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物理システム工学科３年次 物性工学概論 第火曜１限 0023 教室 第 11 回　スピンエレクトロニクスと材料 [1] 　磁性入門

物理システム工学科３年次 物性工学概論 第火曜１限 0023 教室 第 11 回　スピンエレクトロニクスと材料 [1] 　磁性入門. 大学院ナノ未来科学研究拠点 量子機能工学分野 佐藤勝昭. 復習コーナ 第 10 回で学んだこと. 読み出しは、レーザー光を絞ったときに回折限界で決まるスポットサイズで制限されるため、波長が短いほど高密度に記録される。 光ストレージには、読み出し ( 再生 ) 専用のもの、１度だけ書き込み ( 記録 ) できるもの、繰り返し記録・再生できるものの３種類がある。 記録には、さまざまな物理現象が使われている。. α. スポット径　 d.

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物理システム工学科３年次 物性工学概論 第火曜１限 0023 教室 第 11 回　スピンエレクトロニクスと材料 [1] 　磁性入門

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  1. 物理システム工学科３年次物性工学概論第火曜１限0023教室第11回　スピンエレクトロニクスと材料[1]　磁性入門物理システム工学科３年次物性工学概論第火曜１限0023教室第11回　スピンエレクトロニクスと材料[1]　磁性入門 大学院ナノ未来科学研究拠点 量子機能工学分野 佐藤勝昭

  2. 復習コーナ第10回で学んだこと • 読み出しは、レーザー光を絞ったときに回折限界で決まるスポットサイズで制限されるため、波長が短いほど高密度に記録される。 • 光ストレージには、読み出し(再生)専用のもの、１度だけ書き込み(記録)できるもの、繰り返し記録・再生できるものの３種類がある。 • 記録には、さまざまな物理現象が使われている。

  3. α スポット径　d 復習コーナスポットサイズ • レンズの開口数 • NA=nsinα • d=0.6λ/NA 現行CD-ROM: NA=0.6CD-ROM: λ=780nm→d=780nmDVD: λ=650nm→d=650nmBD: NA=0.85λ=405nm→d=285nmHD-DVD: NA=0.6λ=405nm→d=405nm

  4. 復習コーナ光記録に利用する物理現象 • CD-ROM, DVD-ROM: • ピット形成 • CD-R, DVD-R: • 有機色素の化学変化と基板の熱変形 • CD-RW, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW, DVR: • アモルファスと結晶の相変化 • MO, MD, GIGAMO, AS-MO, iD-Photo: • 強磁性・常磁性相転移 • ホログラフィックメモリ：フォトリフラクティブ効果 • ホールバーニングメモリ：不均一吸収帯

  5. 復習コーナ光ディスクの特徴 • リムーバブル • 大容量・高密度 • 現行10Gb/in2：ハードディスク(70Gbit/in2)に及ばない • 超解像、短波長、近接場を利用して100Gbit/in2をめざす • ランダムアクセス • 磁気テープに比し圧倒的に有利；カセットテープ→MD, VTR→DVD • ハードディスクに比べるとシーク時間が長い • 高信頼性 • ハードディスクに比し、ヘッドの浮上量が大きい

  6. 光ディスク MO ハードディスク 鈴木孝雄：第113回日本応用磁気学会研究会資料(2000.1) p.11に加筆 復習コーナ光ディスクの面記録密度の伸び

  7. 復習コーナCD-ROM • ポリカーボネート基板：n=1.55 • λ=780nm → 基板中の波長λ’=503nm • ピットの深さ:110nm ~ ¼波長 • 反射光の位相差π：打ち消し http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/multimedia/cd.html

  8. 復習コーナCD-RW • 光相変化ディスク • 結晶とアモルファスの間の相変化を利用 http://www.cds21solutions.org/main/osj/j/cdrw/rw_phase.html

  9. 復習コーナ光相変化記録 • アモルファス/結晶の相変化を利用 • 書換可能型成膜初期状態のアモルファスを熱処理により結晶状態に初期化しておきレーザ光照射により融点Tm (600℃)以上に加熱後急冷させアモルファスとして記録。消去は結晶化温度Tcr(400℃)以下の加熱緩冷して結晶化。 • Highレベル：Tm以上に加熱→急冷→アモルファス • Lowレベル：Tcr以上に加熱→緩冷→結晶化 DVD-RAM: GeSbTe系 DVD±RW: Ag-InSbTe系

  10. 記録状態：アモルファス状態 初期状態：結晶状態 R:大 R:小 記録 消去 レーザスポット 記録マーク 復習コーナ相変化と反射率

  11. 復習コーナCD-R • 有機色素を用いた光記録 • 光による熱で色素が分解 • 気体の圧力により加熱された基板が変形 • ピットとして働く

  12. DVD-ROM DVD-R DVD-RAM DVD-RW DVD+RW 容量(GB) 4.7 / 9.4 2層8.54 3.95 / 7.9 4.7 / 9.4 4.7/9.4 4.7/9.4 形状 disk disk cartridge disk disk マーク形成 材　料 ピット形成 1層 R=45-85 2層 R=18-30 熱変形型 有機色素 R=45-85% 相変化型 GeSbTe系 R=18-30% 相変化型 AgInSbTe系 R=18-30% 相変化型 AgInSbTe系 R=18-30% レーザ波長 レンズNA 650/635 0.6 650/635 0.6 650 0.6 638/650 0.6 650 0.65 最短マーク長 １層:0.4 2層：0.44 0.4 0.41-0.43 0.4  0.4 トラック幅 0.74 0.8 Wobbled Land pre-bit 0.74Wobbled L/G 0.74 Wobbled Land pre-bit 0.74 HF Wobbled groove 書き換え可能回数 － － 105 103-104 103-104 復習コーナDVDファミリー

  13. 復習コーナMO（光磁気）記録 • 記録：　熱磁気(キュリー温度）記録 • 光を用いてアクセスする磁気記録 • 再生：　磁気光学効果 • 磁化に応じた偏光の回転を電気信号に変換 • MO, MDに利用 • 互換性が高い • 書き替え耐性高い：1000万回以上 • ドライブが複雑(偏光光学系と磁気系が必要） • MSR, MAMMOS, DWDDなど新現象の有効利用可能

  14. 復習コーナ光磁気ディスク • 記録：　熱磁気(キュリー温度）記録 • 再生：　磁気光学効果 • MO: 3.5” 128→230→650→1.3G→2.3G • MD：6cmaudio 70 min→Hi-MD audio13 hr • iD-Photo, Canon-anasonic(5cm)

  15. 復習コーナ光磁気記録 情報の記録(1) • レーザ光をレンズで集め磁性体を加熱 • キュリー温度以上になると磁化を消失 • 冷却時にコイルからの磁界を受けて記録 M Tc 温度 Tc 光スポット 光磁気記録媒体 外部磁界 コイル

  16. 復習コーナ光磁気記録 情報の記録(2) • 補償温度(Tcomp)の利用 • アモルファスTbFeCoは 　一種のフェリ磁性体なので 　補償温度Tcompが存在 • TcompでHc最大: • 記録磁区安定 Hc M Tb FeCo Mtotal 室温 Fe,Co T Tb Tcomp Tc

  17. S N N N S S 復習コーナ光磁気記録 情報の読み出し • 磁化に応じた偏光の回転を検出し電気に変換 D1 + - LD D2 偏光ビーム スプリッタ

  18. 第１１回に学ぶこと • 磁界の定義 • 電流による定義 • 力による定義 • 両者をつなぐもの • 磁界の発生と計測 • 磁気モーメントと磁化 • 磁性に親しもう • 磁性体を特徴づけるもの：磁気ヒステリシス • 磁性体は何に応用されているか • 永久磁石 • 磁石になる元素たち

  19. 磁界の定義(1) • 電流による定義 • 単位長さあたりnターンのソレノイドコイルに電流I[A]を流したときにコイル内部に発生する磁界*の強さH[A/m]はH=niであると定義する。 *応用磁気系用語では磁界、物理系用語では磁場という。いずれも英語ではmagnetic fieldである。

  20. q2 q1 磁界の定義(2) r F -q2 q1 • 力による定義 ・距離r だけ離れた磁極q1[Wb] と磁極q2[Wb]の間に働く力F[N]は、磁気に関するクーロンの法則 F=kq1q2/r2で与えられる。kは定数。磁極q1がつくる磁界H中に置かれた磁極q2 [Wb]に働く力F[N]はF=q2Hで与えられるので、磁界の大きさは H=kq1/r2で表される。 F r

  21. 2つの定義をつなぐ q2 q1 F H • 一方、q1から磁束が放射状に放出しているとして、半径rの球面を考える。 • ガウスの定理により4r2B=q1であるからB=q1/4r2 • 磁束密度B [T=Wb/m2]とHを結びつける換算係数0を導入するとB=0Hとなる。 • するとH=q1/40r2.となり、これよりクーロンの式の係数kはk=1/40となる。 • 従って、クーロンの式は F=q1q2/40r2 +[T]はテスラ、[Wb]はウェーバーと読む。 cgs-Gauss系の単位[G](ガウス)との関係は、1[T]=10000[G] 真空の透磁率0は、410-7[H/m] ここに[H]はヘンリーと読む。

  22. SI単位系とcgs-emu単位系 • 磁界Hの単位：SIではA/m、cgsではOe(エルステッド) • 1[A/m]=410-3[Oe]=0.0126[Oe] • 1[Oe]=(4)-1103[A/m]=79.7[A/m] • 磁束密度Bの単位：SIではT（テスラ）、cgsではG(ガウス) • 1[T]=1[Wb/m2]=10000[G] • B=0H+M; cgsではB=H+4M 0=410-7[H/m]; 真空中でH=1[A/m]の磁束密度は 410-7[T]=1.256[T]cgsで測ったH=1[Oe]=79.7[A/m];B=100 [T]=1[G] • 磁化M:単位体積[m3]あたりの磁気モーメント[Wb・m] M=1[Wb・m-2] →M=(10000/4)[emu]=796[emu]

  23. 磁界の発生:電磁石 空心ソレノイドコイル せいぜい10mT • 空心電磁石ソレノイド • 1cmあたり100ターン1Aの電流を流すと10000A/m、 • 磁束密度は4πx10-7x 104= 12.6mT • 超伝導電磁石10cmに1000ターン、100A流すと106A/m;1.26T • 鉄心電磁石約B=2T程度水冷コイル 超伝導コイル 最大10T 鉄心電磁石

  24. ホール素子 ホール・プローブ 磁界の測定 • ガウスメータホール素子で測定

  25. QUIZ１ • 1cmあたり1,000回巻いた空心のコイルに1Aの電流を流したときの磁界の強さはいくらか (SI単位) 。1000turn/cm=105turn/m • このときの磁束密度はいくらか(SI単位)。B= 0H 　　　（0=410-7[H/m]） • この中に比透磁率r=8,000のパーマロイ合金(Fe80Ni20)を入れたとき、磁束密度はいくらか。B=r 0H

  26. 磁界の大きさ • 地磁気の大きさ：場所によるが　B~50 T (H=B/0~40 A/m) • 空心ソレノイドで作れる磁界：10 mT • 鉄心電磁石で出せる磁界：ほぼ 2 T • 超伝導電磁石で出せる磁界：ほぼ　10 T • ハイブリッドマグネット　30-45 T • パルス超強磁界（非破壊型）　60T • パルス超強磁界（破壊型） 　850 T 東北大金研の 31T ハイブリッド マグネット

  27. 磁極と磁気モーメント • 磁石には、N極とS極がある。 • 磁界中に置かれた磁性体にも磁極が誘起される。磁極は必ず、NSの対で現れる。(単極は見つかっていない) • 磁極の大きさをq [Wb]とすると、磁界によってNSの対に働くトルクは-qdHsin [N・m]=qdsin[Wbm] H[A/m] • 必ずNとSが対で現れるならm=qrを磁性を扱う基本単位と考えることが出来る。これを磁気モーメントという。単位は[Wbm]

  28. +q [Wb] qH rsin  磁気モーメント m=qr [Wbm] r Ｓ　　　　　　　　　　Ｎ -qH -q [Wb] 磁気モーメント • 一様な磁界H中の磁気モーメントに働くトルクTは T=qHr sin=mH sin • 磁気モーメントのもつポテンシャルEは E=Td=  mH sind=mH(1-cos) • ポテンシャルの原点はどこにとってもよいからE=-mH • m//Hのときエネルギーは極小になる。 • mはHに平行になろうとする。 単位：E[J]=-m[Wbm]  H[A/m]; (高梨：初等磁気工学講座)より

  29. 磁界（磁場）H、磁束密度B、磁化M • 磁界H中に置かれた磁化Mの磁性体が磁束密度は、真空中の磁束密度に磁化による磁束密度を加えたものである。すなわち、B=0H+M M B=0H B=0H+M 磁性体があると磁束密度が 高くなる。 真空中での磁束密度

  30. 磁化 • 磁性体に磁界を加えたとき、その表面には磁極が生じる。 • この磁性体は一時的に磁石のようになるが、そのとき磁性体が磁化されたという。 (a) (b) (高梨：初等磁気工学講座)より

  31. 磁化の定義 • ミクロの磁気モーメントの単位体積あたりの総和を磁化という。 • K番目の原子の１原子あたりの磁気モーメントをkとするとき、磁化Mは式M= kで定義される。 • 磁気モーメントの単位はWbmであるから磁化の単位はWb/m2となる。 (高梨：初等磁気工学講座)より

  32. 磁化曲線 • 磁性体を磁界中に置き、磁界を増加していくと、磁性体の磁化は増加していき、次第に飽和する。 • 磁化曲線は磁力計を使って測定する。 VSM:試料振動型磁力計 試料を0.1～0.2mm程度のわずかな振幅で80Hz程度の低周波で振動させ、試料の磁化による磁束の時間変化を、電磁石の磁極付近に置かれたサーチコイルに誘起された誘導起電力として検出する。誘導起電力は試料の磁化に比例するので、磁化を測定することができる。 スピーカーと同じ振動機構 磁極付近に置いたサーチコイル 電磁石

  33. VSMブロック図 丸善実験物理学講座「磁気測定I」 p.68より

  34. Y2BiFe4GaO12の磁気ヒステリシス

  35. 磁性体を特徴づけるもの磁気ヒステリシス 縦軸：磁化 • 強磁性体においては、その磁化は印加磁界に比例せず、ヒステリシスを示す。 • O→B→C:初磁化曲線 • C→D: 残留磁化 • D→E: 保磁力 • C→D→E→F→G→C:ヒステリシスループ 横軸：磁界 (高梨：初等磁気工学講座テキスト)

  36. 磁気ヒステリシスと応用 • 保磁力のちがいで用途が違う • Hc小：軟質磁性体 • 磁気ヘッド、変圧器鉄心、磁気シールド • Hc中：半硬質磁性体 • 磁気記録媒体 • Hc大：硬質磁性体 • 永久磁石 このループの面積が磁石に蓄積される磁気エネルギー 高周波の場合はヒステリシス損失となる。

  37. キュリー温度とネール温度 • 原子磁気モーメントが整列している状態には、強磁性と反強磁性がある • 温度が高くなると整列させる力に熱的にランダムにしようとする力が勝って常磁性になる • 強磁性常磁性の転移温度をキュリー温度反強磁性常磁性の転移温度をネール温度という。

  38. 自発磁化の温度変化 • さまざまなJについて、分子場理論で交点のM/M0をTに対してプロットすると磁化の温度変化を求めることができる。 ×は鉄、●はニッケル、○はコバルトの実測値、実線はJとしてスピンS=1/2,1,∞をとったときの計算値

  39. 永久磁石のいろいろ ハードディスク 磁性体はどこに使われている？ • 磁気記録、光磁気記録→IT • 光アイソレータ→光ファイバ通信 • 永久磁石→モータ、アクチュエータ • 変圧器、インダクター用磁心

  40. 磁石(永久磁石)は何で出来ている？ • 鉄？ • いいえ。鉄だけの磁石はありません • アルニコ磁石（AlNiCoFe) • フェライト磁石(BaFe12O19 or SrFe12O19) • サマコバ磁石SmCo5 • ネオジム磁石Nd2Fe14B 1930年代に開発 1936年加藤与五郎、武井武博士（東工大）が発明 1960年代に開発 １９８２年佐川眞人さん（当時住友特殊金属勤務）が発明

  41. フェライト磁石 ネオジム磁石 サマコバ磁石 アルニコ磁石 ラバー磁石 キャップ磁石 磁石応用製品 磁石のいろいろ www.26magnet.co.jp/ webshop/top_menu.htmlより SmCo5 BaFe2O4 NdFe2B14 FeAlNiCo

  42. BHmax 永久磁石の最大エネルギー積(BH)max の変遷(http://www.aacg.bham.ac.uk/magnetic_materials/history.htm)

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