1.
実験の目的：
科学はシンセシス(ものづくり)とアナリシス(解析)の両輪があってはじめて発展する。この実験では、磁性体を対象として、この両方を学ぶことを目的としている。１つは、「ものづくり」としての「磁性体薄膜(はくまく)の作製」で、実験手法として、「化学」的な手法を用いる。こうして作製した磁性体の磁気および磁気光学特性を測定し解析し、「磁気物性」を理解しようとするものである。
1.1 磁性入門
磁性体のうちで、磁界を加えなくても磁化1)をもつものを(広い意味での)強磁性体という。磁石(正確には永久磁石)は強磁性体の代表である。棒磁石の両端にはN極とS極があって、N極からS極に向かって「磁力線」が流れている。磁石に鉄製のクリップを近づけると、クリップが引き寄せられるが、これは、磁石の作る磁界によってクリップに磁化が誘起され、磁界を取り去った後も磁化が残るからである。
強磁性体においては、外部磁界と磁化の関係は直線的でなく、図１に示すような磁気ヒステリシス曲線2)で表され、磁化の大きさは外部磁界がある値以上になると飽和する。これを飽和磁化状態という。この状態から磁界をゼロにしても、磁化はゼロにならず残留磁化をもつ。磁化をゼロにするには、逆方向にある磁界をかけなければならない。この磁界を保磁力という。
図２に示すように磁性体の保磁力は1[A/m]から106[A/m]まで大きな幅をもつ。保磁力が大きく、減磁曲線の張り出しの大きいものを硬質磁性材料と呼び、永久磁石材料として用いられる。保磁力が10[A/m]以下と極端に小さく、初透磁率が大きな磁性体を軟質磁性材料と呼び、ハードディスクの磁気記録用ヘッド、トランスなど電力機器用磁心に用いられる。保磁力が硬質と軟質の中間的な値のもの(104-105A/m近傍)を半硬質磁性材料と呼び、磁気記録媒体(ハードディスクの記録用ディスク、磁気テープ等)に用いられる。磁気記録では、記録媒体の保磁力より大きい磁界を磁気ヘッドから媒体に与え、ヒステリシス曲線でどちらかの方向に飽和させた後、磁界をなくすことにより、残留磁化を使って記録している。
1.2 実験の概要
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この実験で作製するのは、磁性ガーネット(1.3参照)の薄膜(厚さ約200nm)である3)。この物質はファラデー効果(2.3参照)が大きいことでよく知られている。このことを利用して、磁性ガーネットは光ファイバ通信になくてはならない光部品である光アイソレータの材料4)として利用されている。
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一般に薄膜作製の方法には、表１に示すように、真空中で行う物理堆積法(PVD)、気体を用いる気相化学堆積法(CVD)、融液、溶液を用いる液相法のほか、液体塗布焼結法などがある。この実験では、比較的低温において大面積かつ良質の薄膜を短時間に均一に作製できる液体塗布焼結法の一種である有機金属分解法（MOD=metal
organic decomposition）を採用する。
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MOD法では、元素の組成比を調整した有機金属化合物5)を溶媒に溶かした液体を、スピンコート法6)で基板7)上に均一に塗布し、これをホットプレート上で加熱乾燥する。１回の塗布で得られる膜厚は約100nmである。厚い膜を選るには、塗布・乾燥を何度か繰り返す。このようにして塗布乾燥した薄膜は、構成元素が単に混じっただけのもので、化合物になっているわけではない。この膜を(正確には、膜の付着した基板)を電気炉に入れて700°C程度の高温で焼成すると、化学反応と結晶化が進む。
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表１ 種々の薄膜作製法
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相 |
大分類 |
堆積法 |
堆積法の詳細 |
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気相 |
物理堆積法 |
真空蒸着法 |
真空中で原料を加熱蒸発して基板に堆積 |
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MBE |
超高真空中でKnudsenセルで原料を加熱蒸発、基板に堆積 |
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ICB(クラスタイオンビーム) |
真空中でるつぼから原料を噴射、イオン化して基板に堆積 |
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スパッタ法 |
イオンを原料に加速衝突し、飛び出した原料を基板に堆積 |
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化学堆積法 |
気相化学輸送法(CVD) |
化学反応により固体を気相にし輸送、基板上で反応し堆積 |
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MOCVD(有機金属気相堆積法) |
有機金属ガスを基板上で分解、反応させ堆積 |
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プラズマCVD |
放電により原料気体をプラズマ分解し、反応し堆積 |
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金属気相化学反応法 |
金属を堆積し酸化、硫化、セレン化などにより反応し堆積 |
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液相 |
融液・溶液 |
LPE(液相エピタキシャル法) |
融液や溶液に基板を回転しながら浸漬し堆積 |
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塗布焼結 |
印刷焼結法 |
原料を印刷後焼結して結晶化 |
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ゾルゲル法 |
ゾル状の溶液を基板に塗布乾燥しゲル化後焼結して結晶化 |
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MOD法 |
有機金属溶液を塗布乾燥しゲル化したのち焼結して結晶化 |
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スプレー法 |
原料を含む溶液を噴霧器で塗布乾燥した後焼結して結晶化 |
1.3 磁性ガーネットについて
本実験では、磁性ガーネットのひとつであるBi, Ga置換イットリウム鉄ガーネットを作製し、その評価を行う。基本になる磁性ガーネットはイットリウム鉄ガーネット(YIGと略称、化学式はY3Fe5O12)とよばれる物質で、結晶構造は立方晶、格子定数は12.376Åで、図3に示すような複雑な構造を持っている。Ｙイオンは酸素の十二面体で囲まれているのに対し、5 つのFeイオンのうち3 個は酸素の四面体で囲まれた格子位置に入り、残りは八面体で囲まれた格子位置に入る。四面体配位のFeと八面体配位のFeは反強磁性的に結合しており、Fe１個分の磁気モーメントが打ち消されないで残り、全体としてフェリ磁性となる。YのサイトにはGd, Tbなど希土類元素を置くことも可能で、希土類鉄ガーネットと呼ばれる。YIGにおいてY(イットリウム)の一部をBi(ビスマス)で置換したビスマス置換イットリウム鉄ガーネットは、Bi置換量に比例して磁気光学効果が１桁以上大きくなることが報告されている。
YIGおよびBi置換YIG薄膜の容易磁化方向は薄膜の面に平行になることが知られている。面に垂直に磁化すると表面に磁極を生じ、反磁界のためにエネルギー的に不安定になるためである。ファラデー効果は、磁化方向と光の進行方向が平行（すなわち、磁化方向が面に垂直）のときに最大になる。Feの一部をGaで置換することによって磁化の大きさを小さくすると、容易磁化方向を膜面に垂直にすることができる。
2. 実験方法
2.1
MOD法によるBi・Ga置換イットリウム鉄ガーネット薄膜の作製
2.1.1
膜づくりの手順の概要
有機金属(metal
organic=金属と有機分子の化合物)を溶解したMOD液をスピンコート法によりガラス基板上に塗布し､電気炉で焼成することにより磁性ガーネット薄膜を作製する｡実験は､下記の手順で行う｡
(1)
ガラス基板の切り出し(ダイヤモンドペンで1cm角に切り出す｡)
(2)
基板の洗浄(ｱｾﾄﾝで超音波洗浄10分)
(3)
MOD 液の塗布(スピンコーター：500rpm5秒,3000rpm30秒)
(4)
乾燥(ホットプレート：150℃,5分)
(5)
仮焼成(電気炉：550℃,5分)
(6)
本焼成(電気炉：650℃,60分)
ここで､薄膜の厚さを厚くするために､(3)〜(5)を5〜10回繰り返す｡
この実験で用いるMOD溶液は､
Y:Bi:Fe:Ga=2:1:4:1
の組成をもつ有機金属化合物8)を有機溶媒9)に溶かした液体である｡
2.1.2各装置の操作方法
電気炉
(図4)
炉の電源を入れ､SETﾎﾞﾀﾝを一回押し設定温度を入れてSETをもう一度押すと温度が上がる。このとき設定温度は急に上げるとそれよりも上がりすぎることがあるので、50°C位ずつ上げる。550°Cまで上げておく。本焼成時には650°Cにセットする。
超音波洗浄器 (図5)
切り出したガラス基板をビーカーにアセトンとともに入れる。アセトンの量は超音波洗浄機の液面と同じくらいになるようにする。タイマーのつまみを回し、10分洗浄する。洗浄後、ピンセットで基板をはさみ、エタノールを入れたビーカーに入れる。その後、ろ紙の上に取り出して乾かす。
[注]
有機金属薬品は、直接吸ったり肌に触れたりすると、体によくない場合があるので、取り扱いは、ドラフトの中で行うとともに、焼成前の試料は手でさわらず、ピンセットを用いること。
スピンコーター (図6)
サンプルホルダーをエタノールを含ませた紙などで拭く。（この時同じ方向に拭くとほこりがつきにくい）本体の電源（スイッチ1）をONにしてＳＴＡＲＴボタンを押し、
ＳＴＥＰ1：500rpm（rotation
per minutes）5sec
ＳＴＥＰ2：2000〜4000rpm 30sec（基板により変える）
に設定しＳＴＯＰボタンで止める。ポンプのスイッチを入れ、スイッチ2をONにしてホルダーに基板を置く。ＹＩＧ溶液を滴下しスタートを押す。このとき液に空気が入らないように2滴目から使う。スピンコートが終わったらスイッチ２をＯＦＦにして試料をろ紙に置く。ガラスは表裏がわかるようにノートに絵を書いておく。
図6 スピンコーター
2.2 振動試料型磁力計（VSM）10)
試料を0.1〜0.2mm程度のわずかな振幅と80Hz程度の低周波で振動させ、試料の磁化によって生じる磁束の時間変化を、傍らに置いたサーチコイルに生じる誘導起電力として検出するものである。このときの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。
（図7に、VSM装置の写真を示す。）
2.2.1
操作方法
装置の立ち上げ
1.ブレーカーを上げる。
2.装置に水を流す。（水圧0.5目安）
3.電磁石の電源を入れる。このとき2の水圧が低いと電源が自動で落ちてしまうので注意する
4.電源ランプをONにする。
5.マルチメーター、パソコン、VSM本体の電源を入れる。
2.2.2 測定
1.試料を保護テープでくるみサンプルホルダーに取り付ける。
2.サンプルホルダーをVSM本体に取り付ける。
3.パソコンの画面上で｢常温測定M‐H｣を選択する。