(57)【要約】【課題】  交流磁場で電流を誘起でき、または電気分極の強度と方向を制御できるマルチフェロイック電子装置を提供する。【解決手段】  マルチフェロイックナノ発電機は、金属電極２に挟まれたマルチフェロイック固体材料１からなる構造を有し、金属電極２に平行に交流磁界５を印加するように配置し、金属電極２間に誘起される電流を利用する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍ（マグネトプラムバイト）型フェライトからなる強誘電性と強磁性を併せもつマルチフェロイック固体材料からなり、該マルチフェロイック固体材料に外部磁場を作用させることにより電流を誘起させることを特徴とするマルチフェロイック電子装置。
【請求項２】
Ｍ（マグネトプラムバイト）型フェライトからなる強誘電性と強磁性を併せもつマルチフェロイック固体材料からなり、該マルチフェロイック固体材料に外部磁場を作用させることにより電気分極の強度及び方向を制御可能にしたことを特徴とするマルチフェロイック電子装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のマルチフェロイック電子装置において、前記マルチフェロイック固体材料は、ＡＦｅ12Ｏ19のＭ型フェライトであり、ＡはＣａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｐｂもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなる元素であることを特徴とするマルチフェロイック電子装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載のマルチフェロイック電子装置において、前記マルチフェロイック固体材料はＡＦｅ12-xＢx Ｏ19のＭ型フェライトであり、ＡはＣａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｐｂもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、ＢはＳｃ，Ｙ，Ａｃ，Ｃｅ，Ｐｒなどの希土類からなる３価元素であり、ｘの範囲は０＜ｘ≦２であることを特徴とするマルチフェロイック電子装置。
【請求項５】
請求項１又は２記載のマルチフェロイック電子装置において、前記マルチフェロイック固体材料は、ＡＦｅ12-2x Ｂx Ｃx Ｏ19のＭ型フェライトであり、ＡはＣａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｐｂもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、ＢはＴｉ，Ｚｒなどの４価元素であり、ＣはＭｇ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕからなる２価元素であり、ｘの範囲は０＜ｘ≦３であることを特徴とするマルチフェロイック電子装置。
【請求項６】
請求項１又は２記載のマルチフェロイック電子装置において、前記マルチフェロイック固体材料は、ＡＦｅ12-x-yＢx Ｃy Ｏ19のＭ型フェライトであり、ＡはＣａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｐｂもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、ＢはＳｃ，Ｙ，Ａｃ，Ｃｅ，Ｐｒなどの希土類からなる３価元素であり、ＣはＭｇ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕからなる２価元素であり、ｘの範囲は０＜ｘ≦２，ｙの範囲は０＜ｙ≦１であることを特徴とするマルチフェロイック電子装置。
【請求項７】
請求項１又は２記載のマルチフェロイック電子装置において、前記マルチフェロイック固体材料は、ＡＦｅ12-2x-y Ｂx Ｃx Ｄy Ｏ19のＭ型フェライトであり、ＡはＣａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｐｂもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、ＢはＴｉ，Ｚｒなどの４価元素であり、ＣはＭｇ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕからなる２価元素であり、ＤもＭｇ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕからなる２価元素であり、ｘの範囲は０＜ｘ≦３，ｙの範囲は０＜ｙ≦１であることを特徴とするマルチフェロイック電子装置。
【請求項８】
請求項１又は２記載のマルチフェロイック電子装置において、前記マルチフェロイック固体材料を、酸素ガス雰囲気２気圧以上の高圧ガス雰囲気中で、光ランプによる浮遊溶融帯単結晶育成方法により、単結晶育成したことを特徴とするマルチフェロイック電子装置。
【請求項９】
請求項１又は２記載のマルチフェロイック電子装置において、前記マルチフェロイック固体材料を、酸素中で４００℃から１０００℃の範囲で、１００から４００時間の範囲で熱処理を追加し、らせん磁性転移温度を４００Ｋまで高温化させることを特徴とするマルチフェロイック電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電性と強磁性を併せもつ新機能素子としてのマルチフェロイック素子に係り、反復的な磁化反転により変位電流を発生させることが可能なことからナノメートルサイズのナノ発電装置を提供する。また、外部磁場により電気分極を生成、その強度や方向の制御可能な素子を提供する。さらに、磁化によって記憶された情報を読み出すのに必要な磁気センサーに利用される。さらに、この素子はメモリ素子に関する技術に応用できる。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、強誘電性と強磁性とを合わせもつマルチフェロイック固体材料で、ＭＣｒ2 Ｏ4 （Ｍ＝Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）化合物（下記特許文献１参照）、または、Ｙ型フェライト化合物において、外部磁場により電気分極を発生することを用いたマルチフェロイック素子を提案した（非特許文献１参照）。
【特許文献１】国際公開第０７／１３５８１７号公報
【非特許文献１】Ｓ．Ｉｓｈｉｗａｔａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３１９，Ｎｏ．５８７０，ｐｐ．１６４３（２００８）
【非特許文献２】Ｚ．Ｓｏｍｏｇｙｖａｒｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ，Ｖｏｌ．３０４，ｐｐ．ｅ７７５−ｅ７７７（２００６）
【非特許文献３】Ｈ．Ｋａｔｓｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．９５，０５７２０５（２００５）
【非特許文献４】Ｌ．Ｋａｌｖｏｄａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．８７，ｐｐ．２４３−２４９（１９９０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した既に提案されたＭＣｒ2 Ｏ4 （Ｍ＝Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）化合物またはＢａ2 Ｍｇ2 Ｆｅ12Ｏ22などのＹ型フェライト材料は、飽和磁気分極が小さいなどの問題があり、永久磁石としての応用に関しては実用には供していない。したがって、既に永久磁石として実用化されている永久磁石の固体材料と同じか同種の原料でマルチフェロイックの機能が得られれば、主な出発原料が同じであり、その後の生産プロセスの焼成条件も同一条件にできるので、生産性の観点から大変望ましい。
【０００４】
本発明は、上記状況に鑑みて、既に市場で大量に生産されているＭ（マグネトプラムバイト）型フェライト化合物で、外部磁場で電流を誘起でき、電気分極の強度や方向を制御できるマルチフェロイック電子装置を提供することを目的とする。特にＡがＢａ，Ｓｒからなる元素であることを特徴とするＡＦｅ12Ｏ19もしくはＡＯ・６（Ｆｅ2 Ｏ3 ）と表記されるＭ（マグネトプラムバイト）型フェライトは、現在世界で広く使われている永久磁石の中で最大の生産量をもつ磁石である。実際、２００４年の永久磁石の生産量はＭ型フェライト焼結磁石、Ｍ型フェライトボンド磁石を合わせて実に年間６９万トンであり、希土類元素に対して、圧倒的に原料が安価でありコスト的に有利であることから、強力な磁化率をもつ希土類磁石開発後においても、年々増加の一途をたどっている。
【０００５】
本発明は、このＭ型フェライト永久磁石に関わるマルチフェロイック電子装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕マルチフェロイック電子装置において、Ｍ（マグネトプラムバイト）型フェライトからなる強誘電性と強磁性を併せもつマルチフェロイック固体材料からなり、このマルチフェロイック固体材料に外部磁場を作用させることにより電流を誘起させることを特徴とする。
【０００７】
〔２〕マルチフェロイック電子装置において、Ｍ（マグネトプラムバイト）型フェライトからなる強誘電性と強磁性を併せもつマルチフェロイック固体材料からなり、このマルチフェロイック固体材料に外部磁場を作用させることにより電気分極の強度及び方向を制御可能にしたことを特徴とする。
【０００８】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載のマルチフェロイック電子装置において、前記マルチフェロイック固体材料は、ＡＦｅ12Ｏ19のＭ型フェライトであり、ＡはＣａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｐｂもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなる元素であることを特徴とする。
【０００９】
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載のマルチフェロイック電子装置において、前記マルチフェロイック固体材料は、ＡＦｅ12-xＢx Ｏ19のＭ型フェライトであり、ＡはＣａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｐｂもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、ＢはＳｃ，Ｙ，Ａｃ，Ｃｅ，Ｐｒなどの希土類からなる３価元素であり、ｘの範囲は０＜ｘ≦２であることを特徴とする。
【００１０】
〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載のマルチフェロイック電子装置において、前記マルチフェロイック固体材料は、ＡＦｅ12-2x Ｂx Ｃx Ｏ19のＭ型フェライトであり、ＡはＣａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｐｂもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、ＢはＴｉ，Ｚｒなどの４価元素であり、ＣはＭｇ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕからなる２価元素であり、ｘの範囲は０＜ｘ≦３であることを特徴とする。
【００１１】
〔６〕上記〔１〕又は〔２〕記載のマルチフェロイック電子装置において、前記マルチフェロイック固体材料は、ＡＦｅ12-x-yＢx Ｃy Ｏ19のＭ型フェライトであり、ＡはＣａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｐｂもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、ＢはＳｃ，Ｙ，Ａｃ，Ｃｅ，Ｐｒなどの希土類からなる３価元素であり、ＣはＭｇ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕからなる２価元素であり、ｘの範囲は０＜ｘ≦２，ｙの範囲は０＜ｙ≦１であることを特徴とする。
【００１２】
〔７〕上記〔１〕又は〔２〕記載のマルチフェロイック電子装置において、前記マルチフェロイック固体材料は、ＡＦｅ12-2x-y Ｂx Ｃx Ｄy Ｏ19のＭ型フェライトであり、ＡはＣａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｐｂもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、ＢはＴｉ，Ｚｒなどの４価元素であり、ＣはＭｇ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕからなる２価元素であり、ＤもＭｇ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕからなる２価元素であり、ｘの範囲は０＜ｘ≦３，ｙの範囲は０＜ｙ≦１であることを特徴とする。
【００１３】
〔８〕上記〔１〕又は〔２〕記載のマルチフェロイック電子装置において、前記マルチフェロイック固体材料を、酸素ガス雰囲気２気圧以上の高圧ガス雰囲気中で、光ランプによる浮遊溶融帯単結晶育成方法により、単結晶育成したことを特徴とする。
【００１４】
〔９〕上記〔１〕又は〔２〕記載のマルチフェロイック電子装置において、前記マルチフェロイック固体材料を、酸素中で４００℃から１０００℃の範囲で、１００から４００時間の範囲で熱処理を追加し、らせん磁性転移温度を４００Ｋまで高温化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００１６】
（１）反復的な交流磁場（磁場反転) によって配線に変位電流が流れ続けることから、ナノメートルサイズの発電コイルが組み込まれたナノサイズの発電機として機能する。例えば、人体外から反復的な磁場を与えることによって、人体の血管中のミクロのモータに駆動電力を与えることができる。
【００１７】
（２）磁気センサー部と電気分極発生部が同一固体材料で構成できることから、特殊な形状を有することなく機能するデータ読み出し用磁気センサーとして利用することができる。その結果、磁気センサー素子の構造が単純となり、大幅なコストメリットが発生する。この磁気センサー素子はナノサイズまで微細化も可能であることから情報の記憶を担う磁化領域の微細化に対応可能な磁気センサーとなる。この磁気センサーは外部磁場で電気分極を制御できることから高感度な磁気センサーとなる。
【００１８】
（３）マルチフェロイックメモリ素子（ＭＦＭ素子）は、電流誘起磁界と異なり電界誘起なので電流消費を大幅に抑えることができる。さらに誘起された磁化はヒステリシスを有することから、メモリ効果を持ち不揮発性メモリ素子となる。素子構造も簡単であることから微小メモリを構成することができ、高密度メモリが可能となる。少ない層構成はプロセスコストを飛躍的に低減する。低消費電力、高集積、低製造コストの新しいマルチフェロイック不揮発性メモリ素子（ＭＦＭ素子）を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明のマルチフェロイック電子装置は、Ｍ（マグネトプラムバイト）型フェライトからなる強誘電性と強磁性を併せもつマルチフェロイック固体材料からなり、このマルチフェロイック固体材料に外部磁場を印加することにより電流を誘起させる。
【００２０】
また、マルチフェロイックナノ発電機は、金属電極に挟まれたマルチフェロイック固体材料からなる構造を有し、この電極に平行に交流磁場を印加するように配置し、電極間に流れる電流を利用する。
【００２１】
マルチフェロイック磁気センサー素子は、金属電極に挟まれたマルチフェロイック固体材料からなる構造を有し、情報に対応した磁化の漏れ磁場により発生した磁場により、その磁場にほぼ垂直な方向に発生した電気分極を電圧計にて検知する構造とすればよい。
【００２２】
また、マルチフェロイックメモリ素子は、二つの金属電極に挟まれたマルチフェロイック固体材料からなり、特定の選択されたビット線とワード線との間に電圧を印加することにより、この選択されたビット線とワード線に挟まれたマルチフェロイックメモリ素子に特定方向に磁化を発生させる。発生した磁化はメモリ機能を有する。メモリ素子間は非磁性体固体材料が埋め込まれた構造とする。データの読み出しは、特定の選択されたビット線とワード線の間に発生した電気分極に起因する電圧強度で０もしくは１を判定すればよい。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２４】
図１は本発明にかかる電子装置としてのマルチフェロイックナノ発電機の基本構成を示す模式図である。
【００２５】
この図において、１はマルチフェロイック固体材料、２はそのマルチフェロイック固体材料１の両側に形成される金属電極、３は金属電極２に接続される配線、４は配線３に接続される電気機器、５はマルチフェロイック固体材料１に作用する交流磁場である。
【００２６】
図１に示すように、マルチフェロイックナノ発電機は、金属電極２に挟まれたマルチフェロイック固体材料１からなる構造を有し、金属電極２に平行に交流磁場５を印加するように配置し、金属電極２間に流れる電流を電気機器４の稼働に用いればよい。このマルチフェロイックナノ発電機では、反復的な交流磁場（磁場反転) ５によって配線３に変位電流６が流れ続けることから、ナノメートルサイズの発電コイルが組み込まれたナノサイズの発電機として機能する。これは例えば、人体外から反復的な磁場を与えることによって、人体の血管中のミクロのモータに駆動電力を与えることができる。
【００２７】
図２は本発明にかかる電子装置としてのマルチフェロイック磁気センサーの基本構成を示す模式図である。
【００２８】
この図において、１１はマルチフェロイック固体材料、１２はそのマルチフェロイック固体材料１１の両側に形成される金属電極、１３は金属電極１２に接続される配線、１４は配線１３に接続される電圧計、１５はマルチフェロイック固体材料１１に作用するデータが記憶された垂直磁気記録材料である。
【００２９】
図２に示すように、マルチフェロイック磁気センサー素子は、金属電極１２に挟まれたマルチフェロイック固体材料１１からなる構造を有し、垂直磁気記録材料１５の情報に対応した磁化の漏れ磁場により発生した磁場により、その磁場にほぼ垂直な方向に発生した電気分極を電圧計１４にて計測する構造とすればよい。
【００３０】
このマルチフェロイック磁気センサー素子は、データが記憶された垂直磁気記録材料１５からの磁場により電気分極を発生することができることから、データ読み出し用磁気センサーとして働く。
【００３１】
この場合、磁気センサー部と電気分極発生部が同一固体材料で構成できることから、特殊な形状を有することなく機能する。その結果、磁気センサー素子の構造が単純となり、大幅なコストメリットが発生する。また、この磁気センサー素子はナノサイズまで微細化も可能であることから、情報の記憶を担う磁化領域の微細化に対応可能な磁気センサーとなる。
【００３２】
図３は本発明にかかる電子装置としてのマルチフェロイックメモリの基本構成を示す模式図である。
【００３３】
この図において、２１はマルチフェロイック固体材料、２２は上下の金属電極、２３はマルチフェロイックメモリセル、２４はビット線、２５はワード線である。
【００３４】
図３に示すように、マルチフェロイックメモリ素子は、二つの金属電極２２に挟まれたマルチフェロイック固体材料からなる平面的に並べられたマルチフェロイックメモリセル２３で構成される。特定の選択されたビット線２４とワード線２５との間に直流電源又は交流電源から配線を介して電圧を印加することにより、この選択されたビット線２４とワード線２５に挟まれたマルチフェロイックメモリセル２３に特定方向の磁化を発生させる。発生した磁化はメモリ機能を有する。メモリ素子間はマルチフェロイック固体材料が埋め込まれた構造とする。一方、データの読み出しは、特定の選択されたビット線２４とワード線２５の間に発生した電気分極に起因する電圧強度で０もしくは１を判定するようにしている。
【００３５】
図４は本発明にかかるマルチフェロイック素子の磁場誘起電流発生の確認実験を示す実験配置図、図５は結晶方位と外部磁場との相関関係を示す図である。
【００３６】
これらの図において、３１はマルチフェロイック固体材料、３２はそのマルチフェロイック固体材料３１を挟むように上下に形成される金属電極、３３は外部から印加した磁場、３４は発生した電気分極の方向である。また、３５は誘起された電気分極により発生したマルチフェロイック固体材料３１の上下金属電極３２間の電流を計測する電流計である。電極材料は銀ペーストを用いたが、その他アルミニウム、金などの金属であっても問題はない。
【００３７】
マルチフェロイック固体材料３１としてＭ型フェライト構造を持つ化合物のうち、ＢａＦｅ10.4Ｓｃ1.6 Ｏ19を用いた場合の結晶方位と外部磁場、電極配置との相関関係が図５に示されている。この図から明らかなように、外部磁場の方向はＢａＦｅ10.4Ｓｃ1.6 Ｏ19の六方晶構造の結晶軸［１００］から４５°の方向であり、発生する電気分極は［１２０］方向である。
【００３８】
図６は本発明のマルチフェロイック固体材料であるＢａＦｅ10.4- δＳｃ1.6 ＭｇδＯ19（δ＝０．０５）結晶材料に外部磁場を与えた場合の電気分極の外部磁場依存性を示す図、図７は図６で用いたマルチフェロイック固体材料の六方晶構造の結晶方位と外部磁場と発生する電荷の関係を示す図である。
【００３９】
これらの図に示すように、あらかじめ、１０Ｋエルステッドの磁場を［１００］方向から［００１］方向に４５度の角度で与えて、［１２０］方向に電場を数百Ｖ／ｃｍ程度印加する（ポーリング）。その後、外部磁場をゼロからプラスに［１００］方向から［００１］方向に４５度の角度で印加すると、［１２０］方向電気分極（実線）がプラスの方向に発生する。外部磁場をゼロからマイナスにすると、電気分極はマイナスに変化する。ポーリング条件を上記と同じ磁場方向で、マイナス電場を［１２０］方向に印加した場合は、発生する電気分極は上記と逆になる（破線）。測定温度は−２６３℃である。
【００４０】
図８は本発明のマルチフェロイック固体材料に電流または電気分極を行わせた場合の特性図であり、図８（ａ）は経過時間（ｓｅｃ）に対する変位電流（ｐＡ／ｍｍ2 ）、図８（ｂ）は経過時間（ｓｅｃ）に対する電気分極（μＣ／ｍ2 ）、図８（ｃ）は経過時間（ｓｅｃ）に対する交流磁場（ｋＯｅ）を示している。
【００４１】
ＢａＦｅ10.4- δＳｃ1.6 ＭｇδＯ19（δ＝０．０５）結晶材料に正負に振動する交流磁場を与えた場合〔図８（ｃ）〕、交流磁場に相応して正負の変位電流が流れ〔図８（ａ）〕、また電気分極も正負に交互に発生している〔図８（ｂ）〕ことが分かる。この結果は、交流磁化により交流電流と電位が生成されることを示している。
【００４２】
図９にＢａＦｅ10.4- δＳｃ1.6 ＭｇδＯ19（δ＝０．０５）結晶と同じ結晶構造であるＢａＦｅ12Ｏ19の結晶構造と磁気構造を示す（スピンの方向を矢印で示す）。結晶構造は六方晶構造である。図に示したようにＡＢＡＢ……の配列のｈｃｐ構造のＲブロックとＡＢＣＡＢＣ……のｆｃｃ構造のＳブロックがc 軸を共有して１分子をつくり、この軸に関し１８０度回転したＲ* Ｓ* ブロックとあわせて２分子で１単位胞となる。ＳとＲにまたがって上方向のスピンが６個（ａ），Ｒブロックの下向きスピンが２個（ｂ），Ｓブロックの上向きスピンが１個（ｃ），Ｓブロックの下向きスピンが２個（ｄ），Ｒブロックの上向きスピンが１個（ｅ）で、１分子当りの磁気モーメントは（８−４）＊５μB ＝２０μB となる。その磁気構造は［００１］方向に磁化容易軸をもつフェリ型のスピン構造である。これらのＭ型フェライトが優れた永久磁石材料である大きな要因は、ｃ軸方向を磁化容易方向とする大きな一軸結晶異方性エネルギーの存在にある。室温ではフェリ磁性（強磁性の一種）である。
【００４３】
なお、ＢａＦｅ10.4- δＳｃ1.6 ＭｇδＯ19（δ＝０．０５）結晶の磁気構造は、ＢａＦｅ12Ｏ19の磁気構造とは低温では異なり、円錐型螺旋スピン構造になる（図１０参照）。
【００４４】
図１１は本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＢａＦｅ10.4Ｓｃ1.6 Ｏ19結晶材料の磁化の温度依存性を示す図である。
【００４５】
この図に示すように、ｃ軸方向の磁化Ｍ／／［００１］は２５０Ｋ（−２３℃) 付近から減少する。これはｃ軸方向のスピンが［００１］方向からずれて円錐型螺旋スピン構造になることにより、ｃ軸成分が減少することによる。このことはメスバウアーの実験から確かめられている〔上記非特許文献２〕。このような円錐型螺旋スピン構造をもつ場合、外部磁場を［００１］方向から紙面内に、ずれた方位に印加した場合、紙面に垂直に電気分極を発生することが予測される〔上記非特許文献３〕。ここで、Ｍｇを０．０５ドープしたのは、鉄の２価が微量試料作製中に混入してしまうので、これによる電気抵抗の低抵抗化を防止するためである。
【００４６】
以上、マルチフェロイック材料Ｍ型フェライト構造をもつＢａＦｅ10.4- δＳｃ1.6 ＭｇδＯ19（δ＝０．０５）の場合、外部磁場でその電流や電気分極を生成し、電気分極の強度を制御することが可能であることを初めて実証した。与えた磁場強度はこの例では４０００ガウス程度の磁場である。さらに材料を選択すれば弱磁場で誘起することができ、さらなる電流密度の向上を図ることができる。
【００４７】
このような磁場誘起電流生成や電荷生成は−２３℃以下で起こるが、円錐型螺旋スピン磁性を示すスピン状態でこのような現象が起こることから、円錐型螺旋スピン磁性転移を高温までもってくればよい。酸素中で４００℃から１０００℃の範囲で、１００から４００時間の範囲の熱処理を追加することにより、らせん磁性転移温度をさらに高温化させることが可能である。さらに、温度プロセスの最適化により常温化の可能性は高い。
【００４８】
また、ＢａＦｅ10.8Ｔｉ0.6 Ｍｇ0.6 Ｏ19やＢａＦｅ8 Ｔｉ2 Ｃｏ2 Ｏ19においても、そのスピン構造が円錐型螺旋スピン構造を持つ〔上記非特許文献４〕ことから、同様な効果が発生することは明らかである。
【００４９】
図１２は本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＢａＦｅ10.4Ｓｃ1.6 Ｏ19の単結晶を示す図面代用の写真である。
【００５０】
ＢａＦｅ10.4Ｓｃ1.6 Ｏ19は、高圧ガス雰囲気下でハロゲンランプなどの光源を用いた浮遊溶融帯製造法で作製した単結晶である。印加するガス種は、酸素ガスの場合、2 気圧以上の圧力であれば単相の六方晶構造を得ることが可能である。
【００５１】
このように、強磁性と強誘電性を併せもつマルチフェロイック固体材料ＢａＦｅ10.4- δＳｃ1.6 ＭｇδＯ19（δ＝０．０５）で、外部磁場により電流や電気分極を制御できることが示されたことから、逆の過程である電場により電気分極を形成し、磁化を発生させることが可能であることがわかる。強誘電体において電気分極の正負の方向は電場で制御できる。この時電気分極の反転が起きれば、スピンの螺旋構造をもつマルチフェロイック材料においては、同時に磁化の反転がおきることは自明である。
【００５２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明のマルチフェロイック素子は、ナノサイズ発電装置、磁化により記憶された素子の情報を読み出す磁気センサー、または、低コストのメモリ素子に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明にかかる電子装置としてのマルチフェロイックナノ発電機の基本構成を示す模式図である。
【図２】本発明にかかる電子装置としてのマルチフェロイック磁気センサーの基本構成を示す模式図である。
【図３】本発明にかかる電子装置としてのマルチフェロイックメモリの基本構成を示す模式図である。
【図４】本発明にかかるマルチフェロイック素子の磁場誘起電流発生の確認実験を示す実験配置図である。
【図５】図４におけるマルチフェロイック固体材料としてＭ型フェライト構造を持つ化合物のうち、ＢａＦｅ10.4Ｓｃ1.6 Ｏ19を用いた場合の結晶方位と外部磁場との相関関係を示す図である。
【図６】本発明のマルチフェロイック固体材料であるＢａＦｅ10.4- δＳｃ1.6 ＭｇδＯ19（δ＝０．０５）結晶材料に外部磁場を与えた場合の電気分極の外部磁場依存性を示す図である。
【図７】図６で用いたマルチフェロイック固体材料の六方晶構造の結晶方位と外部磁場と発生する電荷の関係を示す図である。
【図８】本発明のマルチフェロイック固体材料であるＢａＦｅ10.4Ｓｃ1.6 Ｏ19において、交流外部磁場を印加した場合に発生する電流と電気分極を示す図である。
【図９】本発明のマルチフェロイック固体材料であるＢａＦｅ10.4Ｓｃ1.6 Ｏ19の結晶構造と磁気構造を示す図である。
【図１０】本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＢａＦｅ10.4Ｓｃ1.6 Ｏ19の−２３℃以下のスピンの円錐型螺旋構造図である。
【図１１】本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＢａＦｅ10.4Ｓｃ1.6 Ｏ19磁化の温度依存性を示す図である。
【図１２】本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＢａＦｅ10.4Ｓｃ1.6 Ｏ19の単結晶を示す図面代用の写真である。
【符号の説明】
【００５５】
１，１１，２１，３１    マルチフェロイック固体材料
２，１２，２２，３２    金属電極
３，１３    配線
４    電気機器
５    交流磁場
６    変位電流
１４    電圧計
１５    垂直磁気記録材料
２３    マルチフェロイックメモリセル
２４    ビット線
２５    ワード線
３３    外部から印加した磁場
３４    発生した電気分極の方向
３５    電流計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図８】
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【図１１】
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【図１２】
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