に複数層積層された構造であることを特徴とする。

まず、本発明の薄膜磁性体の磁性体層の夫々は、強磁性
体層と反強磁性体層の２層からなりこれらが積層されて
いる。このとき、強磁性体層２反強磁性体層の積層順序
は制限されることはない。

そして、夫々の層の厚みは５〜１０００人、好ましくは
１０〜１００人である。この範囲を外れて５人未満の場
合は積層膜形成が不可能となり、１０００人を超えると
積層の効果が顕著でなくなり好ましくない。

強磁性体層を構成する物質としてシよ、フェロ磁性体及
びフェリ磁性体があげられる。フェロ磁性体としては、
例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の単体金属；ＭｎＢ１．Ｍｎ
Ｂ、ＭｎＳｂ、ＣｒＴｅ等の合金、ＥｕＯ，Ｃｒ０ａ等
の酸化物；Ｇｄ等の希土類などがあげられる。

フェリ磁性体としては、ＭｎＯ・Ｆｅａｓ３゜Ｆｅ０−
Ｆｅ２Ｏ３、Ｃｏ０−Ｆｅ２Ｏ３、”ＮｉＯ・Ｆｅ２Ｏ
３等のスピネル型酸化物（フェライト）　；Ｃｕｂ−Ｃ
ｒａ　５３　、　Ｃｕ５ｅ−Ｃｒ２Ｓｅ３等のスピネル
型カルコゲン化合物などがあげられるＱ反強磁性体層を
構成する物質としては、例えば、Ｖ２０＋　、Ｃｒ２ｏ
３　、ＣｒＳｂ、ＭｎＴｅ＋ＦｅＳ、Ｃｏｏ、Ｎｉｐ、
ＭｎＯ，Ｃｕｂ、Ｍｎ。

Ｃｒなどがあげられる。

上記の強磁性体と反強磁性体とを上記膜厚で超薄膜状に
積層した場合、その界面では、青磁性体中の陰イオン例
えば酸素イオンを媒介として交換相互作用が生じる。

その結果、界面に位置する青磁性イオンの磁気モーメン
トは強磁性的相互作用もしくは反強磁性的相互作用を受
けて青磁気モーメントは平行もしくは反平行に配向する
。

第２ａ図において、１は強磁性体の層、２は反強磁性体
の層である。両者の界面Ａに位置する強磁性体１の磁性
イオン３と反強磁性体２の磁性イオン４とは酸素イオン
５を介して交換相互作用を受ける。この場合、強磁性体
１と反強磁性体２とは界面において反強磁性的相互作用
を起こす物質の組合わせのため、磁性イオン３と４の磁
気モーメントは反平行となる。

それに対して、第２ｂ図に示す場合は、強磁性体６と反
強磁性体７とが界面において強磁性的相互作用を起こす
物質の組合わせのため、そこにおいては陰イオン１０を
介して磁性イオン８と９の磁気モーメントが平行となる
。

このように界面で起こる交換相互作用が強磁性的相互作
用になるか反強磁性的相互作用になるかは、青磁性体の
物質の組合わせ詳しくは両磁性体の磁性イオンの組合わ
せにより決定される。

強磁性的相互作用を起こす両磁性イオンの組合わせとし
ては、例えば、Ｃ＋４＋とＣｒ”、Ｅｕ２”とＥ　ｕ２
＋、　Ｍ　ｎ３＋とＭ　ｎ”、　　Ｆ　ｅ　”ｈ　Ｆ　
ｅ４＋などがあげられる。

反強磁性的相互作用を起こす両磁性イオンの組合わせと
しては、例えば、Ｆｅ　　（！：Ｆｅ　　、Ｆｅ”３＋
　　　　　３＋ とＣｏ、Ｆｅ　　とＣｒ、Ｆｅ３＋とＭ　ｎ　”　＋２
＋　　　　　　　　３千　　　　　　　３＋Ｆｅ３＋と
Ｃｕ２＋２Ｍｎ２＋とＭｎ２”、　Ｃｏ２＋とＣＯ２＋
Ｎｉ２＋とＮ　ｌ　２＋　、　　（ｒ　３＋とＣ＋３＋
　、　　ｙ　３＋　（！：　ｙ　３＋などがあげられる
。

界面において上記の如き交換相互作用が生じた場合、そ
の影響を受けるのは界面に位置する磁性イオンと隣接す
る磁性イオン程度であり、界面から遠い位置に配列して
いる磁性イオンは影響を受けない。したがって、本発明
では各層を超ＷＩ＃膜状に形成して、磁性体中の多くの
磁気モーメントが交換相互作用の影響を受けるように構
成する。

第２ａ図は各層における磁性イオンが２列からなる場合
である。したがって、この場合、磁性体中の磁性イオン
は交換相互作用の影響をうける。

例えば、強磁性体１では全ての磁性イオンの磁気モーメ
ントが磁性イオン３と同方向に配向する。

このため、第２ａ図中右方向の磁気モーメントが大きく
なり、異方性が大きくなる。

しかしながら、このように強磁性体と反強磁性体とを単
に１層ずつ積層しただけでは大きな異方性が得られない
。交換異方性の減少そのものは、表面に反強磁性体の酸
化コバルトが生じたコバルト粒子やヘマタイトが析出し
たマグネタイトにおいてすでに見出されているが、従来
例では大きな異方性が得られていなかった。それは前述
した如く界面から遠い位置にまで交換相互作用が及ばな
いことと、界面の数が少なく交換相互作用を起こす磁性
イオンの割合が少ないことに起因すると推測される。

したがって、この問題を解消するためには、各層を超薄
膜状に形成し、界面の数を多くすればよい。

しかしながら、層の厚さを薄くして単に強磁性体と反強
磁性体とを多数積層させただけでは次のような問題が生
じる。

第３ａ図及び第３ｂ図に示すのは、界面において強磁性
的相互作用を起こす強磁性体と反強磁性体の組合わせか
らなる多層構造の薄膜磁性体の一部であるが、第３ａ図
に示す如く、反強磁性体１２の原子層が奇数層の場合、
右方向の磁気モーメントの割合いが多くなり大きな異方
性が得られる。

しかしながら、第３ｂ図に示す如く、反強磁性体層 交換相互作用により強磁性体１４の磁気モーメントは右
方向に配向し、強磁性体１６の磁気モーメントは左方向
に配向し全体として自発磁化が０となる。

超薄膜の原子層を奇数層もしくは偶数層に制御すること
は極めて困難なことである。したがって反強磁性体の原
子層が奇数層になる場合は大きな異方性が得られない。

本発明の薄膜磁性体は、上記した超薄膜状の強磁性体層
及び反強磁性体層の２ｒｆＭからなる磁性体層と非磁性
体層とが交互に積層された多層構造をなす。

すなわち、第１図に示す如く、例えば強磁性体１７と反
強磁性体１８とを積層して磁性体層１９とし、この磁性
体層１９．２２を非磁性体層２０゜２０．２０と交互に
多数積層して多層構造とする。

非磁性体層の物質としては、強磁性体と反強磁性体との
間に介在されて磁気を遮蔽する効果を発揮し、かつ、超
薄膜状に積層可能なものならばどのようなものでもよい
０例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化
ベリリウム、酸化亜鉛、二酸化チタン、チタン酸ストロ
ンチウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、硫化
亜鉛。

二酸化珪素などが適用できる。

このような構造の薄膜磁性体全体の厚みは１００λ〜１
ＯＩＩＩＩ＋がよく、好ましくは１０００人〜１μ層で
ある。この範囲を外れて１００人未満の場合は、積層数
が減少して好ましい多層構造にはならず、ｌＯμＩを超
えると良好な積層膜が得られないため好ましくない。

薄膜磁性体をこのような構造とすることにより、第１図
に示す如く、例えば、強磁性体１７と反強磁性体１８と
からなる磁性体層１９は非磁性体２０゜２０により池の
磁性体層例えば磁性体層２２より磁気的に隔離される。

したがって、たとえ、反強磁性体１８．２１の原子層が
偶数層であっても、１つの反強磁性体が交換相互作用に
より強磁性体に影響を及ぼすのは１層のみとなり、全体
の自発磁化が極端に低下するようなことはない。

第１図に示すのは、強磁性体１７．２０と反強磁性体１
８．２１との組合わせが反強磁性的相互作用を起こす場
合であるが、この場合、反強磁性体１８．２１の原子層
１８ａ、２１ａの磁気モーメントが左方向に配向する外
は他の磁気モーメントは右方向に配向するため大きな異
方性が得られることになる。

したがって、各層の厚さを制御することにより界面の数
を制御することができ異方性の大きさを制御することが
可能となる。

そして、このような異方性の大きなｓａｙ磁性体は、第
４図のヒステリシス曲線２３に示す如く、外部磁界を与
えて一旦特定方向に磁化を生じさせると、反対方向の磁
界を与えて磁化を反転させようとしても、一部の磁性イ
オン例えば第１図に示す原子層１８ａ、２１ａが磁界方
向と反対方向に周期的に配向しているため、該磁性イオ
ンの影響を受けても容易に反転しない。すなわち異方性
が大きくなる０例えば１００００ガウス以上の磁界を与
えても容易に磁化は反転せず、極めて大きな保磁力を示
す。このような保磁力の大きな薄膜磁性体は、極めて強
力な永久磁石として有用である。

このような強い永久磁石となりうるｉｕ磁性体において
、反強磁性体物質と強磁性体物質の組合わせを後述の如
く規定すれば、上記のような強い永久磁石特性を所定温
度で急激に発現もしくは消失させることが可能となる。

すなわち、強磁性体物質のキュリ一温度より低いネール
温度を有する反強磁性体物質を該強磁性体物質と組合わ
せればよい。

このような組合わせからなる薄膜磁性体では、ネール温
度以上になると反強磁性体が常磁性的になるため、前述
した相互作用が消失し、薄膜磁性体は今まで保持してい
た大きな異方性が急激に喪失する。

したがって、第５図の曲線２４に示す如く、大きな磁化
を得ている＊ｍ磁性体に弱いバイアス磁界をかけておく
と、ネール温度ＴＨに達したとき大きな異方性が消失す
るため磁化が急激に小さくなる。このネール温度ＴＮは
キュリ一点と違゛って高温ではなく常温領域にある。

また、第６図の曲線２５に示す如く、大きな異方性を有
するが、しかし磁化が小さい薄膜磁性体にバイアス磁界
をかけておくと、ネール温度ＴＮに達したとき異方性が
急激に小さくなるため、磁気モーメントはバイアス磁界
方向に配向し急激に磁化が大きくなる。しかしながら、
このような薄膜磁性体ではさらに温度が上昇しキュリ一
温度に近づ（につれ磁化が再び小さくなっていく、ネー
ル温度ＴＮは例えば１００℃ぐらいに設定可能で、キュ
リ一温度は例えば６００℃ぐらいに設定できるため、所
定の温度領域のみで永久磁石を必要とする場合には上述
の機能は有用である。

上記の如きネール温度がキュリ一温度より低い場合の反
強磁性体と強磁性体の組合わせの一例を表に示した。

本発明薄膜磁性体の製造は、上記強磁性物質。

反強磁性体物質、非磁性体物質を基板上に蒸着法。

スパッタ法、陽極酸化法等により所定雰囲気下で所定厚
さに繰返し積層する。このとき、基板温度が低いと膜が
均一に形成されずダレインを含む膜が形成され、また膜
が超常磁性的挙動を示すようになるので好ましくない。

したがって、基板温度は膜が均一に形成されるような温
度に設定するとよい。

以上、詳述した本発明の薄膜磁性体の磁化方式は、特に
限定されるものではないが、好ましくは垂直磁化方式で
ある。

〔発明の実施例〕

実施例 強磁性体としてマグネタイト（Ｆ　ｅｏ−Ｆ　ｅ２０３
）　。

反強磁性体として酸化コバルト、非磁性体としてＭ化ア
ルミニウムを用意した。

石英基板上に蒸着法によりマグネタイト酸化コバルト、
酸化アルミニウムをこの順序で膜厚が夫々３０人、３０
人、２０人となるように繰り返し蒸着して膜厚ｌｌ１ｍ
の薄膜磁性体を得た。

このときの蒸着条件は約１０’ｍｍＨｇの酸素雰囲気下
で鉄及びコバルト及びアルミニウムを蒸着源とし、基板
温度は６００℃に設定した。

得られた薄膜磁性体をＩＯＫガウスの磁場中で３５０Ｋ
から液体窒素温度１９６Ｋに冷却して、磁化を測定した
ところ自発磁化が約１５０ガウスであった。そして、磁
場を反転させても磁化の減少はほとんど観測されず強い
永久磁石が得られた。

比較例１ 強磁性体としてマグネタイト反強磁性体として酸化コバ
ルトを用意し、非磁性体は用意しなかった。

ガラス基板上に蒸着法によりマグネタイト、酸化コバル
トを膜厚がそれぞれ３０λとなるように交互に積層して
膜厚１μ鴎の薄膜磁性体を得た。

このときの蒸着条件は、約１０−４ｍｍＨｇの酸素雰囲
気下で鉄及びコバルトを蒸着源とし、基板温度は２００
℃に設定した。

得られた薄膜磁性体の磁化を実施例１と同様の方法によ
り測定したところ自発磁化が約５０ガウスであり、また
、磁場の反転による磁化の減少も観測されなかった。

比較例２ 基板温度を２００℃に設定した他は実施例と同様の物質
及び同様の製法によりｗＷ！磁性体を製造した。

得られた薄膜磁性体の磁化を実施例と同様の方法により
測定したところ、膜の不均一性に起′因する超常磁性的
な振舞いを示し、自発磁化の値は１０ガウス以下であっ
た。

〔発明の効果〕

以上、詳述した如く、本発明の薄膜磁性体は、異方性の
大きさが制御できるため大きな異方性を得ることができ
強い永久磁石にすることが可能であり、所定温度で急激
に永久磁石特性を発現もしくは消失させることができる
ため、その工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を説明する説明図、第２ａ図
及び第２ｂ図は交換相互作用を説明する図、第３ａ図及
び第３ｂ図は強磁性体層と反強磁性体層を多数積層した
ときの現象を説明する図、第４図は本発明薄膜磁性体の
大きな異方性を説明するグラフ図、第５図及び第６図は
本発明薄膜磁性体におけるネール温度と磁化の関係を説
明するグラフ図である。 １．６，１１．１３，１４．１６．１７，２０：強磁性
体 ２．７．１２．１５，１８．２１ｊ反強磁性体２０：非
磁性体 ３．４，８．９：磁性イオン ５．１０：酸素イオン 第１図 第２ｑ図　　　　　　第２ｂ図 第３ａ図　　　　　　　第３ｂ図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、強磁性体層及び反強磁性体層の積層体である磁性体
   層と非磁性体層とが交互に複数層積層された構造である
   ことを特徴とする薄膜磁性体。 ２、該強磁性体層、該反強磁性体層、該非磁性体層の厚
   さがそれぞれ５〜１０００Åであり、かつ該薄膜磁性体
   の全体の厚さが０．１〜１０μｍである特許請求の範囲
   第１項記載の薄膜磁性体。