(57)【要約】【課題】  数１００ガウス程度の磁場強度で電流を誘起でき、また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素子を提供する。【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が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】
酸化鉄を主原料として含む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で、３００ガウス以下の弱い外部磁場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素子。
【請求項２】
酸化鉄を主原料として含む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で、３００ガウス以下の弱い外部磁場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素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載のマルチフェロイック素子において、前記マルチフェロイック固体材料はＡ2 Ｂ2 Ｆｅ12Ｏ22のフェライト化合物であり、ＡはＣａ，Ｂａ，Ｓｒもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、ＢはＭｇ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ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素子。
【請求項４】
請求項１又は２記載のマルチフェロイック素子において、前記マルチフェロイック固体材料はＡ2 Ｂ2 ―ｘＣｘＦｅ12Ｏ22のフェライト化合物であり、ＡはＣａ，Ｂａ，Ｓｒもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、ＢはＭｇ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕからなる元素であり、ＣはＺｎからなる元素で、ｘの範囲は０＜ｘ≦１であることを特徴とするマルチフェロイック素子。
【請求項５】
請求項３記載のマルチフェロイック素子において、前記マルチフェロイック固体材料を、酸素中で４００℃から８００℃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２６０Ｋ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素子。
【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。
【０００２】
本願発明者らは、強誘電性とスピンの向きが円錐の外側を沿うように回転しているスピン構造をもつ強磁性とを併せもつマルチフェロイック固体材料で、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発明した（下記特許文献１，非特許文献参照）。
【特許文献１】特願２００６−１４４３０９
【非特許文献１】Ｙ．Ｙａｍａｓａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．  ９６，  ２０７２０４（２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この発明におけるＭＣｒ2 Ｏ4 （Ｍ＝Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）化合物において、これを制御するためには、数１０００ガウス程度の大変大きい外部磁場強度を必要とする。
【０００４】
本発明は、上記状況に鑑みて、数１００ガウス程度の磁場強度で電流を誘起でき、また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素子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】
〔１〕マルチフェロイック素子において、酸化鉄を主原料として含む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で、３００ガウス以下の弱い外部磁場により電流を誘起させることを特徴とする。
【０００６】
〔２〕マルチフェロイック素子において、酸化鉄を主原料として含む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で、３００ガウス以下の弱い外部磁場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。
【０００７】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載のマルチフェロイック素子において、前記マルチフェロイック固体材料はＡ2 Ｂ2 Ｆｅ12Ｏ22のフェライト化合物であり、ＡはＣａ，Ｂａ，Ｓｒもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、ＢはＭｇ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕからなることを特徴とする。
【０００８】
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載のマルチフェロイック素子において、前記マルチフェロイック固体材料はＡ2 Ｂ2 ―ｘＣｘＦｅ12Ｏ22のフェライト化合物であり、ＡはＣａ，Ｂａ，Ｓｒもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、ＢはＭｇ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕからなる元素であり、ＣはＺｎからなる元素で、ｘの範囲は０＜ｘ≦１であることを特徴とする。
【０００９】
〔５〕上記〔３〕記載のマルチフェロイック素子において、前記マルチフェロイック固体材料を、酸素中で４００℃から８００℃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２６０Ｋまで高温化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【００１１】
（１）反復的な交流磁場（磁場反転) しかも３００ガウス以下の弱い磁場強度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。これは例えば、人体外から反復的な弱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。
【００１２】
（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弱磁場で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。
【００１３】
（３）マルチフェロイックメモリ素子（ＭＦＭ素子と呼ぶ）は、電流誘起磁界と異なり電界誘起なので大幅な電流消費を抑えることが可能となる。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。新しい低消費電力、高集積、低製造コストのマルチフェロイック不揮発性メモリ素子（ＭＦＭ素子）が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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、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。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弱い磁場により、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。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る。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、この選択された線に挟まれた単一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を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間に発生した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】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の第１実施例を示すマルチフェロイックナノ発電機の模式図である。
【００１７】
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はその金属電極２に接続される配線、４はその配線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。
【００１８】
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。この実施例によれば、配線４には反復的な３００ガウス以下の弱い交流磁場（磁場反転) ５によって変位電流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。
【００１９】
図２は本発明の第２実施例を示すマルチフェロイック磁気センサー素子の模式図である。
【００２０】
１１はマルチフェロイックス固体材料、１２はそのマルチフェロイックス固体材料１１の両側に形成される金属電極、１３はその金属電極１２に接続される配線、１４はその配線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記録材料である。
【００２１】
図２に示すように、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。
【００２２】
この実施例によれば、データが記憶された垂直記録材料１５からの磁場により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。
【００２３】
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。この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。
【００２４】
また、マルチフ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る。特定の選択されたビット線とワード線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、この選択された線に挟まれた単一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。
【００２５】
図３は、本発明にかかるマルチフェロイックメモリセルの配置図、図４はそのマルチフェロイック素子の磁場誘起電流発生の構成図、図５は本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＢａ2 Ｍｇ2 Ｆｅ12Ｏ22の単結晶を示す図面代用の写真である。
【００２６】
図３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はワート線である。
【００２７】
この図において、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間に発生した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。
【００２８】
また、図４は実際の電流測定の際の構成図である。
【００２９】
この図において、３１はマルチフェロイック固体材料、３２は上下の金属電極、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。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、金などの金属で問題はない。
【００３０】
マルチフェロイック固体材料３１として六方晶フェライト構造を持つ化合物のうち、Ｂａ2 Ｍｇ2 Ｆｅ12Ｏ22を用いた場合の結晶方位の配置を３６に示す。用いた試料はフラックス法で作製した単結晶である（図５参照）。なお、図５において、写真は［００１] 面である。
【００３１】
Ｂａ2 Ｍｇ2 Ｆｅ12Ｏ22の結晶構造と磁気構造を図６に示す。その磁気構造は［００１] 方向に伝搬ベクトルをもつらせん型のスピン構造である。室温ではフェリ磁性（強磁性の一種）であるが、−７８℃以下の温度でらせん型になり、−２２３℃以下では円錐型になる。右端の磁気構造は、磁場によって円錐が［００１] に対して斜めに傾いた状態を表しており、紙面に対して垂直（奥が正）に電気分極が生じる。
【００３２】
図７に、Ｂａ2 Ｍｇ2 Ｆｅ12Ｏ22結晶材料に３００ガウスの弱い外部磁場を［１００] 方向で振動させた場合に発生した電流及び電気分極の測定結果を示す。測定温度は−２６８℃である。交流磁場印加に相応して電流が流れ、また、電気分極も正負が交互に発生していることが分かる。この測定において印加した磁場と発生した電気分極の時間変化を図８に模式的に示した。円錐上の矢印は、伝播ベクトル方向に沿ってスピンが回転する方向を示す。
【００３３】
図９は電気分極の磁場方位依存性を示す図である。
【００３４】
図９においては、図９（ａ）で、水平的な回転磁界の元での磁気電気（ＭＥ）分極の測定のための模式的構成を示し、そして、図９（ｄ）で、垂直的な回転磁界の元での磁気電気（ＭＥ）分極の測定のための模式的構成を示している。ここで、φ及びθはＢと［１２０] の間及びＢと［００１] の間の相対角がそれぞれ定義されている。
【００３５】
図９（ｂ），（ｃ），（ｅ），（ｆ）は、３００ガウスと１００００ガウスの回転磁場の基での磁気電気分極のφ依存性及びθ依存性を示している。
【００３６】
Ｂａ2 Ｍｇ2 Ｆｅ12Ｏ22結晶材料は、印加する外部磁場の方向で、発生する電流及び電気分極の強度や方向を制御できる。３００ガウスの磁場を［００１] を中心に回すと、電気分極も同じ面内で回転する〔図９（ｂ）〕。一方、［１２０] を中心として磁場を回すと、電気分極の方向はそのままで大きさが変化する〔図９（ｅ）〕。１００００ガウスの磁場を印加すると、［００１] 面内で回転した場合はやはり電気分極も回転する〔図９（ｃ）〕が、［１２０] 面内で回転すると強誘電分極が消失する〔図９（ｆ）〕。このように磁場の方向で発生する電流強度及び電気分極の強度や方向を制御できる。
【００３７】
以上、マルチフェロイック材料Ｂａ2 Ｍｇ2 Ｆｅ12Ｏ22の場合、３００ガウスの弱い外部磁場でその電流や電気分極を生成し、電気分極の強度や方向を制御することが可能であることを始めて実証した。与える磁場強度はこの例では３００ガウス程度の弱い磁場であった。従来例では同程度の電流強度を得るために数１０００ガウス程度の磁場強度が必要であったが、これと比較して一桁低い磁場強度で同程度の電流強度を得ることができた。さらに材料を選択すれば、電流密度の向上を図ることができる。
【００３８】
実施例での測定温度は−２６８℃の温度領域で、極低温領域であるが、らせん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、らせん磁性転移を高温までもってくればよい。酸素中で４００℃から８００℃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２６０Ｋまで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。
【００３９】
強磁性と強誘電性をあわせもつマルチフェロイック固体材料Ｂａ2 Ｍｇ2 Ｆｅ12Ｏ22で、外部磁場により電流や電気分極を制御できることを実施例で示したことから、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。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。このとき電気分極の反転が起きれば、スピンのらせん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。
【００４０】
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】
【００４１】
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、低コストのメモリ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１実施例を示すマルチフェロイックナノ発電機の模式図である。
【図２】本発明の第２実施例を示すマルチフェロイック磁気センサー素子の模式図である。
【図３】本発明にかかるマルチフェロイックメモリセルの配置図である。
【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構成図である。
【図５】本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＢａ2 Ｍｇ2 Ｆｅ12Ｏ22の単結晶を示す図面代用写真である。
【図６】本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＢａ2 Ｍｇ2 Ｆｅ12Ｏ22の結晶構造と［００１］方向に伝搬ベクトルをもつ磁気構造図である。
【図７】本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＢａ2 Ｍｇ2 Ｆｅ12Ｏ22に、外部磁場を［１００] 方向で振動させた場合の変位電流及び電気分極の測定結果を示す図である。
【図８】磁場を［１００] 方向で振動させた場合のスピン構造の時間変化（上段）と磁場・電気分極の時間変化を表した模式図である。
【図９】電気分極の磁場方位依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
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    ワート線
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
３６    Ｂａ2 Ｍｇ2 Ｆｅ12Ｏ22を用いた場合の結晶方位の配置
【図１】
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【図２】
2009224563.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009224563.tif 000006
【図７】
2009224563.tif 000007
【図８】
2009224563.tif 000008
【図９】
2009224563.tif 000009
【図５】
2009224563.tif 000010
【図６】
2009224563.tif 000011