(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材に磁気構造体を形成する方法であって、
各粒子のコアに金属層を蒸着させて、少なくとも一部が該金属層で覆われたコアを備える複数の磁性粒子を形成するステップと、
マトリクスを形成するよう前記基材にマトリクス材を蒸着するステップと、
前記マトリクスが形成される際に該マトリクスに前記磁性粒子を蒸着して該磁性粒子を前記マトリクス中に埋め込むステップと、を含み、
前記マトリクス材および前記コアの少なくとも一方は強磁性材料からなり、前記コア及び前記金属層が異種材料からなる、磁気構造体の形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気構造体の形成方法であって、磁性粒子を蒸着する前記ステップが磁性ナノ粒子を蒸着するステップを備える、磁気構造体の形成方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁気構造体の形成方法であって、前記マトリクス材が前記金属層と同一材料からなる、磁気構造体の形成方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気構造体の形成方法であって、前記マトリクス材が遷移金属又は希土類金属の１つである、磁気構造体の形成方法。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気構造体の形成方法であって、前記マトリクス材が強磁性遷移金属及び反磁性遷移金属の１つである、磁気構造体の形成方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気構造体の形成方法であって、各磁性粒子が、強磁性遷移金属から形成されるコアと、強磁性遷移金属層及び反磁性遷移金属層の一方とを備える、磁気構造体の形成方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気構造体の形成方法であって、各磁性粒子の直径は、１００ｎｍ、６０ｎｍ、３０ｎｍ、２０ｎｍ、１５ｎｍ又は１０ｎｍ以下である、磁気構造体の形成方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気構造体の形成方法であって、各磁性粒子の直径は、１ｎｍ〜５ｎｍである、磁気構造体の形成方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁気構造体の形成方法であって、前記マトリクスが形成される際に該マトリクスに入射する磁性粒子のビームを発生させるステップを含む、磁気構造体の形成方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁気構造体の形成方法であって、前記基材に入射するマトリクス材の原子ビームを発生させるステップを含む、磁気構造体の形成方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁気構造体の形成方法であって、各磁性粒子が前記コアに複数の層を備え、該複数の層が相互に異なる又は同一の材料から形成される、磁気構造体の形成方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁気構造体の形成方法であって、各磁性粒子が、少なくとも一部が反強磁性材料層で覆われた遷移金属からなるコアを備え、前記マトリクス材が希土類金属であり、随意に、前記反強磁性材料層が反強磁性遷移金属から形成され、前記コアが強磁性遷移金属から形成される、磁気構造体の形成方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の磁気構造体の形成方法であって、各磁性粒子が反強磁性材料層の少なくとも一部を覆う第２の層を備え、該第２の層が希土類金属から形成され、随意に、前記第２の層及び前記マトリクスが同一の希土類金属からなる、磁気構造体の形成方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の磁気構造体の形成方法であって、固体マトリクスを形成するべくマトリクス材を基材に蒸着するステップと、前記固体マトリクスが形成される際に該固体マトリクスに反磁性遷移金属層を備える磁性粒子を蒸着するステップと、このように形成された磁気構造体の温度を上昇させるステップとを含み、磁性粒子を含む液体を形成し、随意に、前記反磁性遷移金属が第１１族遷移金属であり、前記マトリクス材が極性分子化合物を含む、磁気構造体の形成方法。
【請求項１５】
基材に磁気構造体を形成するための装置であって、
各磁性粒子のコアに金属層を蒸着するよう動作可能である蒸発器と、
マトリクスを形成するために前記基材にマトリクス材を蒸着するよう操作可能であるマトリクス材の供給源と、
前記マトリクスが形成される際に該マトリクスに磁性粒子を蒸着して該磁性粒子を前記マトリクスに埋め込むよう操作可能である磁性粒子の供給源と、を備え、
各磁性粒子は、少なくとも一部が金属層で覆われたコアを備え、前記マトリクス材及び前記コアの少なくとも一方が強磁性材料であり、前記コア及び前記金属層が異種材料からなる、磁気構造体の形成装置。
【請求項１６】
基材上に蒸着されたマトリクス材及び磁性粒子から構成される磁気構造体の形成において用いられる磁性粒子であって、前記磁性粒子が、少なくとも一部が金属層で覆われたコアを備え、前記マトリクス材及び前記コアの少なくとも一方が強磁性材料からなり、前記コア及び前記金属層が異種材料からなり、各磁性粒子の直径は、１ｎｍ〜５ｎｍであり、金属複合体の前記コア／前記金属層は、鉄／コバルト、コバルト／鉄、鉄／銀、コバルト／銀、鉄／金及びコバルト／金から成る群から選択される、磁気構造体形成用の磁性粒子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気構造体を形成するための方法および装置に関する。磁気構造体とは、専らマトリクスに埋め込まれたナノ粒子ではなく、マトリクスに埋め込まれた粒子を備えるものである。本発明は、さらに、かかる方法又は装置によって形成された磁気構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性材料は、最新技術において広く利用されており、略すべての電気機械装置に用いられている。保磁力やエネルギー積のような磁性材料の二次パラメータに関する性能は、前世紀に亘って大幅に改善されてきた。それにも関わらず、磁性材料の最も基本的な特性、すなわち、形成される磁場の強さを決定する飽和磁化については僅かな改善しかなされていない。電気機械装置に用いられる殆どの磁性材料、すなわちＦｅ６０Ｃｏ４０合金は１９２０年代から利用可能であり、ごく最近までこれより高い磁化を有する材料は発見されていなかった。
【０００３】
飽和磁化の最も直接的な尺度は、ボーア磁子（μＢ）で特定される原子あたりの磁気モーメントである。純鉄の磁気モーメントが原子あたり２．２２μＢである一方で、Ｆｅ６０Ｃｏ４０合金の磁気モーメントは、原子あたり２．４５μＢである。後者の値、すなわち原子あたり２．４５μＢの磁気モーメントは、スレーター・ポーリングの制限と呼ばれ、遷移金属合金から得られる最大の磁化であると信じられてきた。一般に、電気機械装置の効率性は、磁性材料の磁化の二乗分向上する。従って、たとえ僅かであっても磁化が増すことは、特に、電気自動車や風力発電等のグリーン技術分野において価値がある。
【０００４】
１９９０年代初頭の、１〜５ｎｍの直径を有するナノ粒子の蒸着を可能にした気相ナノ粒子源の開発において、約５ｎｍ以下の直径を有する鉄、コバルトおよびニッケルナノ粒子の原子あたりの磁気モーメントが、同一材料から形成されるバルク構造体よりも有意に高いことが発見された。その結果、鉄およびコバルトの一方のナノ粒子が鉄およびコバルトの他方のマトリクスに埋め込まれた磁気構造体が、Ｆｅ６０Ｃｏ４０合金を超える磁化を有する構造として開発され、スレーター・ポーリングの制限を初めて打ち破った。図１Ａは、かかる磁気構造体の形成方法を例示している。図１Ａに示すように、磁気構造体１０は、クラスタソース１６からの鉄ナノ粒子１４と、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）ソース２０からのコバルトマトリクス材１８とを基材１２に共蒸着させることによって形成される。鉄ナノ粒子とコバルトマトリクス材を共蒸着させることにより、鉄ナノ粒子がコバルトマトリクスに分散して埋め込まれた構造が得られる。代替的方法によれば、コバルトナノ粒子を鉄マトリクスに分散して埋め込んだ磁気構造体が、クラスタソースからのコバルトナノ粒子と、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）ソースからの鉄マトリクス材とを共蒸着させることによって形成される。
【０００５】
コバルトマトリクスに鉄ナノ粒子を有する構造、及び鉄マトリクスにコバルトナノ粒子を有する構造の各々における原子当たりの磁気モーメントを、鉄の体積分率の関数として図１Ｂに示す。図１Ｂは、鉄の体積分率の関数としての、Ｆｅ６０Ｃｏ４０合金のスレーター・ポーリング曲線も示している。図１Ｂにみられるように、鉄マトリクスにコバルトナノ粒子を埋め込んだ構造が原子当たり３μＢに近づく値となり、最良の結果をもたらしている。鉄の体積分率が低い場合でも、コバルトマトリクスに埋め込まれた鉄ナノ粒子における原子あたりの磁気モーメントは、スレーター・ポーリング曲線によって定義された対応値を超えている。この改善は、材料の基本的な構成要素によって既に磁化が高まっていること、また、マトリクスそれ自体が強化されたモーメントをもたらすナノ構造を有していることに起因する。より具体的には、ナノ構造の表面または界面では原子の割合が高く（現時点の構造では５０％に近づいている）、このような原子の各々ではスピンおよび軌道モーメントが増強されている。一方で、図１Ｂのグラフの左側半分にみられるように、磁化は、浸透限界である約２０％を超える鉄体積分率にてスレーター・ポーリング曲線を下回る。
【０００６】
本発明者らは、より高い鉄の体積分率にて鉄ナノ粒子が高レベルに凝集すると、巨視的粒子の相分離混合物が生成される結果、磁化は、コバルトの磁気モーメントの荷重平均（原子あたり１．７μＢ）及び鉄の磁気モーメントの加重平均（原子あたり２．２２μＢ）まで低下することを知見した。これが、図１Ｂに見られるように、磁化がスレーター・ポーリング曲線を下回る理由である。本発明者らは、さらに、顕著な凝集なしにナノ粒子の体積分率を増加させることによって性能を改善できることを知見した。
【０００７】
本発明は、上記知見に照らして考案されたものである。従って、本発明の目的は、磁性粒子及びより具体的にはマトリクスに埋め込まれた磁性ナノ粒子を備える磁気構造体を形成するための改良法を提供することにある。本発明の目的は、さらに、磁性粒子及びより具体的にはマトリクスに埋め込まれた磁性ナノ粒子を備える磁気構造体を形成するための改良された装置を提供することにある。本発明の目的は、さらに、磁性粒子及びより具体的にはマトリクスに埋め込まれた磁性ナノ粒子を備える改良された磁気構造体を提供することにある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１態様によれば、基材に磁気構造体を形成する方法であって、マトリクスを形成するよう前記基材にマトリクス材を蒸着するステップと、前記マトリクスが形成される際に該マトリクスに磁性粒子を蒸着して該磁性粒子を前記マトリクス中に埋め込むステップと、を含み、各磁性粒子が、少なくとも一部が金属層で覆われたコアを備え、前記マトリクス材および前記コアの少なくとも一方は強磁性材料からなり、前記コア及び前記金属層が異種材料からなる、磁気構造体の形成方法が提供される。
【０００９】
使用において、マトリクス材及び磁性粒子は、磁性粒子が埋め込まれた基材上にマトリクスを形成するよう蒸着される。マトリクス材及び磁性粒子は同時に蒸着することができ、例えば、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）ソースのようなマトリクス材の供給源と、熱ガス凝集ソースのような磁性粒子の供給源とを同時に操作する方法がある。磁気構造体は、かかる方法によって、磁性粒子がマトリクス内に拡散し且つ埋め込まれるよう形成することができる。磁気構造体は、一般に、基材上に薄膜として形成される。磁性粒子のコアの少なくとも一部を、該コアとは異なる材料組成の金属層で覆うことにより、当該コアが、パーコレーション閾値よりも高い粒子体積分率にて接触する可能性を低減する。従って、磁性粒子の凝集は減少し、金属層を欠く磁性粒子から形成された構造上にて磁化が増す。
【００１０】
本発明の方法は、マトリクスにナノ粒子を蒸着するのに適し得る。それ故、磁性粒子を蒸着するステップは、磁性ナノ粒子を蒸着するステップを含むことができる。各磁性粒子の直径は、実質的に１００ｎｍ，６０ｎｍ，３０ｎｍ，２０ｎｍ，１５ｎｍ又は１０ｎｍ以下である。実質的に１ｎｍ〜５ｎｍの直径を有する磁性ナノ粒子の原子当たりの磁気モーメントは、同じ材料から形成されたバルク構造の磁気モーメントよりも有意に高いことが判明した。従って、各磁性粒子の直径は、実質的に５ｎｍ，４ｎｍ，２ｎｍ又は１ｎｍ以下とすることができる。各磁性粒子の直径は、実質的に０．５ｎｍ，１ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍ又は４ｎｍを超えていてもよい。金属層の厚さは、実質的に４ｎｍ，２ｎｍ，１ｎｍ，０．８ｎｍ，０．６ｎｍ，０．４ｎｍ又は０．２ｎｍ以下とすることができる。原子層の観点から金属層の厚さを考慮すると、金属層の厚さは、例えば１０，８，６，４，２又は１原子層のように、１〜１０原子層の間とすることができる。例えば、コアの直径が実質的に５ｎｍの場合、例えば、金属層を実質的に０．２ｎｍ厚の単層の原子層としてもよい。
【００１１】
金属層は、実質的にコアを覆うことができ、金属層の表面によって磁性粒子の外表面が画定される。マトリクス材は、金属層と同一材料とすることができる。例えば、各磁性粒子の鉄コアの少なくとも一部をコバルト層で覆った場合に、マトリクス材をコバルトとすることができる。他の例では、各磁性粒子のコバルトコアの少なくとも一部を金の層で覆った場合に、マトリクス材を金とすることができる。金属層とマトリクス材に同一材料を用いることは、ハイパーマグ（高磁気）への応用に有利である。金属層とマトリクス材に同一材料を用いることにより、パーコレーション閾値よりもはるかに高い体積分率においても、磁性粒子のコアが接触する可能性を低減することができる。
【００１２】
コアは、強磁性元素のような強磁性材料から形成することができる。より具体的には、強磁性材料は、鉄、コバルト及びニッケルの１つのような強磁性遷移金属とすることができる。マトリクス材は、金属、より具体的には、遷移金属及び希土類金属の１つとすることができる。コア及びマトリクス材は、異種材料から形成してもよい。マトリクス材が遷移金属である場合、該遷移金属は強磁性や反磁性とすることができる。金属層は、遷移金属又は希土類金属の１つとすることができる。金属層は、強磁性遷移金属や反磁性遷移金属とすることができる。ハイパーマグの応用においては、各磁性粒子が強磁性遷移金属から形成されたコアと、強磁性遷移金属層又は反磁性遷移金属層のいずれかと、を含むことが好ましい。反磁性遷移金属は、金や銀等の第１１族金属とすることができる。このようにして、ハイパーマグの応用に用いるコア／金属層の複合体は、鉄／コバルト，コバルト／鉄，鉄／銀，コバルト／銀，鉄／金又はコバルト／金とすることができる。上述のとおり、金属層及びマトリクス材に同一材料を用いることはハイパーマグの応用において有利であり、その結果、マトリクスが強磁性遷移金属又は反磁性遷移金属と一致する金属層から形成される。
【００１３】
磁性粒子の蒸着は、気相中の磁性粒子を真空アシスト蒸着する方法、より具体的には、気相磁性粒子のビームを蒸着する方法で行うことができる。このように、本発明の方法は、マトリクスを形成する際に該マトリクスに照射するための磁性粒子のビームを発生させるステップを含むことができる。当該ビームは、気相源、より具体的にはガス凝集ソースのようなクラスタビームソースによって生成することができる。気相源は、粒子の金属層で覆われていないコアのビームを生成するよう動作可能である。金属層は、以下に説明するように、各コアに設けることができる。気相源の異なる形態では、最適なフラックス（出力）レベルで動作する場合にサイズ範囲の異なる粒子が生成される。スパッタガス凝集源は、最適なフラックスレベルにて動作する際、通常、約１０ｎｍの直径を有する粒子を生成する。熱ガス凝集源は、最適なフラックスレベルにて作動する場合、通常、約２ｎｍの直径を有するより小さい粒子を生成する。熱ガス凝集源は、多くの場合、高性能の磁気構造体（所謂、ハイパーマグ）の形成に好適である。マトリクス材の蒸着は、気相中のマトリクス材の真空アシスト蒸着によって、より具体的には、マトリクス材の原子ビームの蒸着によって行うことができる。本発明の方法は、このように、基材に照射するマトリクス材の原子ビームを発生させるステップを含むことができる。原子ビームは、蒸発によって生成することができ、例えば、ＭＢＥソースやスパッタリングのような熱蒸発器によって生成することができる。蒸発器で生成されるマトリクス材の原子ビーム、及びクラスタソースで生成される磁性粒子のビームによる磁気構造体の形成は、該磁気構造体における結晶粒径及び体積分率を独立して制御できるという利点を提供することができる。
【００１４】
本発明の工程は、各磁性粒子のコアに金属層を蒸着するステップをさらに含むことができる。金属層の蒸着は、金属蒸気を真空アシスト蒸着させることによって行うことができる。金属蒸気は、従って、粒子コアのソースと同じ真空内にて提供することができる。金属蒸気は、熱蒸発器のような蒸発器によって生成可能である。熱蒸発器の温度は、蒸着する金属に応じて決定することができ、例えば、銀の場合は８００℃であり、鉄の場合は１０００℃である。金属層の厚さは、熱蒸発器の動作温度を変化させることによって制御可能であり、それを考慮して、通常は粒子コアのビームの速度を変更することができない。蒸発器は、粒子コアの発生源と基材との間に配置できる。さらに、蒸発器は、粒子コアのビームが通過するスペースを画定するよう構成可能であり、また、該スペース内に金属の蒸気を生成するよう動作可能とすることによって各粒子コアの表面に蒸気を当てる。蒸発器は、粒子コアのビームを取り囲むように構成してもよい。蒸発器は、従って、粒子コアの表面全体の被覆率を改善することができる。蒸発器は、例えば、粒子コアのビームが通過するチューブを画定してもよい。本発明の方法は、磁性粒子のビームをマトリクス上に蒸着するに先立ち、該ビームを加速するステップをさらに備えることができる。加速するステップは、金属層を蒸着するステップの後に行うことができる。加速するステップは、磁性粒子のビームと相互作用するよう構成された装置によって達成することができる。例えば、ベンチュリを使用できる。
【００１５】
各磁性粒子は、コア上に複数の層を備えることができる。複数の層は、相互に異なる又は同一の材料から形成可能である。本発明の方法は、従って、各層を蒸着するステップを含む。各層の蒸着は、上述のように、熱蒸発器からの真空アシスト蒸着によるものとすることができる。複数の蒸発器は、一直線上に配置することができ、これにより、例えば、第１蒸発器によって第１の層が蒸着され、第２蒸発器によって第２の層が蒸着される。
【００１６】
重希土類金属は、遷移金属に比し磁気モーメントがより大きい。例えば、ジスプロシウムの磁気モーメントは原子当たり１０μＢである。一般に、希土類金属は、殆どの希土類金属のキュリー温度が室温以下であるといったようにキュリー温度が低く、またその磁気硬度に起因して飽和を達成するために非常に強力な磁場を必要とするため、技術的使用に制限がある。遷移金属を混入することによってキュリー温度が上昇し、希土類金属及び遷移金属の複合体は磁気的に穏やかになる。一方で、遷移金属は希土類金属とは磁気的に逆方向に分極するため、遷移金属の体積分率が増加する際、複合体のモーメントは迅速に低下する。この問題は、上述の構造を有する磁性粒子を用いることによって対処し得る。各磁性粒子は、少なくとも一部が反強磁性材料層、より具体的にはクロムやマンガンのような反強磁性遷移金属層で覆われた遷移金属から形成されるコアを備えることができる。マトリクス材は、ジスプロシウムやホルミウムのような希土類金属とすることができる。コアは、鉄やコバルトのような反強磁性遷移金属から形成することができる。反強磁性材料層は、希土類マトリクスの磁気モーメントと、遷移金属コアと、に平行なアライメントを促す。反強磁性金属層の厚さは、１０，８，６，４，２又は１原子層以下のような、１〜１０原子層の間とすることができる。さらに、各磁性粒子は、反強磁性材料層の少なくとも一部を覆う第２の層を備えることができ、該第２の層は希土類金属から形成される。より具体的には、第２の層及びマトリクスは、同一の希土類金属であってもよい。第２の層の厚さは、１０，８，６，４，２又は１原子層以下のような、１〜１０原子層の間とすることができる。第２の層を提供することにより、磁気構造体における磁性粒子の凝集を減少させることができる。
【００１７】
磁気構造体が形成された基材は、製品の一部を形成する部品又は製品の一部を構成することができる。例えば、磁気構造体は、オープンリール式のコーティング装置における材料ロールの一部に形成可能である。さらに他の実施例では、基材は、電気モータや携帯電話のような製品の一部を形成する部品又は製品の一部とすることができる。上述したように、磁気構造体は、一般に、基板上の薄膜として形成される。バルク構造のような磁気構造体の形成は、通常、より簡単に達成することができる。それにも関わらず、磁気構造体は、電気機械装置等の要所のような重要な磁気コンポーネント上に形成することもでき、該磁気コンポーネントの磁場を増幅する。
【００１８】
本発明者らは、コア及び金属層を有する磁性粒子を備える磁気構造体の形成は、本明細書に記載したものよりも広域に応用可能であると理解している。例えば、金や銀を、磁性粒子のコアの第１の層又は実質的な層として用いることの利点は、かかる磁性粒子を、液体窒素で冷却された氷のマトリクスに蒸着できる点にある。磁性粒子が埋め込まれたマトリクスが完成すると温度上昇させることができ、得られた磁性粒子が含有する液体を、該マトリクスの所望の表面に噴霧することによって磁性粒子を蒸着させる。本発明の方法は、従って、固体マトリクスを形成するべくマトリクス材を基材に蒸着するステップと、反磁性遷移金属層を備える磁性粒子をマトリクスの形態としてマトリクスに蒸着するステップと、液体を含有する磁性粒子を形成するべく形成された磁気構造体の温度を上昇させるステップと、を含む。反磁性遷移金属は、金や銀のような第１１族金属である。本発明の方法は、例えば室温等の周囲温度にて、液体状のマトリクス材を、固体状のマトリクスを形成するような環境にある基材に蒸着するステップを含むことができる。固体状のマトリクスを形成するような環境は、温度及び気圧の少なくとも一方を制御することによって実現できる。この環境は、冷凍装置のような温度低減装置を用いて実現できる。マトリクス材は、水のような化合物、より具体的には極性分子化合物を含むことができる。
【００１９】
本発明の第２態様は、基材に磁気構造体を形成するための装置であって、マトリクスを形成するために前記基材にマトリクス材を蒸着するよう操作可能であるマトリクス材の供給源と、前記マトリクスが形成される際に該マトリクスに磁性粒子を蒸着して該磁性粒子を前記マトリクスに埋め込むよう操作可能である磁性粒子の供給源と、を備え、各磁性粒子が少なくとも一部が金属層で覆われたコアを備え、前記マトリクス材及び前記コアの少なくとも一方が強磁性材料であり、前記コア及び前記金属層が異種材料からなる、磁気構造体の形成装置を提供する。
【００２０】
使用中、マトリクス材の供給源及び磁性粒子の供給源は同時に動作して、マトリクス材及び磁性粒子を同時に蒸着する。マトリクス材の供給源及び磁性粒子の供給源は、マトリクス材のビーム及び磁性粒子のビームを基材に向けるよう構成されている。これによって磁性粒子が埋め込まれたマトリクスが形成される。磁性粒子の供給源は、気相源、より具体的には気相凝集ソースのようなクラスタビームソースを備えることができる。マトリクス材の供給源は、蒸発器、例えば、ＭＢＥソース又はスパッタリング装置のような熱蒸発器を備えることができる。
【００２１】
形成装置は、さらに、熱蒸発器のような蒸発器であって、各磁性粒子のコアに金属層を蒸着するよう動作可能な蒸発器を備えることができる。蒸発器は、各磁性粒子の粒子コアの供給源及び基材間に配置される。さらに、蒸発器は、粒子コアのビームが通過するスペースを画定するよう構成可能であり、また、該スペース内に金属の蒸気を生成するよう動作可能であることによって各粒子コアの表面に蒸気が当たる。形成装置は、さらに、磁性粒子をマトリクス上に蒸着するに先立ち、磁性粒子のビームを加速するよう動作可能であるベンチュリのような構成を備えることができる。形成装置は、さらに、基材上にマトリクスが形成された際に、マトリクスの温度を低減するよう動作可能である冷凍装置のような、温度を低減する構成を備えることができる。
【００２２】
さらに、本発明の第２態様は、本発明の第１態様の１つ以上の特徴を備えることができる。
【００２３】
本発明の第３態様は、基材に形成された磁気構造体であって、マトリクス材からなるマトリクス及び該マトリクスに埋め込まれた磁性粒子を備え、各磁性粒子が、少なくとも一部が金属層で覆われたコアを備え、前記マトリクス材及び前記コアの少なくとも一方が強磁性材料からなり、前記コア及び前記金属層が異種材料からなる、磁気構造体を提供する。
【００２４】
本発明の第３態様は、本発明の第１態様の１つ以上の特徴を備えることができる。
【００２５】
本発明の第４態様は、構成要素を備える製品であって、該構成要素が本発明の第３態様に従う磁気構造体を備える製品を提供する。上記製品とは、例えば、電気モータや携帯電話等であり、上記構成要素とは、磁気装置等である。本発明の第４態様は、本発明の第１態様の１つ以上の特徴を備えることができる。
【００２６】
本発明のさらなる態様は、基材に磁性構造体を形成する方法であって、マトリクスを形成するよう基材にマトリクス材を蒸着するステップと、前記マトリクスが形成された際に該マトリクスに磁性粒子を埋め込むよう該マトリクス上に磁性粒子を蒸着するステップと、を含み、各磁性粒子が、少なくとも一部が金属層で覆われたコアを備える、磁性構造体の形成方法を提供する。本発明のさらに他の態様は、本発明の第１態様の１つ以上の特徴を備えることができる。
【００２７】
ここに、本発明を例示する以下の図面を参照しながら本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】従来の磁気構造体の形成を示す図である。
【図１Ｂ】コバルトマトリクス内に鉄ナノ粒子を有する磁気構造体、及び鉄マトリクス内にコバルトナノ粒子を有する磁気構造体における、鉄体積分率の関数としての原子あたりの磁性モーメントのグラフを含む図である。
【図２Ａ】本発明に従う磁気構造体を形成するための形成装置のブロック図である。
【図２Ｂ】ナノ粒子のコアをコーティングする装置を示す図である。
【図３】鉄コア、クロムよりなる第１の層、及び希土類金属よりなる第２の外層を有するナノ粒子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１Ａ，図１Ｂを参照すると、強磁性遷移金属からなる粒子が埋め込まれたマトリクスを備える、既知の磁気構造体を形成するための装置及び方法が示されている。
【００３０】
本発明について説明すれば、図２Ａは、本発明に従う磁気構造体を形成するための形成装置３０を示すブロック図である。形成装置３０は、ＭＢＥソース３２、熱ガス凝集ソース３４、第１熱蒸発器３６、第２熱蒸発器３４、及びベンチュリ４０を備えている。形成装置３０は、一実施形態において、基板４４及びその周辺を冷却するための液体窒素で作動する冷凍装置４２をさらに備えている。熱ガス凝集ソース３４及び第１，第２熱蒸発器３６，３８は、同一の真空中で動作する。以下にさらに説明するように、ＭＢＥソース３２はマトリクス材の原子ビームを生成するよう動作可能であり、熱ガス凝集ソース３４はナノ粒子ビームを生成するようＭＢＥソースと同時に動作することができる。２つのビームが基材４４に同時に蒸着すると、ナノ粒子がマトリクス内に拡散され埋め込まれた蒸着マトリクスからなる、薄膜マトリクスの形態の磁気構造体が形成される。基材４４は製品の部品又は製品の一部を構成することになる。一適用例によれば、基材４４は、オープンリール式のコーティング装置における材料ロールの一部を構成している。他の適用例によれば、基材４４は、電動モータや携帯電話等の部品又はこれらの一部を形成している。さらに他の適用例によれば、基材４４は、電子機械装置等における重要な磁性部品のいくつかの要所の１つを構成している。使用時、磁気構造体は磁性成分の磁場を増幅するよう動作する。
【００３１】
図２Ａに示す第１，第２熱蒸発器３６，３８は、同様の形態且つ機能を有している。図２Ｂには、第１，第２熱蒸発器５０の詳細図を示す。熱蒸発器５０は一般に管状であり、ナノ粒子ビームが通過するボアを画定している。熱蒸発器５０は、蒸発器を通過するナノ粒子の各々に層として蒸着されることになる純物質の管５２を含む。熱蒸発器５０は、純物質の管５２に隣接して該管５２を包囲する管状ヒータ５４をさらに備えている。水冷却熱シールド５６は、管状ヒータ５４の外向き面、該管状ヒータ５４の端面、及び純物質５２の管５２を覆っている。使用中、熱蒸発器５０は、該熱蒸発器のボア内にある材料純物質５２を気化するよう動作する。コーティングされていないナノ粒子５８のビームが熱蒸発器５０のボアの一方端にて受けられ、該ボア内の材料蒸気を通過すると、ナノ粒子５８は材料層でコーティングされる。コーティングされたナノ粒子６０は、熱蒸発器のボアの他方端から出ていく。形成装置３０の形態では、ナノ粒子は１層の材料層のみでコーティングされている。この形態では、図２Ａの装置における第２の熱蒸発器３８は存在しないか動作不能であるかのいずれかである。形成装置３０の他の形態において、ナノ粒子は、同種又は異種材料からなる第１の層及び第２の層でコーティングされている。この形態では、第１熱蒸発器３６，５０が第１材料５２の管を備え、第２熱蒸発器３８，５０が第１材料又は該第１材料とは異なる第２材料５２の管を備えている。形成装置３０のさらに他の形態において、ナノ粒子は、同種又は異種材料からなる第３層及びさらなる層でコーティングされている。この形態では、形成装置３０が、ナノ粒子に蒸着される層数に対応する数の熱蒸発器を備え、複数の熱蒸発器を一直線状に配置することにより、ナノ粒子のビームを熱蒸発器の各々のボアに順に通過させることができる。
【００３２】
ここで、磁気構造体を基材上に形成する方法の第１実施形態を、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明する。第１実施形態によれば、１層の材料層のみがナノ粒子に蒸着されている。従って、上述したように、図２Ａの第２熱蒸発器３８は存在しないか作動不能であるかのいずれかである。熱ガス凝集ソース３４は、１ｎｍ〜５ｎｍの直径を有する鉄ナノ粒子のビームを生成するよう動作可能である。鉄ナノ粒子の直径は、熱ガス凝集ソース３４の出力レベル及びガス圧を制御することによって決定される。鉄ナノ粒子のビームは、コバルトまたは銀のいずれかの管５２を備える第１熱蒸発器３６のボアを通過する。従って、鉄ナノ粒子の各々は、１〜１０原子層の厚さを有するコバルト又は銀のいずれかの層によってコーティングされる。第１熱蒸発器３６の動作温度は、蒸着する材料に応じて決定する。銀の動作温度は約８００℃である。上述したように、層厚は、制御不能であるナノ粒子の速度、及び温度に依存する。層厚を増したい場合には、動作温度を僅かに上昇させるだけでよい。蒸気圧は温度に対し非常に敏感であるからである。例えば、銀の層厚を２倍にするには、温度を約５０℃上昇させるだけでよい。このような複合ナノ粒子では、鉄がナノ粒子のコアを構成する。ＭＢＥソース３２が熱ガス凝集ソース３４と同時に動作してコバルト又は銀のいずれかの原子ビームを生成することによって、該原子ビームは、鉄ナノ粒子のコーティングと同様の材料となる。原子ビーム及びナノ粒子のビームを基材４４上に同時に蒸着すると、該原子ビームによって形成され、ナノ粒子が埋め込まれたマトリクスを備える磁気構造体が形成される。鉄コア上の材料層により、鉄コアが相互に接触する可能性が低減される。一例として、図１Ｂを参照して上述したように、コーティングされていないコアの性能と比較すると、鉄コアの直径が５ｎｍであり且つ０．２ｎｍの単層の原子層がコーティングされている場合、凝集せずともコアの体積分率を６６％まで上昇させることができるが、コーティングされていない鉄ナノ粒子を用いた場合においては約２０％である。
【００３３】
ここで、磁気構造体を基材上に形成する方法の第２実施形態を、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明する。第２実施形態によれば、２層の材料層がナノ粒子に蒸着されている。従って、上述した図２Ａの第２熱蒸発器３８は動作可能である。熱ガス凝集ソース３４は、１ｎｍ〜５ｎｍの直径を有するコバルトナノ粒子のビームを生成するよう動作可能である。コバルトナノ粒子の直径は、熱ガス凝集ソース３４の出力レベル及びガス圧を制御することによって決定される。コバルトナノ粒子のビームは、クロムまたはマンガンのような反強磁性材料の管５２を備える第１熱蒸発器３６のボアを通過する。従って、コバルトナノ粒子の各々は、１〜１０原子層の厚さを有するクロム又はマンガンのいずれかの層によってコーティングされる。その後、ナノ粒子は、一実施形態において、ホルミウムやジスプロシウムのような希土類金属からなる管５２を備える第２熱蒸発器３８のボアを通過する。従って、ナノ粒子の各々は、ホルミウム又はジスプロシウムからなる１〜１０原子層の厚さの第２の層でコーティングされる。他の実施形態において、ナノ粒子は、第１熱蒸発器３６と同様の反強磁性材料からなる管５２を備える第２熱蒸発器３８のボアを通過する。第１及び第２熱蒸発器３６，３８の動作温度は、蒸着する材料に応じて決定される。図３は、クロム及び希土類金属（すなわち、ホルミウム又はジスプロシウム）の各々の層でコーティングされたコバルトコアの斜視図を示している。図３は、コバルトからなるコア７２、該コバルトのコア上に直接形成されたクロム層、及び該クロム層上に直接形成されたホルミウム又はジスプロシウム外層を有する、コーティングされたナノ粒子７０の断面を示している。図３は、クロム層及びホルミウム又はジスプロシウム外層を蒸着した後の、ナノ粒子７８のビームをさらに示している。ＭＢＥソース３２は、ホルミウム又はジスプロシウムの原子ビームを生成するべく熱ガス凝集ソース３４と同時に動作可能であり、これによって原子ビームがコバルトナノ粒子上の外側コーティングと同様の材料となる。原子ビーム及びナノ粒子のビームを基材４４上に同時に蒸着すると、該原子ビームによって形成され、ナノ粒子が埋め込まれたマトリクスを備える磁気構造体が形成される。
【００３４】
ここで、磁気構造体を基材上に形成する方法の第３実施形態を、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明する。第３実施形態によれば、１層の材料層のみがナノ粒子に蒸着されている。従って、上述したように、図２Ａの第２熱蒸発器３８は存在しないか作動不能であるかのいずれかである。熱ガス凝集ソース３４は、１ｎｍ〜５ｎｍの直径を有する鉄ナノ粒子のビームを生成するよう動作可能である。鉄ナノ粒子のビームは、金又は銀のいずれかの管５２を備える第１熱蒸発器３６のボアを通過する。従って、鉄ナノ粒子の各々は、１〜１０原子層の厚さを有する金又は銀のいずれかの層によってコーティングされる。第１熱蒸発器３６の動作温度は、蒸着する材料に応じて決定する。熱蒸発器は、図２の装置においてＭＢＥソース３２の代わりに用いられている。熱蒸発器は水体上で動作可能であり、基材４４上に当たるよう水蒸気を向かわせる。基材が冷凍装置４２によって冷却されることにより、基材４４に当たる水蒸気は該基材４４上に氷として蒸着する。氷及びナノ粒子は、基材４４上に同時に蒸着すると、ナノ粒子が埋め込まれた氷のマトリクスを備える磁気構造体が形成される。磁気構造体が形成された際に温度を室温まで上昇させると、ナノ粒子を含む液体が提供される。液体は、所望の表面に拡散して基材上にナノ粒子を蒸着する。本実施形態は、液体でなければアクセスできない有機又は無機の目的地にハイパーマグ層を提供する、例えば医療分野等での応用に特に有用である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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