物理システム工学科３年次「物性工学概論」

第 13 回 スピンエレクトロニクス(1)

磁性入門

物理システム工学科量子機能工学分野佐藤勝昭

第 12 回に学んだことさまざまなディスプレイ

　現行のディスプレイ、これからのディスプレイについてその原理・仕組みを学んだ。

• ブラウン管 (CRT=cathode ray tube)• 液晶ディスプレイ (LCD=liquid crystal display)• プラズマディスプレイ (PDP=plasma display panel)• 無機 ELD (Inorganic electroluminescence display)• 有機 ELD (organic electroluminescence display)• 電界放出ディスプレイ (FED=field emission display)

第１２回の問題液晶ディスプレイの仕組みを簡単に述べよ。

(a) 光が通らないように偏光方向を直交させた 2 枚の偏光フィルターの間に、ねじれた液晶をはさむと、上から 入った光は液晶分子の隙間に沿って 90 度ねじれるので、下のフィルターを通過できる。（光が通る）

(b) 電圧をかけると、液晶分子が直立してねじれが取れる。上から入った光は、そのまま下に向かうので、 下のフィルターを通れない。（光を遮断）

• 特定の画素を選択して電圧をかけるには、画素毎に薄膜トランジスタを置き、縦横のアドレス線により、選択したトランジスタをオン状態にして、液晶に電圧を印加する

• カラーにするため、各画素毎に R, G, B３色のカラーフィルターを付けた３つの液晶エレメントを配置し、任意の色を作っている。

シャープのホームページより http://www.sharp.co.jp/products/lcd/tech/s2_1.html

(a) (b)

Q&A1

Q: 液晶、つまり、液体と固体の中間というイメージがつかみにくい。石けん水もイカスミも液体に思えるのですが (YT)→A. 液晶は流動性という点では基本的には液体です。しかし、有機分子が一定の方向に配列していて、光学的な異方性をもつという点では結晶に近いのです。

奈良先端大連携講座ホームページhttp://mswebs.aist-nara.ac.jp/LABs/sharp/LCD.html

Q&A2

Q: 薄型ディスプレイでは平面にこだわらず曲げたりできるのでは？くるくる巻いて持ち運べると便利かも (SS)→A: 薄型ディスプレイのうち偏光の伝搬が関係する LCD では、フレキシブルは困難です。薄型自発光型ディスプレイのうち、 FED やPDP は真空を要求するので、フレキシブルにするのは不可能です。唯一フレキシブルにできるのは有機 EL です。図のように、ＤＮＰではフレキシブル型を発表しています。

大日本印刷のホームページよりhttp://www.dnp.co.jp/jis/news/2001/20010404.html

Q&A3 　Q: 前回「 CD-RW をフォーマットするとき、データを消去する代わりに、その部分のアドレス帳に消去マークを付けるだけ」で結晶化されないと言うことはオーバーライトの際に急冷・緩冷を同時にするため、レーザ光強度の調整をしているのですか。 (F) →A. そのとおり右図のように Peは消去 (erase), Pw は記録 (write) 、Pb はバイアス (bias) となっています。この例では、オーバーライトの記録パワー (Pw) 制御範囲は 9 ～16mW 、消去パワー (Pe) 制御範囲は 3 ～ 9mW とし、バイアスパワー (Pb) と再生光パワー (Pr) は1.0mW となっています。 Ricoh Technical Report No.22, JULY, 1996

井手 由紀雄、針谷 真人、影山 喜之、岩崎 博子 ：Ag-In-Sb-Te 系相変化材料を利用した書き換え可能なコンパクトディスク http://www.ricoh.co.jp/rdc/techreport/No22/r1/r1.htm

Q&A5Q: 　 現在大型スクリーンテレビとして商われているスクリーン

は最大どれくらいですか (IS)→A. PDP の市販品は 50 インチ(125cm) が最大ですが、業務用では 60 型が出ています。

Q&A6

Q: 生命工学科の研究室で有機 EL を研究しているところがあったと思いますが、有機という言葉からして物シスより生命工の方が得意分野なのでしょうか (SY)

A. 材料は、生命工 (L) 、有機材料 (G) などで扱っています。システムにするのは、電気電子(E) の範囲でしょう。 P でも、やることは可能ですが、先生方に興味を持っている人がいないというだけです。

Q&A7

Q: 有機 EL 材料は、植物や生物から作れるのでしょうか (KT)

A: 発光層として使われる p-phenylene vinylene (PPV) は、有機合成で作成されます。 L 科でやっているからといって生体物質とは限りません。

Q: 材料が違うさまざまなディスプレイが開発されていますが、今後規格化などにより利用されるディスプレイは限定されるのですか、それとも利用分野により棲み分けができるのですか (HK)

A: 多くのディスプレイは、回路的に異なる規格に対応できるように設計されているので、規格の問題はあまり心配しなくても良いと思います。

感想• 液晶については、以前、 NHK のプロジェクト X でシ

ャープが開発する特集を見たことがあったのでその話を思い出した。最初不安定だった画面をどうやって鮮明に表すことができるかで大変苦労しているところが印象的だった。この授業を通してまた自分で調べてみようと思った。 (土屋 )

• 今まで液晶ディスプレイとプラズマディスプレイについて違いがよくわからなかったが、講義を聞き少し理解できるようになった。それぞれ利点欠点が存在し、用途、要望に応じて選ぶべきだと思った。 (今野 )

第１３回で学ぶこと磁性入門

• 磁性体はどこに使われているか• どのような物質が磁性体になるのか• 磁性体の特徴はなにか• 磁性体の物理

磁性体はどこに使われているか

• 永久磁石→モーター、パワーエレクトロニクス

• 変圧器、インダクター用磁心

• 磁気記録、光磁気記録→ IT• 光アイソレータ→光ファイバ通信

モーターと磁石• 直流モーターは、永久磁石の回転子が、固定子とい

う電磁石の中に置かれています。分割された電磁石に流される電流を順次切り替え、磁界の回転を生じ、回転子に運動を与えるのです。固定子のヨークにも磁性体が使われています。

ミニブラシレスモータ

• http://www.cityfujisawa.ne.jp/~iijima-p/BRA2.htm

変圧器のコア• 通常は、積層珪素鋼板を用いる。

磁気記録• 磁気テープ：ボリュームで記録→大容量

– テープレコーダー：リール→カセット– ビデオテープレコーダー (VTR)– コンピュータ用テープ

• 磁気ディスク：ランダムアクセス、面で記録– フロッピーディスク– ハードディスク– 光磁気ディスク

• 固体磁気メモリ– 磁気バブルメモリ– MRAM

ハードディスク

• 磁性体はどこに使われているか？– ディスク媒体　 CoCr 等– 磁気ヘッド　 CoFe 等– アクチュエータ　 NdFe

B 等

磁気ヘッド

ディスク媒体

ロータリー・アクチュエーター

どのような物質が磁性体になるのか

• 外部磁界をかけなくても物質が磁化をもっているならば、その磁化を自発磁化という。

• 自発磁化をもつ磁性体を広義の強磁性体というが、これには、狭義の強磁性体、フェリ磁性体等があるが、ほとんどの (広義の )強磁性体は、 3d遷移金属および 4f希土類金属の合金、あるいは、化合物である。

元素の周期表

3d遷移金属• 3d 遷移金属： Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni

• Ar の閉殻 (1s22p63s23p6)+3dn4s2

• 3d 軌道には 5 個の軌道があり、スピンまで入れて 10 個の状態がある。

• 遷移金属では 3d 軌道を部分的にしか満たさずに、 4s 軌道を占有する。 ( 不完全内殻 )

• このため、不対スピンが生じ原子磁気モーメントをもたらす。室温で強磁性を示すのは、Fe, Co, Ni の３つのみ。

３ｄ遷移元素

• WebElementsTM Periodic table （ http://www.webelements.com/）より

[Ar].3d1.4s2 2D3/2

[Ar].3d2.4s2 3F2

[Ar].3d3.4s2 4F3/2

[Ar].3d5.4s1 7S3

[Ar].3d5.4s2 6S5/2

[Ar].3d6.4s2 5D4

[Ar].3d7.4s2 4F9/2

[Ar].3d8.4s2 3F4

[Ar].3d10.4s1 2S1/2

スカンジウム チタン バナジウム クロム マンガン

鉄 コバルト ニッケル 銅

希土類金属• La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er,

Tm, Yb

• 不完全 4f 殻を有している。• 遷移金属と組み合わせると磁石材料になる

– 例： SmCo, Nd2FeB14,

• 希土類遷移金属アモルファス合金は MO 媒体材料– 例： TbFeCo, GdFeCo など

強磁性 (Ferromagnetism)

• Ferro というのは「鉄の」という意味で鉄に代表されるような磁気的性質という意味である。

• 鉄に代表される性質とは、外部磁界を加えなくても磁化をもつ、即ち、自発磁化をもつことである。

• 強磁性体の例：遷移金属 Fe, Co, Ni,

遷移金属合金 :Fe1-xNix, Fe1-xCox, Co1-xCrx, Co1-xPtx, Sm1-xCox

金属間化合物： PtMnSb, MnBi, NdFe2B14

酸化物・カルコゲナイド・ニクタイド、ハライド：La1-xSrxMnO3, CrO2, CdCr2S4, Cr3Te4, MnP, CrBr3

強磁性の起源• 局在電子モデル：原子磁石が交換相互作用し

て向きをそろえ合っている。 (絶縁性磁性体 )

• バンド電子モデル：バンドがスピン偏極していて、上向きスピンを持つ伝導電子の数と下向きスピンをもつ伝導電子の数に違いが生じる。 (金属磁性体 )

強磁性の特徴１• 低温では、自発磁化をもち磁気モーメントの

向きがそろっているが、キュリー温度Ｔｃ以上に加熱すると、自発磁化を失う。

強磁性体の特徴２• 磁化が外部磁界に対しヒステリシスを示す。

• O→B→C:初磁化曲線• C→D: 残留磁化• D→E: 保磁力• C→D→E→F→G→C:ヒステリシスループ

( 高梨：初等磁気工学講座テキスト )

強磁性体の特徴３• 保磁力のちがいで用途が違う

• Hc小：軟質磁性体– 磁気ヘッド、変圧器鉄心、磁気シールド

• Hc 中：半硬質磁性体– 磁気記録媒体

• Hc 大：硬質磁性体– 永久磁石

なぜ初磁化状態では磁化がないのか：磁区 (magnetic domain)

• 磁化が特定の方向を向くとすると、 N極から S極に向かって磁力線が生じます。この磁力線は考えている試料の外を通っているだけでなく、磁性体の内部も貫いています。この磁力線を反磁界といいます。反磁界の向きは、磁化の向きとは反対向きなので、磁化は回転する静磁力を受けて不安定となります。

• 磁化の方向が逆方向の縞状の磁区と呼ばれる領域に分かれるならば、反磁界がうち消し合って静磁エネルギーが低下して安定するのです

磁化・磁極・反磁界• 磁性体表面の法線方向の磁化成分を M

n とすると、表面には単位面積あたり = Mn という大きさの磁極 (Wb/m2)が生じる。

• 磁極からはガウスの定理によって全部で /μ0 の磁力線がわき出す。このうち /2μ0 の磁力線は外へ向かっており、残りの /2μ0 は内側に向かっている。すなわち棒磁石の内部では、 M の向きと逆向きの反磁界が存在する。

• 反磁界の大きさ Hd は磁化 M に比例するが、比例係数を反磁界係数と呼び Nで表す。 N は磁性体の形状のみによる無次元量で方位によって異なる。

S N

(b) 棒磁石からの磁力線

M- +

(a) 磁化と磁極反磁界

反磁界係数 N ： ( 近角強磁性体の物理より）

N の x, y, z 成分を Nx, Ny, Nz とすると、 Hdi=-NiMi/0 (i=x,y,z)と表され、 Nx, Ny, Nz の間には、 Nx+ Ny+ Nz=1 が成立する。

• 球形： Nx= Ny= Nz=1/3

• z方向に無限に長い円柱： Nx= Ny= 1/2 、 Nz=0

• 無限に広い薄膜の場合： Nx= Ny= 0 、 Nz=1 となる。

• 実効磁界 Heff=Hex-NM/0

xy

z

z

x

y

z

x

y

Nz=1

Nx= 0Ny= 0

Nx= 1/2

Ny= 1/2Nx=1/3

Ny=1/3

Nz=1/3

Nz=0

反磁界と静磁エネルギー• 磁化Mが反磁界 -Hdのもとにおかれると

E=0MHdだけポテンシャルエネルギーが高くなる。

－－－－－－－－－－－－－－－－• 一様な磁界 H中の磁気モーメント M に働くトルク T は• T=0MH sin• 磁気モーメントのもつポテンシャル E は• E=Td= 0MH sin d=1- 0MH cos

• エネルギーの原点はどこにとってもよいので ポテンシャルエネルギーは E=-0M ・ H と表される。

円板磁性体の磁区構造• 全体が磁区に分かれることにより、全体の磁化がなくなっている。これが初磁化状態である。

• 磁区の内部では磁化は任意の方向をランダムに向いている訳ではない。

• 磁化は、結晶の方位と無関係な方向を向くことはできない。磁性体には磁気異方性という性質があり、磁化が特定の結晶軸方位 ( たとえば Fe では [001] 方向および等価な方向 ) を向く性質がある。このため、図のように [100][010][-100][0-10] の４つの方向を向く。

(a) (b)

( 近角：強磁性体の物理 )

磁気異方性• 磁性体は半導体と違って形状・寸法・結晶方位とか磁化の方位などに

よって物性が大きく変化する。• １つの原因は上に述べた反磁界係数で、形状磁気異方性と呼ばれます。反磁界によるエネルギーの損を最小化することが原因です。

• このほかの原因として重要なのが結晶磁気異方性です。結晶磁気異方性というのは、磁界を結晶のどの方位に加えるかで磁化曲線が変化する性質です。

• 電子軌道は結晶軸に結びついているので、磁気的性質と電子軌道との結びつき ( スピン軌道相互作用 ) を通じて、磁性が結晶軸と結びつくのです。半導体にも、詳しい測定をすると異方性を見ることができます。これに比べ一般に半導体の電子軌道は結晶全体に広がっているので、平均化されて結晶軸に依存する物性が見えにくいです。

ヒステリシスと磁区

残留磁化状態 逆磁区の発生と成長

磁区の観察

近角：強磁性体の物理

珪素鋼 (4%SiFe) の磁区像のビッターパターン

ＭＦＭで見たパーマロイ蒸着膜のメーズ磁区パターン

光で見た磁区

Bi添加磁性ガーネット磁気光学像Pt/CoMO ディスクに記録された200nm マークの SNOM像

期末テストについて• ７月２９日 (火 ) １限• プレハブ教室• 問題の１つとして、「物性工学概論で学んだ材料や物理現象のうち興味を持ったことを１つ選んで、自分で調べて１０００字程度で説明せよ。」というのを出しますので、あらかじめ準備しておいてください。（同一文章の場合、双方とも減点します）

• 持ち込み可能なもの：参考書１冊、電卓、カンペ２枚（手書きに限る）

テーマの例• 光電変換： CCD カメラ• ニュートリノを見いだした光電子増倍管• 青色発光ダイオード、青紫色レーザー• さまざまな光ディスク： CD-RW の記録の仕

組み• ディスプレイ： PDP の仕組み、原理• 磁気光学効果と MO ディスク• ハードディスクの仕組み