JP2017183319A

JP2017183319A - マンガンアルミニウム系磁石

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Publication number: JP2017183319A
Application number: JP2016063482A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　卓; Taku Sato; 卓佐藤
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2017-10-05

Abstract

【課題】高い残留磁化を有するマンガンアルミニウム系磁石を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係るマンガンアルミニウム系磁石は、Ｐｔ（１００）配向層と、前記Ｐｔ（１００）配向層の（１００）面の面直方向に積層した中間層と、τ−ＭｎＡｌ層がこの順に並んだ積層構造を有するマンガンアルミニウム系磁石であって、前記中間層はＰｔ比率が７５原子％以上９５原子％以下であるＰｔ−Ｍｎ−Ａｌ相であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、高い残留磁化を持つマンガンアルミニウム系磁石に関するものである。

希土類を含まない高特性磁石としてマンガンアルミニウム系磁石が注目されている。マンガンアルミニウム系磁石は、鋳造過程の後に押し出し加工や据え込み加工することによって、結晶配向を所定の方向に揃えることができ、高い残留磁化が得られる（特許文献１：特公昭５４−３１４４８号公報）。

一方、薄膜としてマンガンアルミニウム系磁石を作製した手法では、ＭｇＯ基板（特許文献２：特開平４−１２７５０８号公報）やＧａＡｓ基板（非特許文献１：ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒＶｏｌ.１０２ｐｐ．１５２４０５）上に成膜することで、膜面垂直方向に（００１）配向したτ−ＭｎＡｌ層が得られて、より高い残留磁化が得られている。さらに、メカニズムは不明であるがＭｇＯ基板とτ−ＭｎＡｌ層との間に、Ｍｎリッチなβ−Ｍｎ相を中間層として導入することで高い残留磁化が得られることが開示されている（特許文献３：特開平７−２１５４４号公報）。

特公昭５４−３１４４８号公報特開平４−１２７５０８号公報特開平７−２１５４４号公報

ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒＶｏｌ.１０２ｐｐ．１５２４０５

しかし、β−Ｍｎ相の格子定数はτ−ＭｎＡｌ相の格子定数と大きく離れており、格子不整合が大きい。したがって、十分な（００１）配向をもつτ−ＭｎＡｌ層が得られず、大きな残留磁束密度が得られない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より高い残留磁化を有するマンガンアルミニウム系磁石を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明者らはマンガンアルミニウム系磁石の残留磁化向上のためにより格子不整合が小さくなる構造について鋭意研究をした。まず、様々な材料とτ−ＭｎＡｌ（００１）面との不整合を比較検討した結果、Ｐｔ（１００）面が最も格子不整合が小さい事を見出した。その後、実験を重ねた結果、Ｐｔ（１００）層にＭｎとＡｌを添加することで、さらに不整合が小さくなると着想し、検討を続けた。その結果、Ｐｔ（１００）配向層と、前記Ｐｔ（１００）配向層の（１００）面の面直方向に積層したＰｔ−Ｍｎ−Ａｌ中間層と、さらに前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ａｌ中間層に積層したτ−ＭｎＡｌ層を有する磁石にて高い残留磁化が得られることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものである。

本発明のマンガンアルミニウム系磁石は、Ｐｔ（１００）配向層と、前記Ｐｔ（１００）配向層の（１００）面の面直方向に積層した中間層と、τ−ＭｎＡｌ層がこの順に並んだ積層構造を有するマンガンアルミニウム系磁石であって、前記中間層はＰｔ比率が７５原子％以上９５原子％以下であるＰｔ−Ｍｎ−Ａｌ相であることを特徴とする。

本発明に係るマンガンアルミニウム系磁石における中間層は、Ｐｔ（１００）配向層とτ−ＭｎＡｌ層の間に存在する。これにより、Ｐｔ（１００）面とτ−ＭｎＡｌ（００１）面の格子不整合を緩和し、τ−ＭｎＡｌ（００１）の配向度を向上させることができる。ここで、前記中間層は、Ｐｔ−Ｍｎ−Ａｌ相であって、そのＰｔ比率は７５原子％以上９５原子％以下である。前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ａｌ相のＰｔ比率が７５原子％未満になると、中間層へのＭｎ、Ａｌ添加による格子定数変化が過剰となり、格子不整合を緩和する効果が十分ではなくなる。また、Ｐｔ比率が９５原子％を超えると、中間層へのＭｎ、Ａｌ添加による格子定数変化が不十分となり、格子不整合を緩和する効果が十分ではなくなる。

本発明によれば、より高い残留磁化を有するマンガンアルミニウム系磁石を得ることができる。

図１は本発明に係る磁石の断面TEM像及びその電子線回折像である。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下に記載の実施形態及び実施例の内容により限定されるものではない。また、以下に記載の実施形態及び実施例にて示された構成要素は適宜組み合わせても良いし、適宜選択してもよい。

本実施に係るマンガンアルミニウム系磁石は、Ｐｔ（１００）配向層と、前記Ｐｔ（１００）配向層の（１００）面の面直方向に積層した中間層と、τ−ＭｎＡｌ層がこの順に並んだ積層構造を有するマンガンアルミニウム系磁石であって、前記中間層はＰｔ比率が７５原子％以上９５原子％以下であるＰｔ−Ｍｎ−Ａｌ相である。

本実施に係るマンガンアルミニウム系磁石におけるＰｔ（１００）配向層は、Ｐｔ単層である必要はなく、多層構造を持っていてもよい。また、Ｐｔ（１００）配向層がＰｔ（１００）単結晶であってもよい。Ｐｔは面心立法格子構造（ｆｃｃ構造）を持ち、＜１１０＞方向の格子定数がτ−ＭｎＡｌと近いことから、格子不整合が非常に小さい。

本実施に係るマンガンアルミニウム系磁石における中間層は、Ｐｔ（１００）配向層とτ−ＭｎＡｌ層の間に存在する。これにより、Ｐｔ（１００）面とτ−ＭｎＡｌ（００１）面の格子不整合を緩和し、τ−ＭｎＡｌ（００１）の配向度を向上させることができる。ここで、前記中間層は、Ｐｔ−Ｍｎ−Ａｌ相であって、そのＰｔ比率は７５原子％以上９５原子％以下である。前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ａｌ相のＰｔ比率が７５原子％未満になると、中間層へのＭｎ、Ａｌ添加による格子定数変化が過剰となり、格子不整合を緩和する効果が十分ではなくなる。また、Ｐｔ比率が９５原子％を超えると、中間層へのＭｎ、Ａｌ添加による格子定数変化が不十分となり、格子不整合を緩和する効果が十分ではなくなる。
また、前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ａｌ相はｆｃｃ構造を持つことが好ましい。面心立法格子構造のＰｔの一部がＭｎもしくはＡｌで置換されていることにより、Ｐｔ（１００）配向層とτ−ＭｎＡｌ層の格子不整合を緩和する効果を高くすることができる。

本実施に係るマンガンアルミニウム系磁石におけるτ−ＭｎＡｌ層は、強磁性相であるτ−ＭｎＡｌ相の単相であることが好ましいが、非磁性層であるγ２相やβ相、アモルファス相を含んでいてもよい。もしくは、τ−ＭｎＡｌのＭｎもしくはＡｌサイトを一部Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉで置換した多元系τ−ＭｎＡｌでもよい。また、前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ａｌ中間層とτ−ＭｎＡｌ層の間、もしくは前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ａｌ中間層とＰｔ（１００）配向層の間に拡散相が存在してもよい。

次に、本実施形態に係るマンガンアルミニウム系磁石の製造法について述べる。

本実施形態に係るマンガンアルミニウム系磁石作製の一例として、スパッタリングによる製造法について説明する。

材料として、先ずタ−ゲット材を準備する。タ−ゲット材としては、Ｍｎ、ＡｌおよびＰｔの各単元素タ−ゲット材を使用する。

タ−ゲット材は、保管中に表面から酸化する。そのため、これらのタ−ゲット材の使用前には、スパッタリングを十分に行い、タ−ゲット材の清浄表面を出しておく必要がある。

スパッタリングにて成膜を行う基材は、Ｐｔ単結晶である。もしくは、各種の金属、ガラス、シリコン、セラミックスなどの上に積層したＰｔ（１００）配向膜でもよい。これらの基材の使用前には、洗浄を十分に行い基材表面に付着したチリや有機物を除去する必要がある。

スパッタリングを行う成膜装置は、Ｏ、Ｎ、Ｃ等の不純物元素を極力低減することが望ましいため、１０^−６Ｐａ以下、より好ましくは１０^−８Ｐａ以下となるまで真空槽内が排気されていることが望ましい。高い真空状態を保つため、成膜室と繋がった基材導入室を有することが望ましい。また、タ−ゲット材の使用前には、スパッタリングを十分に行い、タ−ゲット材の清浄表面を出しておく必要があるため、成膜装置は、基材とタ−ゲット材の間に真空状態で操作可能な遮蔽機構を有することが望ましい。スパッタリングの方法は、不純物元素を極力低減するという目的で、より低Ａｒ雰囲気でスパッタリングが可能となるマグネトロン・スパッタリング法が好ましい。スパッタリングの電源は、ＤＣ、ＲＦどちらでも使用可能であり、タ−ゲット材に応じて適宜選択できる。

上述したタ−ゲット材および基材を用いて、Ｐｔ−Ｍｎ−Ａｌ中間層を作製するには、ＰｔとＭｎとＡｌタ−ゲットを３元同時スパッタリングする。その際、電源のパワ−は、サンプルの組成（Ｐｔ：Ｍｎ：Ａｌ）と成膜速度に応じて調整する。もしくは、ＭｎとＡｌタ−ゲットを２元同時スパッタリングし、その後基材を加熱し、相互拡散させることで作製してもよい。

スパッタリング中は、基材を３００〜５００℃で加熱し結晶化させる。

その後、τ−ＭｎＡｌ層を成膜する。τ−ＭｎＡｌ層を作製するには、ＭｎとＡｌタ−ゲットを２元同時スパッタリングする。その際、電源のパワ−は、サンプルの組成（Ｍｎ：Ａｌ）と成膜速度に応じて調整する。

次に、表面酸化防止のためにＲｕをスパッタリングする。

測定方法の説明
（磁気特性）
まず、本実施例及び比較例における測定方法について説明する。得られた磁石の磁気特性は、振動試料型磁力計（ＶＳＭ、玉川製作所製）を用いて室温にて、０〜３３０００Ｏｅの磁場中で測定した。
（相同定及び配向面判定）
また、得られたサンプルについて、ＸＲＤ（Ｒｉｇａｋｕ製、X線回折測定）を用いて室温にて２０°〜８０°範囲で回折強度を測定し、相同定及び配向面の判定を行った。通常、粉末回折強度でメインピークとなるｂｃｔ−τ−ＭｎＡｌ（１０１）面より、（００１）面の強度が大きい場合をτ−ＭｎＡｌ（００１）配向とした。

以下、本発明について、実施例・比較例を用いてさらに詳細に説明する。

（実施例１）
タ−ゲット材としては、Ｍｎ、ＡｌおよびＰｔの各単元素タ−ゲット材を使用した。また、成膜を行う基板には、純度９９．９％のＰｔ（１００）単結晶基板を使用した。成膜装置は１０^−８Ｔｏｒｒ以下まで排気可能であり、同一チャンバ−内に複数のスパッタリング機構を有する装置を用いた。この成膜装置に前記タ−ゲット材および保護膜に用いるＲｕタ−ゲット材を装着した。スパッタリングはマグネトロン・スパッタリング法を用いることによりＡｒ雰囲気で、ＤＣ電源にて行った。

まず、Ｐｔ（１００）単結晶基板上にＰｔ−Ｍｎ−Ａｌを成膜した。その際、ＤＣ電源のパワ−は、サンプルの組成（Ｐｔ：Ｍｎ：Ａｌ）に応じて調整した。すなわち膜のＰｔ比率が７５原子％となり、かつＭｎとＡｌとの組成比が５５：４５なるように、さらに合計の成膜速度が０．２ｎｍ/ｓとなるようにそれぞれのタ−ゲット材に対するＤＣ電源のパワ−を設定し、チャンバ−内のＡｒ雰囲気圧力を６×１０^−３Ｔｏｒｒに調整した。成膜は各種タ−ゲット材を同時にスパッタリングする同時成膜法にて厚みを５ｎｍとした。

成膜中の基板温度は３５０℃とした。

次に、ＭｎＡｌの成膜をした。ＭｎとＡｌとの組成比が５５：４５になり、かつ合計の成膜速度が０．２ｎｍ/ｓとなるようにそれぞれのタ−ゲット材に対するＤＣ電源のパワ−を設定し、チャンバ−内のＡｒ雰囲気圧力を６×１０^−３Ｔｏｒｒに調整した。成膜は各種タ−ゲット材を同時にスパッタリングする同時成膜法にて厚みを１００ｎｍとした。

基板温度は３５０℃で行い、その後真空中で室温まで冷却した後に、保護膜として、Ｒｕを成膜した。作製したサンプルの作製条件およびその磁気特性を表１に示す。

（実施例２〜５、比較例１，２）
また、表1に示す通り実施例２〜実施例５及び比較例１、比較例２についてはＰｔ−Ｍｎ−Ａｌ層のＰｔ比率が異なること以外はすべて実施例１と同様に作製した。

得られたサンプルのＶＳＭよる残留磁化測定を行った。また、得られたサンプルについて、ＸＲＤを用いて相同定及び配向面の判定を行った。

実施例１〜５では、配向面（００１）であるτ−ＭｎＡｌ相が観測され、高い残留磁化が得られた。これは、Ｐｔ−Ｍｎ−Ａｌ層上のτ−ＭｎＡｌが格子不整合の小さい（００１）面に配向した結果である。

比較例１では、τ−ＭｎＡｌ相が観測されたが無配向であり、高い残留磁化は得られなかった。これは、Ｐｔ−Ｍｎ−Ａｌ層の格子定数変化により、τ−ＭｎＡｌ（００１）面との格子不整合が大きくなった結果だと考えられる。また比較例２では、τ−ＭｎＡｌ（００１）配向が観測されたが、実施例と比較し（１０１）面の回折強度が強く観測されており、高い残留磁化が得られなかった。

実施例１におけるＰｔ（００１）単結晶基板、Ｐｔ−Ｍｎ−Ａｌ層及びＭｎＡｌ層界面の断面ＴＥＭ観察画像および電子線回折によるＰｔ−Ｍｎ−Ａｌ層の結晶方位を図１に示す。断面ＴＥＭの高角度散乱暗視野（ＨＡＡＤＦ）像にコントラストが確認されたことから、積層構造を有することがわかった。また、エネルギー分散Ｘ線分光法による元素分析によって、上記積層構造がＰｔ（００１）単結晶基板、Pt比率７５原子％であるＰｔ−Ｍｎ−Ａｌ層及びＭｎＡｌ層を有することが確認された。結晶方位の解析から、Ｐｔ−Ｍｎ−Ａｌ層はｆｃｃ構造を持つことが分かった。また、Ｐｔ基板では消滅則により見られなかった回折像が生じていることからＰｔ−Ｍｎ−Ａｌ層はｆｃｃ−Ｐｔ構造にＭｎとＡｌが置換している構造であることが推察された。また、実施例２〜５の試料についても同様の構造が観察された。

このように、Ｐｔ（１００）配向層と、前記Ｐｔ（１００）配向層の（１００）面の面直方向に積層した中間層と、τ−ＭｎＡｌ層がこの順に並んだ積層構造を有するマンガンアルミニウム系磁石であって、その中間層はＰｔ比率が７５原子％以上９５原子％以下であるＰｔ−Ｍｎ−Ａｌ相であることを特徴とするマンガンアルミニウム系磁石は、τ−ＭｎＡｌ（００１）配向させ、高い残留磁化が得られることがわかった。

Claims

Ｐｔ（１００）配向層と、前記Ｐｔ（１００）配向層の（１００）面の面直方向に積層した中間層と、τ−ＭｎＡｌ層がこの順に並んだ積層構造を有するマンガンアルミニウム系磁石であって、前記中間層はＰｔ比率が７５原子％以上９５原子％以下であるＰｔ−Ｍｎ−Ａｌ相であることを特徴とするマンガンアルミニウム系磁石。