(57)【要約】【課題】従来の方法では製造の困難であった機能材料も製造することの可能な機能材料の製造方法およびその製造方法によって製造された機能材料を提供する。【解決手段】薄膜状、板状もしくはバルク状の化合物固相材料に対して高重力場処理を行うことにより、化合物固相材料を構造変化もしくは相転移させる。相転移とは、構造相転移および電子相転移を含む概念である。【選択図】図２Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜状、板状もしくはバルク状の化合物固相材料に対して高重力場処理を行うことにより、前記化合物固相材料を構造変化もしくは相転移させる
ことを特徴とする機能材料の製造方法。
【請求項２】
前記化合物固相材料に対して高重力場処理を行うことにより、前記化合物固相材料を構造相転移もしくは電子相転移させる
ことを特徴とする請求項１に記載の機能材料の製造方法。
【請求項３】
前記化合物固相材料に対して高重力場処理を行うことにより、前記化合物固相材料の結晶構造の対称性を下げる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の機能材料の製造方法。
【請求項４】
前記化合物固相材料は、共有結合化合物、イオン結合化合物、金属間化合物、または有機化合物である
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項５】
前記化合物固相材料は、金属酸化物、金属窒化物、金属硫化物、金属ホウ化物、遷移元素化合物、希土類元素化合物、化合物半導体、強相関化合物、超伝導体、強磁性体、強誘電体、または有機化合物である
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項６】
前記高重力場処理において、前記化合物固相材料を、一の軸を中心として高速回転することの可能なロータ内に設置したのち、前記ロータを高速回転させ、その高速回転によって発生する遠心力を重力として、前記化合物固相材料に対して印加する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項７】
前記高重力場処理において、常温よりも高い温度であって、かつ前記化合物固相材料が固相状態を保つことの可能な温度以下の温度範囲内で、５万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）以上の重力加速度を、前記化合物固相材料に対して印加する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項８】
前記高重力場処理において、常温で、５万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）以上の重力加速度を、前記化合物固相材料に対して印加する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項９】
薄膜状、板状もしくはバルク状の機能材料であって、
前記機能材料は、薄膜状、板状もしくはバルク状の化合物固相材料に対して高重力場処理を行うことにより、前記化合物固相材料を構造変化もしくは相転移させたものである
ことを特徴とする機能材料。
【請求項１０】
前記化合物固相材料は、金属酸化物、金属窒化物、金属硫化物、金属ホウ化物、遷移元素化合物、希土類元素化合物、化合物半導体、強相関化合物、超伝導体、強磁性体、強誘電体、または有機化合物である
ことを特徴とする請求項９に記載の機能材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高重力場処理を施すことにより形成された機能材料およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質の相転移は温度、圧力の変化によって生じる。例えば、炭素は高温高圧下でダイヤモンドに相転移し、クエンチするので、炭素からダイヤモンドを生産することができる（特許文献１参照）。この他、磁場下では構造を変えることは難しいが、スピンを揃えて強い磁石を作ることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−０６６３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、従来の方法では製造の困難であった機能材料も製造することの可能な機能材料の製造方法およびその製造方法によって製造された機能材料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】
【０００５】
本発明の機能材料の製造方法は、薄膜状、板状もしくはバルク状の化合物固相材料に対して高重力場処理を行うことにより、化合物固相材料を構造変化もしくは相転移させるものである。化合物固相材料は、例えば、共有結合化合物、イオン結合化合物、金属間化合物、または有機化合物である。
【０００６】
本発明の機能材料は、薄膜状、板状もしくはバルク状の機能材料である。この機能材料は、薄膜状、板状もしくはバルク状の化合物固相材料に対して高重力場処理を行うことにより、化合物固相材料を構造変化もしくは相転移させたものである。
【０００７】
本発明の機能材料およびその製造方法では、化合物固相材料に対して高重力場処理が施される。これにより、例えば、原子には選択的かつ直接的に、原子量の大きさの違いによって、異なるボディフォース（体積力）が印加される。圧力場下では、アンビルなどによる外からの応力均衡によって状態方程式に従って格子間がそのまま縮む。一方、加速度（重力）場下では、各原子に選択的に直接かかるボデーホォースによって重い原子は加速度方向に平均より強い力を受け、多かれ少なかれ原子が変位した一次元の特異な歪、分極状態の結晶状態が実現する。高重力場下で原子の変位によって結晶構造の変化が起こることが期待されるが、そのような現象は発見されていないし、応用もされていない。これまで、圧力や温度を変化させて結晶構造を変える現象は一般的に知られ、工業的にも応用されてきたが、高重力場下の構造相転移は見出されていなかった。
【０００８】
本発明の機能材料およびその製造方法では、化合物固相材料に対する高重力場処理によって、１軸的な原子の変位、格子の歪みが起こり、結晶構造が変化、あるいは相転移が起こる。従って、この変化は結晶の対称性を下げる効果をもたらすことになる。
【０００９】
化合物固相材料が構造変化もしくは相転移を起こすと、例えば、材料の結晶構造、さらに電子構造が変化し、それに伴って、半導体特性、光物性、磁性、超伝導特性、誘電特性が変化する。具体的には、半導体では、バンドギャプを変えたり、ダイオード、トランジスタ、サイリスタなどの性能を向上させたり、光ダイオード、半導体レーザの機能周波数を変えたりすることが期待される。磁性では、スピン、磁区構造を変えたり、保持力、残留磁化、透磁率などを向上させたりすることが期待される。誘電体では、原子の変位によって、インピーダンスが変化したり、抗電界、残留分極、電気容量や圧電性、焦電性などが向上したりすることが期待される。超伝導特性では、臨界温度、高磁場、臨界電流などを向上させたりすることが期待される。
【００１０】
また、高重力場処理において、例えば、常温よりも高い温度であって、かつ化合物固相材料が固相状態を保つことの可能な温度以下の温度範囲内で、少なくとも５万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）以上の重力加速度を、化合物固相材料に対して印加することが好ましい。これにより、化合物固相材料に構造変化もしくは相転移を生じさせることが容易となる。また、上記重力加速度については、１０万ｇ以上であることがより好ましい。これにより、多くの種類の化合物固相材料に対して、ボディフォースを印加することが可能となる。なお、化合物固相材料の種類によっては、高重力場処理において、常温で、少なくとも５万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）以上、好ましくは１０万ｇ以上の重力加速度を、化合物固相材料に対して印加することにより、化合物固相材料を構造変化もしくは相転移させることも可能である。ここで、化合物固相材料の形状や大きさによっては、化合物固相材料全体に印加される重力加速度が均一でない場合がある。重力加速度は半径に比例するからである。この場合、上記で例示した重力加速度とは、化合物固相材料に印加される最大の重力加速度を指すものとする。
【００１１】
また、高重力場処理において、化合物固相材料を、一の軸を中心として高速回転することの可能なロータ内に設置したのち、ロータを高速回転させ、その高速回転によって発生する遠心力を重力として、化合物固相材料に対して印加することが可能である。このとき、ロータ内に、回転軸との関係で平行または所定の角度だけ傾いた平面を複数設け、各平面を、化合物固相材料を設置（固定）する設置面（固定面）として用いることも可能である。これにより、化合物固相材料に対して、その表面と直交もしくは交差する方向に容易に重力をかけることが可能となる。また、上記ロータ内に多くの化合物固相材料を設置（固定）することができるので、機能材料を一度に大量に生産することも可能である。
【００１２】
また、上記したようなロータを用いた場合には、高重力場処理において、接触加熱、輻射加熱またはレーザ加熱によって加熱されたロータを介して、化合物固相材料を加熱することも可能である。また、上記したようなロータを用いるか否かに拘わらず、高重力場処理において、接触加熱、輻射加熱またはレーザ加熱によって、化合物固相材料を直接、加熱することも可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の機能材料およびその製造方法によれば、化合物固相材料に対して高重力場処理を行うことにより、化合物固相材料を構造変化もしくは相転移させるようにしたので、従来の方法で製造可能な機能材料だけでなく、従来の方法では製造の困難であった機能材料も製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】本発明の一実施の形態に係る製造方法に用いられる高重力場発生装置の断面構成の一例を表す図である。
【図１Ｂ】図１の高重力場発生装置のＡ−Ａ矢視方向の断面構成の一例を表す図である。
【図２Ａ】試料としてマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）を用いたときの、実験前の単結晶構造解析結果を表す図である。
【図２Ｂ】試料としてマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）を用いたときの、実験後の単結晶構造解析結果を表す図である。
【図３】試料としてマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）を用いたときの、実験後と実験前のｃ軸方向（重力印加方向はｃ軸方向）の磁気特性の測定結果を表す図である。
【図４】試料としてマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）を用いたときの、実験後と実験前のａ軸方向（重力印加方向はｃ軸方向）の磁気特性の測定結果を表す図である。
【図５】試料としてマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）を用いたときの、実験後と実験前のラマン分光測定結果を表す図である。
【図６】試料として[０００１]方向に揃えられたヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）を用いたときの、実験後と実験前のｃ軸方向（重力印加方向はｃ軸方向）の磁気特性の測定結果を表す図である。
【図７】試料として[０００１]方向に揃えられたヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）を用いたときの、実験後と実験前のａ軸方向（重力印加方向はｃ軸方向）の磁気特性の測定結果を表す図である。
【図８】試料として[１１−２０]方向に揃えられたヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）を用いたときの、実験後と実験前のｃ軸方向（重力印加方向はａ軸方向）の磁気特性の測定結果を表す図である。
【図９】試料として[１１−２０]方向に揃えられたヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）を用いたときの、実験後と実験前のａ軸方向（重力印加方向はａ軸方向）の磁気特性の測定結果を表す図である。
【図１０】試料としてＧａＳｂを用いたときの、実験後と実験前のＸＲＤ回折分析結果を表す図である。
【図１１】試料としてＺｎＯを用いたときの、実験後と実験前のＸＲＤ回折分析結果を表す図である。
【図１２】試料としてＺｎＯを用いたときの、実験後と実験前のＸＲＤ回折分析結果を表す図である。
【図１３】試料としてＢｉＴｉＯ３を用いたときの、単位格子を表す図である。
【図１４】図１３の単位格子をｂ軸方向から観察した簡略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態
２．実施例
【００１６】
＜１．実施の形態＞
図１Ａは、本発明の一実施の形態に係る機能材料の製造方法に用いられる高重力場発生装置の断面構成の一例を表したものである。図１Ｂは、図１Ａの高重力場発生装置のＡ−Ａ矢視方向の断面構成の一例を表したものである。
【００１７】
［高重力場発生装置］
まず、高重力場発生装置について説明する。高重力場を発生させる装置としては、例えば、高温かつ重力加速度、最大１００万ｇ以上の高重力場を長時間安定的に発生させることができる高重力場発生装置（特開２００３−１０３１９９号公報，特開平９−２９０１７８号公報参照）を用いることができる。この高重力場発生装置は、板状試料用に好適に適用可能なものであり、例えば、一の軸ＡＸを中心として長時間安定的に高速回転することの可能なロータ１０と、ロータ１０を、軸ＡＸを中心として高速回転させる駆動部（図示せず）とを備えている。ロータ１０は、軸ＡＸと直交する面内において軸ＡＸを中心として点対称の形状となっており、例えば、図１Ａに示したような釣鐘状の形状となっている。ロータ１０の底面には、ロータ１０内に設けられた内部空間１０Ｂとロータ１０の外部空間とを連通する開口１０Ａが設けられている。内部空間１０Ｂは、例えば、図１Ａ、図１Ｂに示したように、軸ＡＸと平行な平坦面（設置面１０Ｃ）を複数有する多面体の側面によって囲まれている。この内部空間１０Ｂは、さらに、軸ＡＸと直交するかまたは設置面１０Ｃと鋭角で交差する平坦面を有する底面１０Ｄと、底面１０Ｄおよび開口１０Ａと所定の間隙を介して対向する上面１０Ｅとによって囲まれており、多角柱状の空間となっている。設置面１０Ｃは、試料２０を設置する面であり、ロータ１０を回転させた際に試料２０に対して印加される遠心力の向きを規定する役割を有している。また、底面１０Ｄは、試料２０を設置面１０Ｃに設置した際に、ロータ１０の停止時や回転時に、試料２０が設置面１０Ｃから脱落したり、滑って外部に飛び出したりするのを防ぐ役割を有している。従って、この高重力場発生装置は、内部空間１０Ｂの所定の位置に試料２０を設置（固定）し、ロータ１０を、軸ＡＸを中心軸として高速回転させることにより、試料２０に対して所定の方向（例えば、軸ＡＸと直交もしくは交差する方向）に遠心力を印加する機能を有している。なお、図１Ａには、底面１０Ｄが軸ＡＸと直交する平坦面を有している場合が例示されているが、底面１０Ｄが設置面１０Ｃと鋭角で交差する平坦面を有していてもよい。また、例えば、底面１０Ｄに、試料２０が設置面１０Ｃから脱落したり、滑って飛び出したりするのを積極的に防止する突起などの構造物が設けられていてもよい。また、例えば、試料２０を収容するカプセルが設置面１０Ｃに設けられていてもよい。
【００１８】
この高重力場発生装置は、試料２０に対し、少なくとも１万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）以上の重力加速度を印加することが可能であり、１０万ｇ、１００万ｇ程度の重力加速度を印加することも可能である。つまり、この高重力場発生装置は、試料２０に含まれる各原子に対して遠心力を印加できるようになっている。また、この高重力場発生装置は、図１Ｂに示したように、ロータ１０の各設置面１０Ｃに試料２０を設置（固定）することができるので、機能材料を一度に大量に生産することも可能となっている。
【００１９】
また、この高重力場発生装置は、図示しないが、ロータおよび試料２０の少なくとも一方を、回転時および非回転時のいずれの場合においても加熱（例えば、接触加熱、輻射加熱、レーザ加熱など）することの可能なヒータを備えている。ヒータは、試料２０の再結晶温度以上であって、かつ試料２０が固相状態を保つことの可能な温度以下の温度範囲内で試料２０を加熱するようになっている。ここで、ロータ自身がヒータによって直接、加熱されるようになっている場合には、ロータは、ロータの熱を試料２０に伝達することの可能な材料（例えば、インコネル（高温に強い材料）などの鉄鋼材料、Ｔｉ（チタン）−６Ａｌ（アルミニウム）−４Ｖ（バナジウム）合金など）によって構成されている。上述のカプセルも、ロータと同様の材料、または、ＳＵＳ３０４などによって構成されている。また、試料２０そのものがヒータによって直接、加熱されるようになっている場合には、ロータは、ヒータから発せられたエネルギーが試料２０に直接、伝達されるような機構を備えている。なお、このロータは、ヒータの他に、ロータおよび試料２０の少なくとも一方を冷却するクーラなどを備えていてもよい。
【００２０】
［試料］
次に、試料について説明する。試料は、高重力場発生装置を高速回転させることによって発生する遠心力を利用して構造変化を起こさせる被加工対象物である。なお、試料は、上記に例示した高重力場発生装置によって遠心力が印加されてもよいし、上記に例示した高重力場発生装置とは異なる装置によって遠心力が印加されてもよい。試料は、薄膜状、板状もしくはバルク状の化合物固相材料である。試料は、単一の化合物固相材料であってもよいし、複数種類の化合物固相材料が互いに重ね合わされたものであってもよいし、非加工対象物の上に化合物固相材料が積層されたものであってもよい。ここで、「単一」とは、化合物固相材料全体の構造が均一もしくは概ね均一であることを指している。従って、単一の化合物固相材料は、構造の互いに異なる２種類の化合物固相材料同士が貼り合わされたものではない。「非加工対象物」とは、化合物固相材料に対して重力場処理をしている際に重力場処理によって構造変化もしくは相転移しないものを指している。
【００２１】
化合物固相材料は、共有結合化合物、イオン結合化合物、金属間化合物、または有機化合物である。共有結合化合物とは、共有結合のみからなる物質だけでなく、共有結合にイオン結合が加わった物質も含む概念である。イオン結合化合物とは、イオン結合によって形成される結晶を指す。金属間化合物とは、複数の金属元素が一定の比率で結合した化合物を指す。なお、金属間化合物には、半金属や窒素、硫黄などの非金属元素を構成元素とするものも含まれる。有機化合物とは、炭素を含む化合物を指す。
【００２２】
化合物固相材料は、例えば、金属酸化物、金属窒化物、金属硫化物、または、金属ホウ化物などである。化合物固相材料は、例えば、遷移元素化合物、または、希土類元素化合物などであってもよい。
【００２３】
化合物固相材料は、例えば、化合物半導体であってもよい。化合物半導体には、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族化合物半がある。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体には、例えば、ＢＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＢＰ、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどがある。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体には、例えば、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＳＳｅ、ＣｄＭｎＴｅなどがある。
【００２４】
化合物固相材料は、例えば、強相関化合物であってもよい。強相関化合物には、例えば、銅酸化物超伝導体、酸化物巨大磁気抵抗物質などの強相関物質、ペロブスカイト酸化物、鉄系酸化物超伝導体（ＬｎＯＭＰｎ（Ｌｎ＝ランタン系元素、Ｍ＝遷移金属、Ｐｎ＝Ｐ、ＡｓまたはＳｂ）系化合物）、またはスクッテルダイト型化合物がある。
【００２５】
化合物固相材料は、例えば、超伝導体であってもよい。超伝導体には、例えば、銅酸化物超伝導体、または鉄系酸化物超伝導体などがある。銅酸化物超伝導体には、例えば、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｕＯ３などのＬａ系、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘなどのＹ系、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０などのＢｉ系、Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４などのＴｌ系、ＨｇＢａＣａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４＋δなどのＨｇ系がある。また、鉄系酸化物超伝導体には、例えば、Ｌａ（Ｏ１−ｘＦｘ）ＦｅＡｓ（ランタン、酸素、フッ素、鉄、ヒ素）などがある。
【００２６】
化合物固相材料は、例えば、強磁性体であってもよい。強磁性体磁石には、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、鉄−クロム−コバルト磁石、マンガンアルミ磁石、ネオジム磁石、サマリウム−鉄−窒素磁石などがある。
【００２７】
化合物固相材料は、例えば、強誘電体であってもよい。強誘電体には、例えば、ペロブスカイト酸化物、ペロブスカイトデリバティブ型、擬イルメナイト酸化物、タングステン・ブロンズ型、バイクロア型、ビスマス層状型などがある。強誘電体のペロブスカイト酸化物には、例えば、ＢａＴiＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＦｅＢｉＯ３などがある。強誘電体のペロブスカイトデリバティブ型には、例えば、ＲＭｎ２０５（Ｒ＝Ｔｂ，Ｙ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｈｏなど)がある。強誘電体の擬イルメナイト酸化物には、例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＮａｘＷＯ３などがある。強誘電体のタングステン・ブロンズ型には、例えば、ＰｂＮｂ２０６、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５などがある。強誘電体のバイクロア型には、例えば、Ｃｄ２Ｎｂ２Ｏ７、Ｐｂ２Ｎｂ２Ｏ７などがある。強誘電体のビスマス層状型には、例えば、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２などがある。
【００２８】
化合物固相材料は、例えば、強磁性、強誘電性、強弾性などの性質を複数有するマルチフェロイック材料であってもよい。マルチフェロイック材料には、例えば、ペロブスカイト構造のＦｅＢｉＯ３や、六方賞マンガン酸化物のＲＭｎＯ３（Ｒ＝Ｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｓｃなど）、フッ化物のＢａＭＦ４（Ｍ＝Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉなど）、らせん磁気秩序関連のＲＭｎ３（Ｒ＝Ｔｂ，Ｄｙなど）、ＣｕＦｅＯ２、Ｎｉ３Ｖ２Ｏ８、ＣｕＯ、または（Ｂａ，Ｓｒ）２Ｚｎ２Ｆｅ１２Ｏ２２などがある。
【００２９】
[高重力場処理]
次に、遠心力を重力として試料に印加する高重力場処理について説明する。ここで、試料は、比重相当量の小さな原子と、比重相当量の大きな原子とによって構成されているものとする。まず、試料をロータに配置（固定）する。次に、ロータを高速に回転駆動し、その高速回転によって発生する遠心力を重力として試料に印加する。このようにして、試料に対して高重力場処理を行っているとき、遠心力の方向は、例えば、試料の接触面と交差（または直交）する方向を向いている。また、重力加速度は、少なくとも５万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２ ）以上であることが必要であり、１０万ｇ以上であることが好ましい。これにより、高重力場下では、圧力場下において原子の種類に関係なく均等に圧力を受ける場合とは異なり、原子には選択的かつ直接的に、原子量の大きさの違いによって、異なるボディフォース（体積力）が印加される。
【００３０】
ここで、化合物固相材料の形状や大きさによっては、化合物固相材料全体に印加される重力加速度が均一でない場合がある。この場合、上記で例示した重力加速度とは、化合物固相材料に印加される最大の重力加速度を差すものとする。なお、本明細書に例示された重力加速度は、全て、化合物固相材料に印加される最大の重力加速度を指すものとする。
【００３１】
圧力場下では、アンビルなどによる外からの応力均衡によって状態方程式に従って格子間がそのまま縮む。一方、加速度（重力）場下では、各原子に選択的に直接かかるボデーホォースによって重い原子は加速度方向に平均より強い力を受け、多かれ少なかれ原子が変位した一次元の特異な歪、分極状態の結晶状態が実現する。高重力場下で原子の変位によって結晶構造の変化が起こることが期待されるが、そのような現象は発見されていないし、応用もされていない。これまで、圧力や温度を変化させて結晶構造を変える現象は一般的に知られ、工業的にも応用されてきたが、高重力場下の構造相転移は見出されていなかった。
【００３２】
試料に対する高重力場処理によって、１軸的な原子の変位、格子の歪みが起こり、結晶構造が変化、あるいは相転移が起こる。従って、この変化は結晶の対称性を下げる効果をもたらすことになる。
【００３３】
試料の構造変化が進行すると、試料が相転移を起こす。つまり、試料に対して高重力場処理を行うことにより、試料を相転移させることができる。ここで、相転移とは、構造相転移および電子相転移を含む概念である。構造相転移とは、結晶構造が変化することを指す。電子相転移とは、結晶を構成する原子中における電子スピンが変化することを指し、例えば、常磁性から強磁性もしくは反強磁性へ、またはその逆に強磁性もしくは反強磁性から常磁性へと転移することを指す。電子相転移には、例えば、モット転移が含まれる。モット転移とは、モット絶縁体 (Mott-insulator)から金属へ転移することを指す。
【００３４】
電子相転移は、例えば、電子同士または格子とのクーロン相互作用によって電子が局在したり、フェルミ準位に寄与したりして金属絶縁体転移や超伝導転移を引き起こすことを指している。これらはモット転移とも呼ばれる。また、電子相転移では、電子スピンの状態も変化して磁性の変化ももたらし得る。この転移は構造相転移を伴うこともある。
【００３５】
化合物固相材料が構造変化もしくは相転移を起こすと、例えば、材料の結晶構造、さらに電子構造が変化し、それに伴って、半導体特性、光物性、磁性、超伝導特性、誘電特性が変化する。具体的には、半導体では、バンドギャプを変えたり、ダイオード、トランジスタ、サイリスタなどの性能を向上させたり、光ダイオード、半導体レーザの機能周波数を変えたりすることが期待される。磁性では、スピン、磁区構造を変えたり、保持力、残留磁化、透磁率などを向上させたりすることが期待される。誘電体では、原子の変位によって、インピーダンスが変化したり、抗電界、残留分極、電気容量や圧電性、焦電性などが向上したりすることが期待される。超伝導特性では、臨界温度、高磁場、臨界電流などを向上させたりすることが期待される。従って、これまで製造が困難であった機能材料を提供することが可能になる。
【００３６】
なお、上述の高重力場処理に伴って、試料を加熱または冷却することが好ましい。例えば、試料の温度が、常温よりも高い温度であって、かつ試料が固相状態を保つことの可能な温度以下の温度範囲内となるように、試料を加熱することが好ましい。また、試料の温度は、試料の再結晶温度に近い温度であってもよいし、試料の融点温度に近い温度であってもよい。試料の加熱は、ヒータによる直接的な加熱であってもよいし、ヒータによって温められたロータを介した間接的な加熱であってもよい。
【００３７】
さらに、高重力場処理において、少なくとも５万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２ ）以上の重力加速度を、試料に対して印加することが好ましい。これにより、試料に構造変化もしくは相転移を生じさせることが容易となる。また、上記重力加速度については、１０万ｇ以上であることがより好ましい。これにより、多くの種類の試料に対して、ボディフォースを印加することが可能となる。なお、化合物固相材料の種類によっては、高重力場処理において、常温で、少なくとも５万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）以上、好ましくは１０万ｇ以上の重力加速度を、化合物固相材料に対して印加することにより、化合物固相材料を構造変化もしくは相転移させることも可能である。
【００３８】
また、高重力場処理において、試料を、一の軸を中心として高速回転することの可能なロータ内に設置したのち、ロータを高速回転させ、その高速回転によって発生する遠心力を重力として、化合物固相材料に対して印加することが可能である。このとき、ロータ内に、回転軸との関係で平行または所定の角度だけ傾いた平面を複数設け、各平面を、試料を設置（固定）する設置面（固定面）として用いることも可能である。これにより、試料に対して、その表面と直交もしくは交差する方向に容易に重力をかけることが可能となる。また、上記ロータ内に多くの試料を設置（固定）することができるので、機能材料を一度に大量に生産することも可能である。
【００３９】
また、上記したようなロータを用いた場合には、高重力場処理において、接触加熱、輻射加熱またはレーザ加熱によって加熱されたロータを介して、試料を加熱することも可能である。また、上記したようなロータを用いるか否かに拘わらず、高重力場処理において、接触加熱、輻射加熱またはレーザ加熱によって、試料を直接、加熱することも可能である。
【００４０】
このように、本実施の形態の機能材料の製造方法では、試料に対して高重力場処理が施される。これにより、原子には選択的かつ直接的に、原子量の大きさの違いによって、異なるボディフォース（体積力）が印加され、試料に構造変化や、相転移が生じる。その結果、試料に対して所定の機能を持たせることができる。以上のことから、本実施の形態では、従来の方法で製造可能な機能材料だけでなく、従来の方法では製造の困難であった機能材料をも製造することが可能である。
【００４１】
また、本実施の形態の機能材料の製造方法を用いて高重力場処理の施された試料は、半導体素子、磁性素子、超伝導素子、または誘電素子などに用いられ得る。半導体素子には、例えば、ダイオード、トランジスタ、サイリスタ、光ダイオード、半導体レーザなどがある。磁性素子には、例えば、磁石、磁気ヘッド、磁気メモリなどがある。超伝導素子には、超伝導線、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ素子）、トンネル素子などがある。誘電素子には、例えば、焦電体、圧電体、コンデンサ、強誘電体メモリなどがある。
【００４２】
＜２．実施例＞
以下、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。なお、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００４３】
（実施例１）
試料として、[００１]方向に揃えられたマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）の単結晶試料を用意した。実験では、熊本大学にあるエアタービン型の超遠心機（特開２００３−１０３１９９号公報，特開平９−２９０１７８号公報参照）を使用した。上記のエアタービン型の超遠心機は、１００時間以上において高温で最大１００万Ｇ(１Ｇ＝９．８ｍ／ｓ２)以上の重力場を発生させることができるものである。なお、他の実施例においても、上記のエアタービン型の超遠心機を使用した。また、板状の試料を、回転中心からおおよそ３５ｍｍ離れた箇所に取り付けた。試料の底面がロータの半径方向と垂直な方向となるように板状の試料を置いた。他の実施例においても同様である。
【００４４】
試料を、ロータによって発生する重力場が[００１]方向と平行となるように、ロータの内部空間内に配置（固定）した。その後、ロータを高速に回転駆動し、その高速回転によって発生する遠心力を重力として試料に印加した。このとき、試料を融点より極めて低い４００度に加熱し、回転速度１０万ｒｐｍ、最大加速度約３７万Ｇで、２４時間、回転した。
【００４５】
実験後と実験前の試料に対し、Ｘ線回折装置を用いてＸ線回折を実施し、このデータを元にShelex-97を用いて単結晶構造解析を行った。これにより得られた単結晶構造解析結果を図２Ａ、図２Ｂと、表１に示した。通常のマグネタイトの結晶構造は立方晶である。しかし、実験後の試料の結晶構造は正方晶であった。また、結晶構造の変化に伴い、ラウエグループも通常のＦｄ−３ｍからＩ４１／ａｍｄに変化していた。
【表１】
2015073952.tif 000003
【００４６】
実験後と実験前の試料に対し、超伝導量子干渉磁束計（Quantum Design MPMS-XL）を用いて磁気特性を測定した。実験温度を１３０Ｋとした。実験後と実験前のｃ軸方向の測定結果を図３および表２の上段に、ａ軸方向の測定結果を図４および表２の下段に示した。図３、図４において、（Ａ）が実験前の試料の結果であり、（Ｂ）が実験後の試料の結果である。重力印加方向はｃ軸方向である。ｃ軸方向では、残留磁化Ｍｒは、実験前の試料において０．２７となっていたのに対し、実験後の試料において０．３９に増加していた。また、最大磁化率μｍａｘは、実験前の試料において０．００１８であったのに対して、実験後の試料においては０．００２５に増加していた。ａ軸方向では、残留磁化、最大磁化率μｍａｘの値は、実験前と実験後で大きな変化はなかったが、ヒステリシスループにおいて実験後の試料では緩やかなカーブが確認された。これらの結果は、重力印加の影響を受けて、結晶構造が正方晶に転移したためだと考えられる。
【表２】
2015073952.tif 000004
【００４７】
実験前と実験後の試料に対しラマン分光測定を実施した。その測定の結果を図５に示した。図５において、（Ａ）が実験前の試料の結果であり、（Ｂ）が実験後の試料の結果である。実験前の試料のラマンスペクトルでは、２９７，５３８，６６８ｃｍ−１にピークが見られた。実験後の試料のラマンスペクトルでは、１９０，２９９，３３５，５４１，６６５ｃｍ−１にピークが見られた。実験後の試料では、新しい２つのピークが現れた。これは、実験後の試料では、結晶構造の対称性が減少し、正方晶になったためだと考えられる。
【００４８】
（実施例２）
試料として、[０００１]方向に揃えられたヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）の単結晶試料を用意した。試料を、ロータによって発生する重力場が[０００１]方向と平行となるように、ロータに配置（固定）した。その後、ロータを高速に回転駆動し、その高速回転によって発生する遠心力を重力として試料に印加した。このとき、試料を融点より極めて低い４００度に加熱し、回転速度１０万ｒｐｍ、最大加速度約３７万Ｇで、２４時間、回転した。
【００４９】
実験後と実験前の試料に対し、Ｘ線回折装置を用いてＸ線回折を実施し、単結晶構造解析を行った。これにより得られた単結晶構造解析結果を表３に示した。実験後の試料では、[０００１]方向の格子定数が、通常のヘマタイトの格子定数よりも小さくなっており、結晶構造が、実験前の試料の結晶構造を[０００１]方向に圧縮した構造となっていた。
【表３】
2015073952.tif 000005
【００５０】
実験後と実験前の試料に対し、超伝導量子干渉磁束計を用いて磁気特性を測定した。実験温度を３００Ｋとした。実験後と実験前のｃ軸方向（重力印加方向）の測定結果を図６に、ａ軸方向の測定結果を図７に示した。図６、図７において、（Ａ）が実験前の試料の結果であり、（Ｂ）が実験後の試料の結果である。重力印加方向はｃ軸方向である。ｃ軸方向では、実験前と比べて、実験後では、最大磁化率μｍａｘが著しく増加していた。ａ軸方向では、最大磁化率μｍａｘの値は、実験前と実験後で大きな変化は見られなかった。これらの結果は、重力印加の影響を受けて結晶構造が変形したために、キャント磁性構造にゆがみが生じたためだと考えられる。
【００５１】
（実施例３）
試料として、[１１−２０]方向に揃えられたヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）の単結晶試料を用意した。試料を、ロータによって発生する重力場が[１１−２０]方向と平行となるように、ロータに配置（固定）した。その後、ロータを高速に回転駆動し、その高速回転によって発生する遠心力を重力として試料に印加した。このとき、試料を融点より極めて低い４００度に加熱し、回転速度１０万ｒｐｍ、最大加速度約３７万Ｇで、２４時間、回転した。
【００５２】
実験後と実験前の試料に対し、Ｘ線回折装置を用いてＸ線回折を実施し、単結晶構造解析を行った。これにより得られた単結晶構造解析結果を表４に示した。実験後の試料では、[１１−２０]方向の格子定数が、通常のヘマタイトの格子定数よりも小さくなっており、結晶構造が、実験前の試料の結晶構造を[[１１−２０]方向に圧縮した構造となっていた。
【表４】
2015073952.tif 000006
【００５３】
実験後と実験前の試料に対し、超伝導量子干渉磁束計を用いて磁気特性を測定した。実験温度を３００Ｋとした。実験後と実験前のｃ軸方向の測定結果を図８に、ａ軸方向の測定結果を図９に示した。図８、図９において、（Ａ）が実験前の試料の結果であり、（Ｂ）が実験後の試料の結果である。重力印加方向はａ軸方向である。ｃ軸方向およびａ軸方向ともに、実験前と比べて、実験後では、著しい変化を確認できた。これらの結果は、重力印加の影響を受けて結晶構造が変形したために、キャント磁性構造にゆがみが生じたためだと考えられる。
【００５４】
（実施例４）
試料として、[００１]方向に揃えられたＧａＳｂの単結晶試料を用意した。試料を、ロータによって発生する重力場が[００１]方向と平行となるように、ロータに配置（固定）した。その後、ロータを高速に回転駆動し、その高速回転によって発生する遠心力を重力として試料に印加した。このとき、試料を融点より極めて低い４００度に加熱し、回転速度１０万ｒｐｍ、最大加速度約３７万Ｇで、２４時間、回転した。
【００５５】
実験後と実験前の試料に対し、Ｘ線回折装置を用いてＸＲＤ回折分析を実施し、単結晶構造解析を行った。これにより得られた単結晶構造解析結果を図１０に示した。実験後の試料では、新たなピークが多数見受けられた。これは結晶構造が変化したことを示唆するものである。また、実験後と実験前の試料に対し、Ｘ線回折装置を用いてＸ線回折を実施し、単結晶構造解析を行った。これにより得られた単結晶構造解析結果を表５に示した。通常のＧａＳｂの結晶構造は立方晶である。しかし、実験後の試料の結晶構造は斜方晶であった。重力処理により結晶構造が転移したことが分かった。
【表５】
2015073952.tif 000007
【００５６】
（実施例５）
試料として、[００１]方向に揃えられたＺｎＯの単結晶試料を用意した。試料を、ロータによって発生する重力場が[００１]方向と平行となるように、ロータに配置（固定）した。その後、ロータを高速に回転駆動し、その高速回転によって発生する遠心力を重力として試料に印加した。このとき、試料を融点より極めて低い４００度に加熱し、回転速度１２万ｒｐｍ、最大加速度約５５万Ｇで、２４時間、回転した。
【００５７】
実験後と実験前の試料に対し、Ｘ線回折装置を用いてＸＲＤ回折分析を実施し、単結晶構造解析を行った。これにより得られた単結晶構造解析結果を図１１に示した。実験後の試料では、新たなピークが多数見受けられた。これは、結晶構造が変化したことを示唆するものである。
【００５８】
（実施例６）
試料として、[００１]方向に揃えられたＢｉＳｒＣａＣｕＯの単結晶試料を用意した。試料を、ロータによって発生する重力場が[００１]方向と平行となるように、ロータに配置（固定）した。その後、ロータを高速に回転駆動し、その高速回転によって発生する遠心力を重力として試料に印加した。このとき、試料を融点より極めて低い４００度に加熱し、回転速度１２万ｒｐｍ、最大加速度約５５万Ｇで、２４時間、回転した。
【００５９】
実験後と実験前の試料に対し、Ｘ線回折装置を用いてＸＲＤ回折分析を実施し、単結晶構造解析を行った。これにより得られた単結晶構造解析結果を図１２に示した。実験後の試料では、新たなピークが多数見受けられた。これは、結晶構造が変化したことを示唆するものである。
【００６０】
（実施例７）
試料として、[００１]方向に揃えられたＢｉＴｉＯ３の単結晶試料を用意した。試料を、ロータによって発生する重力場が[００１]方向と平行となるように、ロータに配置（固定）した。その後、ロータを高速に回転駆動し、その高速回転によって発生する遠心力を重力として試料に印加した。このとき、試料を融点より極めて低い１８０度に加熱し、回転速度１０万ｒｐｍ、最大加速度約３７万Ｇで、２４時間、回転した。
【００６１】
実験後と実験前の試料に対し、４軸型単結晶構造解析装置を用いてＸ線回折を実施し、このデータを元にＲＡＤＹを用いて単結晶構造解析を行った。これにより得られた単結晶構造解析結果を表６に示した。図１３に、実験後の試料の単位格子を示し、図１４に、実験後の試料の単位格子をｂ軸方向から観察した簡略図を示した。表７には、実験前の試料と実験後の試料の原子座標を示し、表８には、実験前の試料と実験後の試料の温度因子を示した。表９には、実験前の試料と実験後の試料の原子間結合距離と結合角度を示した。
【表６】
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【表７】
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【表８】
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【表９】
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【００６２】
実験前の試料と実験後の試料の結晶構造はどちらも正方晶であった。しかし、単位格子内において変位が確認された。原子量の一番軽いＯイオンが重力とは逆方向に大きく変位し、Ｔｉが僅かに変位している。この変位は、誘電体性能向上へつながるものである。
【符号の説明】
【００６３】
１０…ロータ、１０Ａ…開口、１０Ｂ…内部空間、１０Ｃ…設置面、１０Ｄ…底面、１０Ｅ…上面、２０…試料、ＡＸ…軸。
【図１Ａ】
2015073952.tif 000012
【図１Ｂ】
2015073952.tif 000013
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2015073952.tif 000015
【図３】
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【図４】
2015073952.tif 000017
【図５】
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【図６】
2015073952.tif 000019
【図７】
2015073952.tif 000020
【図８】
2015073952.tif 000021
【図９】
2015073952.tif 000022
【図１０】
2015073952.tif 000023
【図１１】
2015073952.tif 000024
【図１２】
2015073952.tif 000025
【図１３】
2015073952.tif 000026
【図１４】
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