JP2009224563A - Multiferroic element - Google Patents

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Yoshinori Tokura
好紀 十倉
Shintaro Ishiwatari
晋太郎 石渡
Yoshio Kaneko
良夫 金子
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multiferroic element capable of inducing a current by magnetic field with an intensity around hundreds of gauss, and controlling the intensity and direction of electric polarization. <P>SOLUTION: A multiferroic nanogenerator has a structure formed of a multiferroic solid-state material 1 sandwiched between metal electrodes 2, is arranged to be applied with an A.C. magnetic field 5 parallel to the metal electrodes 2, and utilizes a current induced between the metal electrodes 2. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a new functional element multiferroic element having both ferroelectricity and ferromagnetism, and provides a nanometer-sized nano power generation device because a displacement current can be generated by repetitive magnetization reversal. . Further, an element capable of generating electric polarization by an external magnetic field and controlling the intensity and direction thereof is provided. Further, it is used for a magnetic sensor necessary for reading information stored by magnetization. Further, this element can be applied to a technology related to a memory element.

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)。
特願2006−144309 Y.Yamasaki et al., Phys.Rev.Lett. 96, 207204(2006)
The inventors of the present application are multiferroic solid materials that combine ferroelectricity and ferromagnetism with a spin structure rotating so that the spin direction is along the outside of the cone, and generate electric polarization by an external magnetic field. Invented a multiferroic element using this (see Patent Literature 1 and Non-Patent Literature below).
Japanese Patent Application No. 2006-144309 Y. Yamazaki et al. Phys. Rev. Lett. 96, 207204 (2006)

しかしながら、この発明におけるMCr2 4 (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。 However, in the MCr 2 O 4 (M = Mn, Fe, Co, Ni) compound in the present invention, in order to control this, a very large external magnetic field strength of about several thousand gauss is required.

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。   In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a multiferroic element capable of inducing current with a magnetic field strength of about several hundred gauss and controlling the intensity and direction of electric polarization.

〔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。   [1] A multiferroic element is a multiferroic solid material having both ferroelectricity and ferromagnetism containing iron oxide as a main raw material, and is characterized in that current is induced by a weak external magnetic field of 300 gauss or less.

〔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。   [2] In multiferroic elements, a multiferroic solid material having both ferroelectricity and ferromagnetism containing iron oxide as the main raw material, and the intensity and direction of electric polarization can be controlled by a weak external magnetic field of 300 gauss or less. It is characterized by that.

〔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 2 Fe1222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。 [3] In the multiferroic element according to the above [1] or [2], the multiferroic solid material is a ferrite compound of A 2 B 2 Fe 12 O 22 , and A is Ca, Ba, Sr, or these It is composed of a mixture of two kinds of elements, and B is composed of Mg, Zn, Co, Ni, Cu.

〔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 2 ―xCxFe1222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。 [4] In the multiferroic element described in [1] or [2] above, the multiferroic solid material is a ferrite compound of A 2 B 2 —xCxFe 12 O 22 , and A is Ca, Ba, Sr, or these Characterized in that B is an element composed of Mg, Zn, Co, Ni, and Cu, C is an element composed of Zn, and the range of x is 0 <x ≦ 1. To do.

〔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。   [5] The multiferroic element according to [3] above, wherein the multiferroic solid material is further subjected to a heat treatment in oxygen at a temperature ranging from 400 ° C. to 800 ° C. for a time ranging from 100 to 400 hours. The temperature is increased to 260K.

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。   According to the present invention, the following effects can be achieved.

(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。   (1) Repetitive alternating magnetic field (magnetic field reversal) Furthermore, since a displacement current continues to flow through the wiring due to a weak magnetic field strength of 300 gauss or less, it functions as a nano-sized generator incorporating a nanometer-sized power generation coil. For example, by applying a repetitive weak magnetic field from outside the human body, driving power can be applied to a micro motor in a blood vessel of the human body.

(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。   (2) Since the magnetic sensor part and the electric polarization generating part can be made of the same solid material, it can be used as a data reading magnetic sensor that functions without having a special shape. As a result, the structure of the magnetic sensor element is simplified, resulting in significant cost merit. Since this magnetic sensor element can be miniaturized to the nano size, it becomes a magnetic sensor that can cope with the miniaturization of the magnetization region for storing information. Since this magnetic sensor can control polarization with a weak magnetic field, it becomes a highly sensitive magnetic sensor.

(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。   (3) Since a multiferroic memory element (referred to as an MFM element) is electric field induced unlike a current induced magnetic field, significant current consumption can be suppressed. Furthermore, since the induced magnetization has hysteresis, it has a memory effect and becomes a nonvolatile memory element. Since the element structure is also simple, a minute memory can be formed, and a high-density memory becomes possible. Fewer layer configurations dramatically reduce process costs. A new low power consumption, high integration, low manufacturing cost multiferroic nonvolatile memory element (MFM element) becomes possible.

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。   The multiferroic nanogenerator has a structure made of a multiferroic solid material sandwiched between metal electrodes, is arranged so as to apply an alternating magnetic field in parallel to the electrodes, and uses a current flowing between the electrodes. The magnetic sensor element has a structure made of a multiferroic solid material sandwiched between metal electrodes, and electric polarization generated in a direction substantially perpendicular to the magnetic field due to a weak magnetic field generated by a leakage magnetic field corresponding to information. May be detected by a voltmeter. The multiferroic memory element is made of a multiferroic solid material sandwiched between two metal electrodes. By applying a voltage between a specific selected bit line and a word line, magnetization is generated in a specific direction in a single memory element sandwiched between the selected lines. The generated magnetization has a memory function. A non-magnetic solid material is embedded between the memory elements. Data can be read by determining 0 or 1 based on the voltage intensity resulting from the polarization generated between a specific selected bit line and word line.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

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。   FIG. 1 is a schematic diagram of a multiferroic nanogenerator showing a first embodiment of the present invention.

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。   In this figure, 1 is a multiferroic solid material, 2 is a metal electrode formed on both sides of the multiferroic solid material 1, 3 is a wiring connected to the metal electrode 2, and 4 is connected to the wiring 3. The electrical device 5 is an alternating magnetic field that acts on the multiferroic solid material 1.

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。   As shown in FIG. 1, the multiferroic nanogenerator has a structure made of a multiferroic solid material 1 sandwiched between metal electrodes 2 and is arranged so as to apply an alternating magnetic field 5 in parallel to the metal electrodes 2. Then, the current flowing between the metal electrodes 2 may be used for the operation of the electric device 4. According to this embodiment, since the displacement current 6 continues to flow in the wiring 4 by a weak alternating magnetic field (magnetic field reversal) 5 of 300 gauss or less, nano-sized power generation in which a nanometer-sized power generation coil is incorporated. It functions as a machine. For example, by applying a repetitive magnetic field from outside the human body, driving power can be applied to a micro motor in a blood vessel of the human body.

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。   FIG. 2 is a schematic view of a multiferroic magnetic sensor element showing a second embodiment of the present invention.

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。   11 is a multiferroic solid material, 12 is a metal electrode formed on both sides of the multiferroic solid material 11, 13 is a wiring connected to the metal electrode 12, 14 is a voltmeter connected to the wiring 13, Reference numeral 15 denotes a perpendicular recording material in which data acting on the multiferroic solid material 11 is stored.

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。   As shown in FIG. 2, the magnetic sensor element has a structure made of a multiferroic solid material 11 sandwiched between metal electrodes 12, and is generated by a magnetic field generated by a leakage magnetic field of magnetization corresponding to information of the perpendicular recording material 15. The electric polarization generated in the direction substantially perpendicular to the magnetic field may be measured by the voltmeter 14.

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。   According to this embodiment, since the polarization can be generated by the magnetic field from the perpendicular recording material 15 in which data is stored, it functions as a data reading magnetic sensor.

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。   In this case, since the magnetic sensor unit and the electric polarization generating unit can be made of the same solid material, they function without having a special shape. As a result, the structure of the magnetic sensor element is simplified, resulting in significant cost merit. Since this sensor element can be miniaturized to a nano size, it becomes a magnetic sensor that can cope with the miniaturization of the magnetization region for storing information.

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。   The multiferroic memory element is made of a multiferroic solid material sandwiched between two metal electrodes. By applying a voltage from a DC power supply or an AC power supply via a wiring between a specific selected bit line and a word line, a single memory element sandwiched between the selected lines is magnetized in a specific direction. generate. The generated magnetization has a memory function. A multiferroic solid material is embedded between the memory elements.

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 Fe1222の単結晶を示す図面代用の写真である。 3 is a layout diagram of a multiferroic memory cell according to the present invention, FIG. 4 is a configuration diagram of magnetic field induced current generation of the multiferroic element, and FIG. 5 is a Ba 2 which is a multiferroic solid material according to the present invention. 2 is a photograph substituted for a drawing showing a single crystal of Mg 2 Fe 12 O 22 .

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。   In FIG. 3, 21 is a multiferroic solid material, 22 is upper and lower metal electrodes, 23 is a multiferroic memory cell, 24 is a bit line, and 25 is a wort line.

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。   In this figure, in reading data, 0 or 1 is determined based on the voltage intensity caused by the polarization generated between a specific selected bit line 24 and word line 25.

また、図4は実際の電流測定の際の構成図である。   FIG. 4 is a configuration diagram in actual current measurement.

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。   In this figure, 31 is a multiferroic solid material, 32 is upper and lower metal electrodes, 33 is a magnetic field applied from the outside, and 34 is the direction of electric polarization generated. An ammeter 35 measures the current between the upper and lower metal electrodes 32 of the multiferroic solid material 31 generated by the induced electric polarization. A silver paste was used as the electrode material, but there is no problem with other metals such as aluminum and gold.

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 Fe1222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。 Of the compounds having a hexagonal ferrite structure as the multiferroic solid material 31, the arrangement of crystal orientations when Ba 2 Mg 2 Fe 12 O 22 is used is shown in 36. The sample used is a single crystal produced by a flux method (see FIG. 5). In FIG. 5, the photograph is the [001] plane.

Ba2 Mg2 Fe1222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。 The crystal structure and magnetic structure of Ba 2 Mg 2 Fe 12 O 22 are shown in FIG. Its magnetic structure is a helical spin structure with a propagation vector in the [001] direction. Although it is ferrimagnetic (a type of ferromagnetism) at room temperature, it is helical at temperatures below −78 ° C. and conical at temperatures below −223 ° C. The magnetic structure at the right end represents a state in which the cone is inclined with respect to [001] by the magnetic field, and electrical polarization occurs perpendicular to the plane of the paper (the back is positive).

図7に、Ba2 Mg2 Fe1222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。 FIG. 7 shows the measurement results of current and electric polarization generated when a weak external magnetic field of 300 gauss was vibrated in the [100] direction in a Ba 2 Mg 2 Fe 12 O 22 crystal material. The measurement temperature is −268 ° C. It can be seen that a current flows in response to the application of an alternating magnetic field, and that the electric polarization also alternates between positive and negative. FIG. 8 schematically shows the time change of the applied magnetic field and the generated electric polarization in this measurement. The arrow on the cone indicates the direction in which the spin rotates along the propagation vector direction.

図9は電気分極の磁場方位依存性を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing the magnetic field orientation dependence of electric polarization.

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。   In FIG. 9, a schematic configuration for the measurement of magnetoelectric (ME) polarization under a horizontal rotating magnetic field is shown in FIG. 9 (a), and in FIG. 9 (d) a vertical configuration is shown. Fig. 2 shows a schematic arrangement for the measurement of magnetoelectric (ME) polarization under a rotating magnetic field. Here, φ and θ are defined as relative angles between B and [120] and between B and [001], respectively.

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。   FIGS. 9B, 9C, 9E, and 9F show the φ-dependence and θ-dependence of magnetoelectric polarization under a rotating magnetic field of 300 Gauss and 10,000 Gauss.

Ba2 Mg2 Fe1222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。 The Ba 2 Mg 2 Fe 12 O 22 crystal material can control the intensity and direction of the generated current and electric polarization in the direction of the external magnetic field to be applied. When a 300 gauss magnetic field is turned around [001], the electric polarization also rotates in the same plane [FIG. 9 (b)]. On the other hand, when the magnetic field is rotated around [120], the magnitude changes with the direction of the electric polarization unchanged (FIG. 9E). When a magnetic field of 10,000 Gauss is applied, the electric polarization also rotates when rotating in the [001] plane [FIG. 9 (c)], but the ferroelectric polarization disappears when rotating in the [120] plane [FIG. 9]. (F)]. In this way, the intensity of the current generated in the direction of the magnetic field and the intensity and direction of the electric polarization can be controlled.

以上、マルチフェロイック材料Ba2 Mg2 Fe1222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。 As described above, in the case of the multiferroic material Ba 2 Mg 2 Fe 12 O 22 , for the first time, it is possible to generate the current and electric polarization with a weak external magnetic field of 300 gauss and to control the intensity and direction of the electric polarization. Demonstrated. The applied magnetic field intensity was a weak magnetic field of about 300 Gauss in this example. In the conventional example, in order to obtain the same current intensity, a magnetic field intensity of about several thousand gauss is necessary. Furthermore, if the material is selected, the current density can be improved.

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。   The measurement temperature in the embodiment is a temperature region of −268 ° C. and a very low temperature region. However, since such a phenomenon occurs in a spin state exhibiting spiral magnetism, the spiral magnetic transition may be brought to a high temperature. It is possible to increase the helical magnetic transition temperature to 260 K by adding a heat treatment in the range of 400 to 800 ° C. in oxygen and in the range of 100 to 400 hours. Furthermore, the possibility of normal temperature is high by optimizing the temperature process.

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 Fe1222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。 In the multiferroic solid material Ba 2 Mg 2 Fe 12 O 22 having both ferromagnetism and ferroelectricity, it has been shown in the embodiment that the electric current and electric polarization can be controlled by an external magnetic field. It is possible to form electric polarization and generate magnetization. In a ferroelectric, the positive and negative directions of electric polarization can be controlled by an electric field. If the reversal of electric polarization occurs at this time, it is self-evident that the reversal of magnetization occurs simultaneously in a multiferroic material having a spin helical structure.

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。   In addition, this invention is not limited to the said Example, Based on the meaning of this invention, a various deformation | transformation is possible and these are not excluded from the scope of the present invention.

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。   The multiferroic element of the present invention can provide a nano-sized power generation device, a magnetic sensor that reads information on an element stored by magnetization, and a low-cost memory element.

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。It is a schematic diagram of the multiferroic nanogenerator which shows 1st Example of this invention. 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。It is a schematic diagram of the multiferroic magnetic sensor element which shows 2nd Example of this invention. 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。FIG. 3 is a layout diagram of multiferroic memory cells according to the present invention. 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。It is a block diagram of the magnetic field induced current generation | occurrence | production of the multiferroic element concerning this invention. 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 Fe1222の単結晶を示す図面代用写真である。It is a drawing-substituting photograph showing a single crystal of Ba 2 Mg 2 Fe 12 O 22 is a multiferroic solid material according to the present invention. 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 Fe1222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。A magnetic structure view crystal structure of multiferroic Ba 2 Mg 2 Fe 12 O 22 is a solid state material and [001] direction with a propagation vector of the present invention. 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 Fe1222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。It is a figure which shows the measurement result of the displacement current when an external magnetic field is vibrated in the [100] direction to Ba 2 Mg 2 Fe 12 O 22 which is a multiferroic solid material according to the present invention. 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。It is a schematic diagram showing the time change (upper stage) of the spin structure and the time change of the magnetic field / electric polarization when the magnetic field is vibrated in the [100] direction. 電気分極の磁場方位依存性を示す図である。It is a figure which shows the magnetic field orientation dependence of an electric polarization.

符号の説明Explanation of symbols

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 Fe1222を用いた場合の結晶方位の配置
1,11,21,31 Multiferroic solid material 2,12,22,32 Metal electrode 3,13 Wiring 4 Electrical equipment 5 AC magnetic field 6 Displacement current 14 Voltmeter 15 Vertical recording material 23 Multiferroic memory cell 24 Bit line 25 Wort line 33 Magnetic field applied from the outside 34 Direction of generated electric polarization 35 Ammeter 36 Arrangement of crystal orientation when using Ba 2 Mg 2 Fe 12 O 22

Claims (5)

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。   A multiferroic element which is a multiferroic solid material having both ferroelectricity and ferromagnetism containing iron oxide as a main material, and in which a current is induced by a weak external magnetic field of 300 gauss or less. 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。   A multiferroic solid material that contains both iron and iron as its main raw material and has both ferroelectricity and ferromagnetism, and the strength and direction of electric polarization can be controlled by a weak external magnetic field of 300 gauss or less. element. 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 2 Fe1222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。 3. The multiferroic element according to claim 1, wherein the multiferroic solid material is a ferrite compound of A 2 B 2 Fe 12 O 22 , and A is Ca, Ba, Sr or a mixture of these two elements. A multiferroic element characterized in that B is an element composed of Mg, Zn, Co, Ni, and Cu. 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 2 ―xCxFe1222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。 3. The multiferroic element according to claim 1, wherein the multiferroic solid material is a ferrite compound of A 2 B 2 —xCxFe 12 O 22 , and A is Ca, Ba, Sr, or two kinds of these elements. A multiferroic device comprising a mixture, wherein B is an element composed of Mg, Zn, Co, Ni, and Cu, C is an element composed of Zn, and the range of x is 0 <x ≦ 1. 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。   4. The multiferroic element according to claim 3, wherein the multiferroic solid material is further heat-treated in oxygen in the range of 400 ° C. to 800 ° C. in the range of 100 to 400 hours, and the helical magnetic transition temperature is increased to 260K. A multiferroic element characterized by high temperature.
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