Novel thermo-electric applications via High-sensitive …•”Potential of thermoelectric power...
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高感度磁気センサの開発 磁性材料グループ 中谷 友也 [email protected] | http://www.nims.go.jp/mmu/index_j.html Keywords: 磁気抵抗効果、ハードディスク、生体磁気測定 今後、エネルギーアシスト記録により大容量化が進むハードディスクドライブ(HDD)の再生ヘッドに は、現行のトンネル磁気抵抗に替わる新しい高感度磁気センサが必要。 人体が発生する超微弱磁場を測定すれば、医療診断やBrain-machine interfaceに応用できる。 ・ T. Nakatani et al. IEEE Trans. Magn. 54, 3300211 (2018). ・ S. Li, T. Nakatani et al. Acta Mater. 142, 49 (2018). ・ T. Nakatani et al. MRS Bulletin volume 43, issue 2, 106 (2018). HDD再生ヘッドセンサ。その他、微小サイズ・分解能 を必要とする磁気センサ（ニーズ募集）。 生体磁気（心磁・脳磁）センサ。微弱磁場センサ。 高スピン分極率ホイスラー合金強磁性材料と、新規な非磁性スペーサー材料の開発によって、 面直通電型巨大磁気抵抗（CPP-GMR)センサの出力増大 産業応用可能な素子形態（安価な基板上に作製できる多結晶薄膜）での特性改善 超微弱磁場検出のための、磁気抵抗センサ開発 再生ヘッドセンサ：さらなる高磁気抵抗比、磁気特性 （磁歪など）の改善を含めた総合的なセンサ膜開発 生体磁場計測のためのセンサ低周波ノイズ低減 回路・信号処理技術とのインテグレーション 量産可能な多結晶スピンバルブセンサ 2 Tbit/in 2 記録密度（現行の2倍弱）対応可能性を実証 CMFG = Co 2 (Mn 0.6 Fe 0.4 )Geホイスラー合金 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0 10 20 30 40 2 Tbit/in 2 spec Cu bottom lead Ta (1) Ru (1.5) IrMn (5) CoFe (2) Ru (0.8) CoFe (0.2) CoFeB (0.6) CMFG (2) CoFe (0.4) AgSn(0.4) CoFe (0.4) CMFG (3) CoFeBTa (0.5) Ru(3) cap IZO(1.7) 22.5 nm Ta (2) Ru (2) IrMn (6) CoFe (3) CoFe (0.6) CoFeBTa (0.8) CMFG (3) CoFe (0.4) CMFG (4) CoFe (1) Ru cap Annealed at 280 °C for 3 hours Cu bottom lead 30 nm AgSn(0.4) IZO(1.4-1.85) Type 1 (total 30 nm) AgSn(0.4)/IZO(1.4, 1.55, 1.7, 1.85) Type 2 (total 22.5 nm) AgSn(0.4)/IZO(1.7) Type 1 Type 2 AgSn(3.5) spacer 磁気抵抗比（%） 素子抵抗×面積(Ω·μm 2 ) 0.01 0.1 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 5 Tbit/in 2 2 Tbit/in 2 比較：従来材料 新開発： AgInZnOスペーサー前駆体 磁気抵抗比（%） 素子抵抗×面積 (Ω·μm 2 ) さらなる高出力化：新材料AｇInZnO HDD記録密度の究極目標 ともいえる、5 Tbit/in 2 に対 する要求性能を満たす。 AgInZnO前駆体がナノ構 造を形成し、磁気抵抗比 大幅アップ。 （特許出願済み） 生体磁気センサへの展開 (H30年度開始プロジェクト) 強磁性⾦属 強磁性⾦属 絶縁体 強磁性⾦属 強磁性⾦属 ⾮磁性⾦属 現行技術 トンネル磁気抵抗 次世代技術 面直通電型巨大磁気抵抗 (CPP-GMR) 素子抵抗低減 （低ノイズ化）に限界 ・ 低素子抵抗 = 低ノイズ ・ 磁気抵抗比改善が必要 nm厚の薄膜 の積層構造 材料とプロセスの開発により、磁気センサの高性能化を実現 再生ヘッドセンサ リ タ ー ン ポ ー ル コ イ ル メ イ ン ポ ー ル 磁 気 ビ ッ ト NiFe シ ー ル ド 磁 束 セ ン サ ディスクの回転 再 生 ヘ ッ ド Reader 書 き 込 み ヘ ッ ド Writer ・ HDDの記録密度の増大ととも に再生ヘッドのサイズが小さくな り、素子抵抗増大熱ノイズ大。 ・ 素子抵抗×面積 (RA)の小さ い磁気センサが必要。 目標 • 現在のSQUIDセンサ（高価かつ巨大）に替わる、 小型で安価な心磁・脳磁計を実現 • ヘルスケア、思考と機械を結ぶBrain-machine interfaceへ応用 • 高齢化社会が抱える問題、Society 5.0へ貢献 － 161 － 磁性・スピントロニクス材料
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高感度磁気センサの開発
磁性材料グループ
中谷 友也[email protected] | http://www.nims.go.jp/mmu/index_j.html
Keywords: 磁気抵抗効果、ハードディスク、生体磁気測定
今後、エネルギーアシスト記録により大容量化が進むハードディスクドライブ(HDD)の再生ヘッドに
は、現行のトンネル磁気抵抗に替わる新しい高感度磁気センサが必要。
人体が発生する超微弱磁場を測定すれば、医療診断やBrain-machine interfaceに応用できる。
・ T. Nakatani et al. IEEE Trans. Magn. 54, 3300211 (2018).
・ S. Li, T. Nakatani et al. Acta Mater. 142, 49 (2018).
・ T. Nakatani et al. MRS Bulletin volume 43, issue 2, 106 (2018).
HDD再生ヘッドセンサ。その他、微小サイズ・分解能
を必要とする磁気センサ（ニーズ募集）。
生体磁気（心磁・脳磁）センサ。微弱磁場センサ。
高スピン分極率ホイスラー合金強磁性材料と、新規な非磁性スペーサー材料の開発によって、
面直通電型巨大磁気抵抗（CPP-GMR)センサの出力増大
産業応用可能な素子形態（安価な基板上に作製できる多結晶薄膜）での特性改善
超微弱磁場検出のための、磁気抵抗センサ開発
再生ヘッドセンサ：さらなる高磁気抵抗比、磁気特性
（磁歪など）の改善を含めた総合的なセンサ膜開発
生体磁場計測のためのセンサ低周波ノイズ低減
回路・信号処理技術とのインテグレーション
量産可能な多結晶スピンバルブセンサ
2 Tbit/in2記録密度（現行の2倍弱）対応可能性を実証
CMFG = Co2(Mn0.6Fe0.4)Geホイスラー合金
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.250
10
20
30
402 Tbit/in2 spec
Cu bottom lead
Ta (1)Ru (1.5)
IrMn (5)
CoFe (2)Ru (0.8)
CoFe (0.2)CoFeB (0.6)
CMFG (2)CoFe (0.4)AgSn(0.4)
CoFe (0.4)
CMFG (3)
CoFeBTa (0.5)
Ru(3) cap
IZO(1.7)
22.5
nm
Ta (2)Ru (2)
IrMn (6)
CoFe (3)Ru (0.8)
CoFe (0.6)CoFeBTa (0.8)
CMFG (3)
CoFe (0.4)
CoFe (0.4)
CMFG (4)
CoFe (1)
Ru cap
Annealed at 280 °C for 3 hours
Cu bottom lead
30 n
m
AgSn(0.4)IZO(1.4-1.85)
Type 1 (total 30 nm)AgSn(0.4)/IZO(1.4, 1.55, 1.7, 1.85)
Type 2 (total 22.5 nm)AgSn(0.4)/IZO(1.7)
Type 1
Type 2
AgSn(3.5)spacer磁
気抵抗
比（%）
素子抵抗×面積 (Ω·μm2)
0.01 0.1 10
10
20
30
40
50
60
70
80
5 Tbit/in2
2 Tbit/in2
比較：従来材料
新開発：AgInZnOスペーサー前駆体
磁気抵抗比（%）
素子抵抗×面積 (Ω·μm2)
さらなる高出力化：新材料AｇInZnO
HDD記録密度の究極目標ともいえる、5 Tbit/in2に対する要求性能を満たす。
AgInZnO前駆体がナノ構造を形成し、磁気抵抗比大幅アップ。（特許出願済み）
生体磁気センサへの展開 (H30年度開始プロジェクト)
強磁性⾦属
強磁性⾦属絶縁体
強磁性⾦属
強磁性⾦属⾮磁性⾦属
現行技術
トンネル磁気抵抗次世代技術
面直通電型巨大磁気抵抗(CPP-GMR)
素子抵抗低減（低ノイズ化）に限界
・ 低素子抵抗 = 低ノイズ・ 磁気抵抗比改善が必要
nm厚の薄膜の積層構造
材料とプロセスの開発により、磁気センサの高性能化を実現
再生ヘッドセンサリターンポール
コイル
メインポール
磁気ビット
NiFeシールド
磁束
センサ
ディスクの回転
再生ヘッドReader
書き込みヘッドWriter
・ HDDの記録密度の増大とともに再生ヘッドのサイズが小さくなり、素子抵抗増大熱ノイズ大。
・ 素子抵抗×面積 (RA)の小さい磁気センサが必要。
目標
• 現在のSQUIDセンサ（高価かつ巨大）に替わる、小型で安価な心磁・脳磁計を実現
• ヘルスケア、思考と機械を結ぶBrain-machine interfaceへ応用
• 高齢化社会が抱える問題、Society 5.0へ貢献
異常ネルンスト効果を利用した新規熱電応用を
目指した材料開発
磁性材料グループ
桜庭 裕弥[email protected] | http://www.nims.go.jp/mmu/index_j.html
Keywords: エネルギーハーベスト、異常ネルンスト効果、強磁性体
ゼーベック効果を利用した環境発電や熱流センサーは既に実用化されているが、汎用的なデバイス・技術となるためには、性能やコスト面の問題を解決するブレークスルーが求められている。磁性体において発現する異常ネルンスト効果の3次元性を利用することにより、より簡便な構造でモデュールを構成できるため高い電圧出力が得やすく大面積応用に有利であるなど、様々な利点が期待される。
• ”Anomalous Nernst Effect in L10-FePt/MnGa Thermopiles for New Thermoelectric Applications” Sakuraba et al., Appl. Phys. Express 6, 033003 (2012).• 異常ネルンスト効果を利用した熱電発電, Y. Sakuraba et al., vol. 29 2014 パリティ
異常ネルンスト効果を利用した新しい環境発電技術への応用 (W-mWレベルの出力)
汎用性の高い高感度フレキシブル熱流センサーへの展開され、社会のサーマルマネージメントへ貢献
異常ネルンスト効果(ANE)を熱電応用技術として利用するための大きな課題は、熱電能の低さである。しかし従来までの研究において異常ネルンスト効果が系統的に調べられた例はFeなどの一般的な強磁性材料に関するものがほとんどであり、未開拓の材料系が数多くの残されている。本研究の目的は、様々な組成・構造を有する強磁性体のANEを系統的に評価し、ANEの起源を解明するとともに、応用に求められる大きなANEを実現することである。
安価で埋蔵量の大きな磁性材料において、巨大
な異常ネルンストを実現することが実用化に向け
た最大の課題となる。
異常ネルンスト効果はある方向に磁化(M)した強磁性体に、熱流∇Tを加えた際にMと∇Tの双方と直交する方向(外積方向)に電界Eが生じる現象である。電界と熱流が同軸方向に生じる従来のゼーベック効果と比較すると、熱流となる面に磁性線を面内方向に結合させる極めて簡便な構造で電圧増幅が可能であり(左図)、大面積の熱源に対する応用が極めて容易である。また熱流に対し電界が直交する特徴を活かすことにより、ゼーベック効果では困難だった複雑な構造を持つ3次元的な熱源に対する応用も可能になる。例えば、右図に示すようなパイプ状の熱源に対し、磁性線を螺旋状に巻き付け、磁化方向をパイプの長手方向に揃えれば異常ネルンスト電界は常にパイプの接線方向に表れるため、容易に大きな電圧出力を得ることができる。これらを実現するためには、大きな異常ネルンスト効果を示す強磁性材料の開発が必須となる。
High Temp.
Low Temp.
EANE� TZ
Mx
－ 161－
磁性・スピントロニクス材料
