(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本構造として立方晶構造を有する基板と、
前記基板上に積層され、立方晶フェライト構造を有するコバルトフェライトからなる磁性体膜と、を備え、
前記磁性体膜の格子定数が、前記基板の格子定数の整数倍より結晶構造のミスマッチを解消できる程度に大きく、
前記磁性体膜のｃ軸方向の格子定数がａ軸方向の格子定数より大きい、磁性複合体。
【請求項２】
前記磁性体膜がスピネルフェライト構造を有する、請求項１に記載の磁性複合体。
【請求項３】
前記磁性体膜の膜厚が、１０〜２００ｎｍである、請求項１または２のいずれかに記載の磁性複合体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁性複合体を備えた高周波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性複合体及び高周波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性材料は、種々の磁気応用製品に用いられている。特に、絶縁性を有する磁性セラミックスであるフェライトは、高周波利用の機器に適した材料として注目が集まっている。
フェライトの高周波環境下での使用態様は、集積回路のインダクタンス素子、高周波ノイズを除去する電波吸収体等、多岐に渡っている。
【０００３】
高周波デバイスに用いられる磁性材料は、種々のものが知られている。
例えば、特許文献１には、六方晶マグネトプラムバイト型結晶構造を基本構造とする酸化物系イオン結晶磁性体が記載されている。
また例えば、特許文献２には、Ｃｏ−Ｆｅフェライト材料が記載されている。さらに、磁性粒子と樹脂との混合体を所定の形状にすることにより、磁性材料のエネルギー損失（磁気損失）を抑制できる高周波磁性材料が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３９７１７号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１／０７８０４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２等に記載された磁性体材料を用いても、数百ＭＨｚ〜ＧＨｚ帯における高周波領域では、十分な磁性特性を得ることができないという問題があった。
【０００６】
フェライトは、高周波まで一定の透磁率と低い磁気損失を維持することができるが、特定の周波数付近で透磁率（μ）が急減してしまう。この急減する周波数が、磁性体として実用可能な限界の周波数であり、スニークの限界と呼ばれている。
【０００７】
透磁率の急減は、磁気共鳴現象（自然共鳴）によって生じる。磁気共鳴現象とは、磁性体の磁気モーメントの歳差運動の周波数と印加した電磁場の周波数とが一致し、共鳴する現象を意味する。共鳴周波数を大きくするためには、磁気モーメントの歳差運動の周波数を変更する必要がある。歳差運動の周波数は、磁性体が有する磁気異方性定数に大きな影響を受ける。すなわち、自然共鳴の共鳴点をより高周波側に伸ばすためには異方性定数を高めることが求められている。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、大きな負の一軸異方性を有する磁性複合体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】
【０００９】
本発明者らは、鋭意検討の結果、基板上に積層するフェライトに圧縮歪を与えることで、フェライトの結晶構造をｃ軸方向に伸ばし、大きな負の一軸異方性を実現できることを見出し、本発明を完成させた。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【００１０】
（１）本発明の一態様にかかる磁性複合体は、基本構造として立方晶構造を有する基板と、前記基板上に積層され立方晶フェライト構造を有する磁性体膜と、を備え、前記磁性体膜のｃ軸方向の格子定数がａ軸方向の格子定数より大きい。
【００１１】
（２）上記（１）に記載の磁性複合体において、前記磁性体膜が、スピネルフェライト構造を有していてもよい。
【００１２】
（３）上記（１）または（２）のいずれかに記載の磁性複合体において、前記磁性体膜が、コバルトフェライトであってもよい。
【００１３】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の磁性複合体において、前記磁性体膜の膜厚が、１０〜２００ｎｍであってもよい。
【００１４】
（５）本発明の一態様にかかる高周波デバイスは、上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の磁性複合体を備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一態様にかかる磁性複合体を用いることで、大きな負の垂直磁気異方性を得ることができる。その結果、自然共鳴の共鳴周波数を大きくすることができる。すなわち、共鳴周波数以下の領域で好適に駆動することができる高周波デバイスを得ることができる。また共鳴周波数では電磁波を吸収するため、より高周波数域の電磁波を遮断することができる高周波フィルターを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一態様にかかる磁性複合体の断面模式図である。
【図２】基板及び磁性体膜をｃ軸方向から見た際の正方格子構造の違いを示す模式図である。
【図３】スピネルフェライトの結晶格子構造を模式的に示した図である。
【図４】負のイオンが８配位した遷移金属のｄ軌道のエネルギーレベルを模式的に示した図である。
【図５】実施例１のトルク測定の結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を適用した電気磁気効果部材について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００１８】
図１は、本発明の一態様に係る磁性複合体の断面模式図である。磁性複合体１０は、基板１と、磁性体膜２からなる。図１において、磁性体膜２の結晶成長方向がｃ軸方向であり、ｃ軸方向と垂直な面方向がａ軸及びｂ軸方向である。
【００１９】
基板１は、基本構造として立方晶構造を有する単結晶である。ここで、基本構造として立方晶構造を有するとは、立方格子、体心立方格子、面心立方格子のいずれかの単位構造を有することを意味する。基板１をｃ軸方向から平面視すると、正方格子構造を有している。基板１としては、例えばＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。
【００２０】
磁性体膜２は、立方晶フェライト構造を有する。立方晶フェライト構造としては、スピネル型構造、ガーネット型構造、ペロブスカイト構造等を用いることができる。磁性体膜２も基板１と同様、ｃ軸方向から平面視すると正方格子構造を有している。
【００２１】
磁性体膜２は、スピネル型構造を有するスピネルフェライトであることが好ましい。スピネルフェライトは、飽和磁化が大きく、強い磁界を発生させることができる。またスピネルフェライトは、単純な構造であり、原子置換の制御性も高い。
【００２２】
磁性体膜２は、磁気異方性が大きく、かつ磁化の大きなものであることが好ましい。そのため、構造内にＣｏ２＋を含むコバルトフェライトであることが特に好ましい。
【００２３】
磁性体膜２は、基板１上に積層されている。基板１及び磁性体膜２は、その接合面においていずれも正方格子構造を有している。一方で、磁性体膜２の格子定数は、基板１の格子定数と異なる。そのため磁性体膜２は、基板１との格子定数の違いを解消するように、基板１上に結晶成長する。
【００２４】
図２は、基板１及び磁性体膜２をｃ軸方向から見た際の正方格子構造の違いを示す模式図である。図２（ａ）及び（ｂ）において、実線は磁性体膜２の単位格子を示し、破線は基板１の単位格子を示す。
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、磁性体膜２の格子定数は、基板１の格子定数の複数倍よりも僅かに大きい。ここで、「僅かに大きい」とは、結晶構造のミスマッチを結晶成長により解消できる程度に大きいことを意味する。
図２（ａ）では、基板１の格子定数に対して、磁性体膜２の格子定数が大きい。図２（ｂ）において、基板１の格子状数の２倍に対して、磁性体膜２の格子定数が大きい。
【００２５】
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁性体膜２の格子定数が、基板１の格子定数の複数倍よりも僅かに大きいと、結晶構造の違いを解消するために、ａ軸及びｂ軸方向に圧縮歪みを受けながら磁性体膜２は結晶成長する。単位格子の体積は一定に保たれるため、磁性体膜２は全体としてｃ軸方向に延びる。その結果、磁性体膜２のｃ軸方向の格子定数は、ａ軸方向の格子定数より長くなる。基板１と磁性体膜２の組合せとしては、例えば基板１としてＭｇＡｌ２Ｏ４（００１）、磁性体膜２としてＣｏＦｅ２Ｏ４がある。
【００２６】
磁性体膜２のｃ軸方向の格子定数がａ軸方向の格子定数より長い（結晶格子に歪みが生じる）と、磁気弾性結合を通じて一軸の磁気異方性が生じる。結晶格子に歪みが生じると、電子軌道の重なりがその部分では変化する。その結果、磁気モーメントが所定の方向に向きに配向し、大きな負の磁気異方性が発現する。
【００２７】
負の垂直磁気異方性とは、磁化が磁性体膜２の面内方向に向いていることを意味する。この対義語として正の垂直磁気異方性がある。正の垂直磁気異方性とは、磁化が磁性体膜２の垂直方向を向いていることを意味する。
【００２８】
本発明の一態様に係る磁性体膜２に生じる一軸異方性においても、発生する一軸異方性が「負」である。物質の物性値の観点から見ると、例えばコバルトフェライトで代表される立方晶において、磁気弾性定数が正であるため「負」になる。
【００２９】
磁性体膜２に発生する負の垂直磁気異方性の絶対値は、高周波磁性材料として注目が集まっている六方晶型フェライト（フェロックスプレーナー）の絶対値より１桁以上大きい。すなわち、本発明の一態様に係る磁性体膜２が有する磁化を垂直方向に立ち上げるためには大きなエネルギーを有する。その結果、高周波環境下でも磁気異方性を維持し、磁性体としての特性を発現する。ま磁化の歳差運動と印加する高周波の自然共鳴周波数も大きくなるため、より高い周波数の高周波を遮断することができる。
【００３０】
図３は、スピネルフェライトの結晶格子構造を模式的に示した図である。スピネルフェライトは、Ａサイトイオン２ａと、Ｂサイトイオン２ｂと、酸素イオン２ｃからなる。図３に示すように、Ａサイトイオン２ａの周囲には、酸素イオン２ｃが４面体配置で配置され、Ｂサイトイオン２ｂの周囲には、酸素イオン２ｃが８面体配置で配置されている。コバルトフェライトの場合、Ａサイトイオン２ａはＦｅ３＋であり、Ｂサイトイオン２ｂはＦｅ３＋及びＣｏ２＋である。
【００３１】
以下、図３のスピネルフェライトを例に、磁性体膜２のｃ軸方向の格子定数がａ軸方向の格子定数より長くなることにより、負の磁気異方性が発現する原理について現段階で判明していることについて電子論的に説明する。
【００３２】
図４は、負のイオンが８配位した遷移金属のｄ軌道のエネルギーレベルを模式的に示した図である。配位子が存在しない場合、遷移金属の５つのｄ軌道は縮退しており、すべて等しいエネルギーを有する。これに対し、負電荷をもつ配位子（酸素イオン）が近づいてくると、軌道電子と配位子の電荷との反発により、ｄ軌道のエネルギーレベルに分裂が生じる。その結果、図４の左側に示すようにＢサイトイオン２ｂの周囲に酸素イオン２ｃが正八面体配置で配置されている場合、ｄε軌道とｄγ軌道に分裂する。ｄε軌道は、ｄｘｙ、ｄｙｚ、ｄｚｘからなり、ｄγ軌道はｄｘ２−ｙ２、ｄｚ２からなる。これに対し、正八面体がｃ軸方向に延びると、図４の右側に示すようにｄγ軌道及びｄε軌道がさらに分裂する。
上述のように、磁性体膜２の結晶格子構造に歪が生じると、電子が存在し得るエネルギー配置に変化が生じる。
【００３３】
発明者らの鋭意検討の結果、歪のない状態で３重縮退していたｄε軌道に１つまたは２つの電子が存在する場合に、負の磁気異方性が発現することが確認されている。すなわち、酸素イオンを８配位したＢサイトイオン２ｂに、ｄ電子数が１コ、２コ、６コ、７コの遷移金属イオンを置換した材料を磁性体膜２として用いることができる。
【００３４】
このような遷移金属イオンとして、具体的にはＶ３＋、Ｃｒ４＋、Ｎｂ３＋、Ｍｏ４＋、Ｆｅ２＋、Ｃｏ３＋、Ｒｕ２＋、Ｒｈ３＋、Ｃｏ２＋、Ｎｉ３＋、Ｒｈ２＋、Ｐｄ３＋等が挙げられる。中でも、Ｖ３＋、Ｍｏ４＋、Ｆｅ２＋、Ｃｏ３＋、Ｒｈ３＋、Ｃｏ２＋からなる群から選ばれる１つを有する磁性体膜２は、特に大きな負の磁気異方性を発現することができるため好ましい。これらの遷移金属イオンをＢサイトイオン２ｂとして用いると、分裂したｄε軌道の一部に縮退が残り、大きな軌道角運動量が活性化する可能性があるためである。さらに、遷移金属イオンとしては、Ｃｏ２＋を有する磁性体膜２は、磁気異方性が大きくかつ磁化も大きいため特に好ましい。
【００３５】
磁気異方性の発現は、結晶場内における軌道磁気モーメントＬにも影響を受けていることも考えられる。軌道磁気モーメントＬとは、電子の軌道運動により生じる磁気モーメントである。一般に、軌道磁気モーメントＬは、結晶構造の対称性により自由度を奪われ、ほぼゼロになる。しかしながら、図４の右側に示す縮退軌道ｄｙｚ、ｄｚｘに電子が一つ入ると、電子雲の形状から電子は所定の方向に回転軌道を描くことができ、軌道磁気モーメントＬが結晶構造中においても発生する。軌道磁気モーメントＬが存在すると電子自体が持つスピンの磁気モーメントと結合し、スピン磁気相互作用によって磁化が結晶方向に一方向に向きやすくなる。
【００３６】
磁性体膜２の膜厚は、１０〜２００ｎｍであることが好ましい。磁気異方性は、上述のように結晶構造のｃ軸長がａ軸長より長くなるという結晶歪に起因して発生する。結晶歪は、２００ｎｍ程度で十分緩和する。そのため、磁性体膜２の膜厚を２００ｎｍ超としても特に有利な効果は生じない。また十分な磁気特性を得るためには、磁性体膜２の膜厚は、１０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３７】
本発明の一態様に係る磁性複合体１０は、以下の手順により得ることができる。
【００３８】
まず基板１を準備する。基板１は、市販のものを購入してもよいし、公知の方法で作製してもよい。基板１上に磁性体膜２を形成する前には、基板１をアセトン、エタノール等で洗浄することが好ましい。洗浄は、超音波洗浄等を用いることができる。
【００３９】
次いで、基板１上に磁性体膜２を形成する。基板１の（００１）面を上面にし、その上に磁性体膜２を成膜する。磁性体膜２の成膜方法としてはスパッタリング等を用いることができる。例えば、基板の成長面（００１）面に対して、Ｃｏ−Ｆｅ合金ターゲットを用いた高周波（ＲＦ）スパッタでエピタキシャル成長を行うことができる。ターゲットは、不純物を除去するために、エピタキシャル成長を始める前にアニールしておくことが好ましく、成膜時の環境はＡｒとＯ２のフロー環境下で行うことが好ましい。
【００４０】
磁性体膜２は酸化物であるため、酸化物ターゲットを用いて基板１上に磁性体膜２を形成してもよいし、金属ターゲットを用いて酸素を供給し、基板１上で酸化物を反応させながら成膜してもよい。成膜後に得られる磁性体膜２の性能としては、後者の方法で成膜した磁性体膜２の方が好ましい。
【００４１】
上述のように、本発明の一態様に係る磁性複合体は、磁性体膜の結晶構造がｃ軸方向に伸張するように歪んでいる。その結果、磁気モーメントが面内方向に向き、公知のフェロックスプレーナーより１桁大きい磁気異方性を示すことができる。
【００４２】
本発明の一態様に係る高周波デバイスは、上述の磁性複合体を備える。高周波デバイスとしては、例えば高周波フィルター、アンテナ、インダクタ、回路基板等に用いることができる。例えば、高周波フィルターとして用いる際は、内部デバイスの周囲を覆うように磁性複合体を配設することで、内部デバイスへの高周波の影響を遮断することができる。またアンテナ、インダクタ、回路基板等については、公知の高周波磁性体を置き換えることができる。
【００４３】
磁性複合体は、大きな磁気異方性を示す。すなわち、高周波環境下でも透磁率が急減することが無い。また自然共鳴周波数が高いため、より高周波をカットすることができるフィルターとして機能することができる。
【００４４】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
【００４６】
まず基板として、ＭｇＡｌ２Ｏ４を準備した。ＭｇＡｌ２Ｏ４の格子定数は、８．０３９Åであった。
この基板をアセトン及びエタノールでそれぞれ５分ずつ超音波洗浄を行った。超音波洗浄後の基板の（００１）面に反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いてＣｏ０．７５Ｆｅ２．２５Ｏ４を成膜し、磁性複合体を得た。このときターゲットには組成比３：１の割合のＦｅＣｏ合金を用いた。酸素流量は６ｓｃｃｍ、基板温度は５００℃とした。成膜した膜厚は、３８．４ｎｍであった。膜厚はＸ線反射率測定により求めた。
【００４７】
得られた磁性複合体をＳＱＵＩＤのＶＳＭモードを用いて磁化曲線を測定し（３００Ｋ，−７００００Ｏｅ（−７Ｔ）〜７００００Ｏｅ（７Ｔ））し、トルク測定（３００Ｋ，０Ｏｅ〜９００００Ｏｅ（９Ｔ））により磁気異方性定数を算出した。
【００４８】
図５は、実施例１のトルク測定の結果を示す。横軸は、印加磁場に対する磁性複合体の傾き角度であり、縦軸はトルクの大きさである。印加磁場の方向と磁性複合体の有する磁気モーメントの向きとが垂直である場合を０°、１８０°、３６０°として表記し、印加磁場の方向と磁性複合体の有する磁気モーメントの向きとが一致する場合を９０°、２７０°として表記した。
【００４９】
トルク測定は、磁場を印加しながら磁性複合体のサンプルを回転させながら測定する。一般に、印加磁場の向きと、サンプル内の磁化の向きが一致するまたは垂直となる場合には、トルクは発生しない。これに対し、印加磁場の向きとサンプル内の磁化の向きが一致または垂直となる場合から少しでも外れると、互いの向きを一致させる方向に力（トルク）が加わる。
【００５０】
図５に示すように、実施例１の磁性複合体は、９００００Ｏｅの磁場を印加しても発生するトルクの最大値が飽和していない。トルクの最大値が飽和するとは、外部磁場によりサンプルが回転せずに、磁性膜の有する磁化の向きが変化することを意味する。磁性膜の有する磁化の向きが変化すると、サンプルに加わるトルクの強度は大きく変化する。しかしながら、図５においては、１００００Ｏｅ〜９００００Ｏｅのいずれのグラフも同様の挙動を示し、磁性体の磁化の向きが変化していないことが分かる。
【００５１】
すなわち、実施例１の磁性複合体の異方性磁界は、９００００Ｏｅ以上であることが分かる。非特許文献（Ｈ．Ｍｉｙａｊｉｍａ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４７（１９７６）１０）に基づき、この結果を解析すると磁気異方性定数Ｋｕ＝−５１．９Ｍｅｒｇ／ｃｍ３、飽和磁化Ｍｓ＝４３３ｅｍｕ／ｃｍ３であることが確認された。飽和磁化Ｍｓの値は、磁化曲線から得られる値とも一致した。
【００５２】
実施例１の磁性複合体の磁気異方性定数Ｋｕの絶対値の大きさは、ネオジウム磁石に匹敵し、非常に大きい。バルク状態のスピネルコバルトフェライトの磁気異方性定数Ｋｕ＝２Ｍｅｒｇ／ｃｍ３、飽和磁化Ｍｓ＝４２５ｅｍｕ／ｃｍ３であるため、磁性体膜の結晶構造をｃ軸方向に歪ませることで、著しい磁気的特性の変化が生じていることが分かる。
【符号の説明】
【００５３】
１…基板、２…磁性膜、２ａ…Ａサイトイオン、２ｂ…Ｂサイトイオン、２ｃ…酸素イオン、１０…磁性複合体
【図１】
0006713659.tif 000002
【図２】
0006713659.tif 000003
【図３】
0006713659.tif 000004
【図４】
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【図５】
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