JP4999016B2 - Multiferroic element - Google Patents

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本発明は、強誘電性と強磁性を合わせもつ新機能素子としてのマルチフェロイックス素子に係り、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し、その強度や方向を制御可能な素子を提供する。また、外部電場により磁化の強度や方向を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も応用できる。   The present invention relates to a multiferroic element as a new functional element having both ferroelectricity and ferromagnetism, and it is possible to generate a displacement current by repetitive magnetization reversal. provide. In addition, an element capable of generating electric polarization by an external magnetic field and controlling the intensity and direction thereof is provided. In addition, an element capable of controlling the intensity and direction of magnetization by an external electric field is provided. Further, it is used for a magnetic sensor necessary for reading information stored by magnetization. Furthermore, this element can also be applied to technologies related to memory elements.

本発明者らは、強誘電性と強磁性とを合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、Y型フェライト化合物が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ス素子を提案した(下記特許文献1,非特許文献1参照)。   The present inventors have proposed a multiferroic element made of a multiferroic solid material having both ferroelectricity and ferromagnetism, and using a Y-type ferrite compound that generates electric polarization by an external magnetic field (see below). (See Patent Literature 1 and Non-Patent Literature 1).

国際公開第07/135817号公報International Publication No. 07/135817

S.Ishiwata et al.,Science,Vol.319,No.5870,pp.1643−1647(2008)S. Ishiwata et al. , Science, Vol. 319, no. 5870, pp. 1643-1647 (2008) Z.Somogyvari et al.,Journal of Magnetism and Magnetic Materials,Vol.304,pp.e775−e777(2006)Z. Somogyvari et al. , Journal of Magnetics and Magnetic Materials, Vol. 304, pp. e775-e777 (2006) H.Katsura et al.,Phys.Rev.Lett.Vol.95,057205(2005)H. Katsura et al. Phys. Rev. Lett. Vol. 95,057205 (2005)

上記に提案されたBa2 Mg2 Fe1222などのY型フェライト材料は、飽和磁気分極が小さいなどの問題があり、永久磁石としての応用に関しては実用には供していない。したがって、既に永久磁石として実用化されている永久磁石の固体材料と同じか同種の原料でマルチフェロイックスの機能が得られれば、主な出発原料が同じであり、その後の生産プロセスの焼成条件も同一条件にできるので、生産性の観点から大変望ましい。 The Y-type ferrite materials such as Ba 2 Mg 2 Fe 12 O 22 proposed above have problems such as low saturation magnetic polarization, and have not been put into practical use as permanent magnets. Therefore, if the multiferroics function can be obtained with the same or the same kind of raw material as the permanent magnet solid material that has already been put into practical use as a permanent magnet, the main starting materials are the same, and the firing conditions of the subsequent production process are also the same. It is very desirable from the viewpoint of productivity because it can be made the same condition.

本発明は、上記状況に鑑みて、既に市場で大量に生産されているM(マグネトプラムバイト)型フェライト磁石により、外部磁場で電流を誘起でき、外部磁場で電気分極の強度や方向を制御でき、また、外部電場で誘起した磁化の強度や方向を制御でき、且つ、室温の動作環境温度において動作可能なマルチフェロイックス素子を提供することを目的とする。   In view of the above situation, the present invention is capable of inducing current in an external magnetic field and controlling the intensity and direction of electric polarization with an external magnetic field by an M (magnetopram bite) type ferrite magnet already produced in large quantities on the market. Another object of the present invention is to provide a multiferroic element capable of controlling the intensity and direction of magnetization induced by an external electric field and operable at an operating environment temperature of room temperature.

特に、AがBa,Srからなる元素であることを特徴とする、AFe1219もしくはAO・6(Fe2 3 )と表記されるM(マグネトプラムバイト)型フェライトは、現在世界で広く使われている永久磁石で最大の生産規模をもつ磁石である。実際、2004年の永久磁石の生産量は、M型フェライト焼結磁石、M型フェライトボンド磁石を合わせて実に年間69万トンであり、大きな磁化率をもつ希土類磁石の開発後においても、数段に原料が安価であり、コスト的に有利であることから、年々増加の一途をたどっている。その原料はバリウムや鉄からなり資源も格段に豊富であり、地球資源の有効活用の観点からも有用である。フェライト系永久磁石の応用は回転機器(OA用、FA用、家電用、車載用、発電機用)のモータ、制御機器(センサー、スイッチ)、複写機やレーザプリンタのマグネットロールなどの応用機器などの多岐に及ぶ。本発明は、このM型フェライト永久磁石に関わるマルチフェロイックス素子を提供する。 In particular, M (magnetoprambite) type ferrite expressed as AFe 12 O 19 or AO 6 (Fe 2 O 3 ), characterized in that A is an element composed of Ba and Sr, is widely used in the world. It is a permanent magnet that has the largest production scale. In fact, the production of permanent magnets in 2004 is 690,000 tons per year, including both M-type sintered ferrite magnets and M-type ferrite bonded magnets. Even after the development of rare-earth magnets with a large magnetic susceptibility, there are several stages. However, since raw materials are inexpensive and advantageous in terms of cost, they are increasing year by year. The raw material is made of barium and iron, and the resources are extremely abundant, which is useful from the viewpoint of effective use of earth resources. Ferrite permanent magnets can be applied to motors for rotating equipment (OA, FA, home appliances, automotive, generators), control equipment (sensors, switches), application machines such as magnet rolls for copiers and laser printers, etc. A wide variety. The present invention provides a multiferroic element related to this M-type ferrite permanent magnet.

〔1〕M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部磁場を作用させることにより電流を誘起するマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料はAFe 12-x x 19 のM(マグネトプラムバイト)型フェライトであり、AはCa,Ba,Sr,Pbもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、Bは3価元素であるScであり、xの範囲は1.6<x≦2であることを特徴とする。 [1 ] A multiferroic element composed of a multiferroic solid material having both ferroelectricity and ferromagnetism composed of M (magnetoprambite) type ferrite, and inducing an electric current by applying an external magnetic field at room temperature. The multiferroic solid material is AFe 12-x B x O 19 M (magnetoprambite) type ferrite, and A is composed of Ca, Ba, Sr, Pb or a mixture of these two elements, and B Is a trivalent element, and the range of x is 1.6 <x ≦ 2 .

M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部磁場を作用させることにより電流を誘起するマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料はAFe 12-x-y x y 19 のM(マグネトプラムバイト)型フェライトであり、AはCa,Ba,Sr,Pbもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、Bは3価元素であるScであり、Cは2価元素であるMg,Ca,Zn,Co,Ni,Cuもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、xの範囲は1.6<x≦2、yの範囲は0<y≦1であることを特徴とする。 [ 2 ] A multiferroic element made of a multiferroic solid material having both ferroelectricity and ferromagnetism composed of M (magnetoprambite) type ferrite and inducing an electric current by applying an external magnetic field at room temperature. The multiferroic solid material is AFe 12-xy B x C y O 19 M (magnetoprambite) type ferrite, and A is composed of Ca, Ba, Sr, Pb or a mixture of these two elements. , B is Sc which is a trivalent element, C is made of Mg, Ca, Zn, Co, Ni, Cu or a mixture of these two elements which are divalent elements, and the range of x is 1.6 < The range of x ≦ 2 and y is 0 <y ≦ 1 .

M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部磁場を作用させることにより電流を誘起するマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料は、酸素ガス雰囲気2気圧以上の高圧ガス雰囲気中で、光ランプによる浮遊溶融帯製造法により作製した単結晶であることを特徴とする。 [ 3 ] A multiferroic element composed of a multiferroic solid material having both ferroelectricity and ferromagnetism composed of M (magnetoprambite) type ferrite and inducing an electric current by applying an external magnetic field at room temperature. The multiferroic solid material is a single crystal produced by a floating melting zone manufacturing method using a light lamp in a high-pressure gas atmosphere of 2 atmospheres or more in an oxygen gas atmosphere .

M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部磁場を作用させることにより電気分極の強度及び方向を制御可能にしたマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料はAFe 12-x x 19 のM(マグネトプラムバイト)型フェライトであり、AはCa,Ba,Sr,Pbもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、Bは3価元素であるScであり、xの範囲は1.6<x≦2であることを特徴とする。 [ 4 ] A multiferroic solid material consisting of M (magnetoprambite) type ferrite, which combines ferroelectricity and ferromagnetism, and can control the intensity and direction of electric polarization by applying an external magnetic field at room temperature. A multiferroic element, wherein the multiferroic solid material is AFe 12-x B x O 19 M (magnetoprambite) type ferrite, and A is Ca, Ba, Sr, Pb or two of these It is composed of a mixture of elements, B is Sc which is a trivalent element, and the range of x is 1.6 <x ≦ 2 .

M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部磁場を作用させることにより電気分極の強度及び方向を制御可能にしたマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料はAFe 12-x-y x y 19 のM(マグネトプラムバイト)型フェライトであり、AはCa,Ba,Sr,Pbもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、Bは3価元素であるScであり、Cは2価元素であるMg,Ca,Zn,Co,Ni,Cuもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、xの範囲は1.6<x≦2、yの範囲は0<y≦1であることを特徴とする。 [ 5 ] Made of M (ferroplumbite) type ferrite, which is a multiferroic solid material that combines ferroelectricity and ferromagnetism, and can control the intensity and direction of electric polarization by applying an external magnetic field at room temperature. In the multiferroic element, the multiferroic solid material is M (magnetoprambite) ferrite of AFe 12-xy B x C y O 19 , and A is Ca, Ba, Sr, Pb, or two of these. It is composed of a mixture of two kinds of elements, B is Sc which is a trivalent element, C is composed of Mg, Ca, Zn, Co, Ni, Cu which are divalent elements or a mixture of these two kinds of elements, and x The range is 1.6 <x ≦ 2, and the range y is 0 <y ≦ 1 .

M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部磁場を作用させることにより電気分極の強度及び方向を制御可能にしたマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料は、酸素ガス雰囲気2気圧以上の高圧ガス雰囲気中で、光ランプによる浮遊溶融帯製造法により作製した単結晶であることを特徴とする。 [ 6 ] Made of M (ferroplumbite) type ferrite, which is a multiferroic solid material that combines ferroelectricity and ferromagnetism, making it possible to control the strength and direction of electric polarization by applying an external magnetic field at room temperature. In the multiferroic element, the multiferroic solid material is a single crystal produced by a floating melting zone manufacturing method using a light lamp in a high-pressure gas atmosphere of 2 atmospheres or more in an oxygen gas atmosphere .

M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部電場を作用させることにより磁化の強度及び方向を制御可能にしたマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料はAFe 12-x x 19 のM(マグネトプラムバイト)型フェライトであり、AはCa,Ba,Sr,Pbもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、Bは3価元素であるScであり、xの範囲は1.6<x≦2であることを特徴とする。 [ 7 ] A multiferroic solid material consisting of M (magnetoprambite) type ferrite that has both ferroelectricity and ferromagnetism, and can control the strength and direction of magnetization by applying an external electric field at room temperature. It is a ferroic element, and the multiferroic solid material is AFe 12-x B x O 19 M (magnetoprambite) type ferrite, and A is Ca, Ba, Sr, Pb or these two kinds of elements. B is Sc which is a trivalent element, and the range of x is 1.6 <x ≦ 2 .

M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部電場を作用させることにより磁化の強度及び方向を制御可能にしたマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料はAFe 12-x-y x y 19 のM(マグネトプラムバイト)型フェライトであり、AはCa,Ba,Sr,Pbもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、Bは3価元素であるScであり、Cは2価元素であるMg,Ca,Zn,Co,Ni,Cuもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、xの範囲は1.6<x≦2、yの範囲は0<y≦1であることを特徴とする。 [ 8 ] A multiferroic solid material composed of M (magnetoprambite) type ferrite that has both ferroelectricity and ferromagnetism, and can control the strength and direction of magnetization by applying an external electric field at room temperature. In the ferroic element, the multiferroic solid material is AFe 12-xy B x C y O 19 M (magnetoprambite) type ferrite, and A is Ca, Ba, Sr, Pb, or two kinds thereof. B is a trivalent element Sc, C is a divalent element Mg, Ca, Zn, Co, Ni, Cu or a mixture of these two elements, and x The range is 1.6 <x ≦ 2, and the range y is 0 <y ≦ 1 .

M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部電場を作用させることにより磁化の強度及び方向を制御可能にしたマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料は、酸素ガス雰囲気2気圧以上の高圧ガス雰囲気中で、光ランプによる浮遊溶融帯製造法により作製した単結晶であることを特徴とする。 [ 9 ] A multiferroic solid material composed of M (magnetoprambite) type ferrite that has both ferroelectricity and ferromagnetism, and can control the strength and direction of magnetization by applying an external electric field at room temperature. In the ferroic element, the multiferroic solid material is a single crystal produced by a floating melting zone manufacturing method using a light lamp in a high-pressure gas atmosphere having an oxygen gas atmosphere of 2 atm or more .

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。
(1)反復的な交流磁場(磁場反転) 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機として機能する。例えば、人体の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。
(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メートルサイズまで微細化すること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。
According to the present invention, the following effects can be achieved.
(1) Since the displacement current continues to flow through the wiring by repetitive alternating magnetic field (magnetic field reversal), it functions as a nanometer-sized generator. 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.
(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 a nanometer size, it becomes a magnetic sensor that can cope with the miniaturization of the magnetized region for storing information.

(3)マルチフェロイックスメモリ素子は、電流誘起による磁界発生機構を用いた磁気メモリ素子(MRAM)と異なり電界誘起なので、流れる電流が小さく電力消費を大幅に抑えることが可能なメモリ素子となる。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ナノメートルサイズの微細なメモリ構造を構成することができ、高密度メモリ素子が可能となる。少ない層構成はプロセスコストを飛躍的に低減する。低消費電力、高集積、低製造コストの新しいマルチフェロイックス不揮発性メモリ素子が可能となる。   (3) Unlike the magnetic memory element (MRAM) using a current-induced magnetic field generation mechanism, the multiferroic memory element is an electric field induced, and thus a memory element that has a small current flow and can significantly reduce power consumption. Since the induced magnetization has hysteresis, it has a memory effect and becomes a nonvolatile memory element. Since the device structure is also simple, a nanometer-sized fine memory structure can be formed, and a high-density memory device is possible. Fewer layer configurations dramatically reduce process costs. A new multiferroic nonvolatile memory device with low power consumption, high integration, and low manufacturing cost becomes possible.

本発明の第1実施例を示すマルチフェロイックス素子としてのマルチフェロイックスナノ発電機の模式図である。It is a schematic diagram of the multiferroic nanogenerator as a multiferroic element 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ス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. 本発明に係わるマルチフェロイックス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. 本発明に係わるマルチフェロイックス素子の磁場誘起電流発生の確認実験を示す実験配置図である。It is an experiment arrangement | positioning figure which shows the confirmation experiment of the magnetic field induced current generation | occurrence | production of the multiferroic element concerning this invention. 図4における実験配置にて用いるマルチフェロイックス固体材料BaFe10.2Sc1.75Mg0. 05 19の結晶方位と外部磁場との相関関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the correlation between the crystal orientation of the multiferroic solid material BaFe 10.2 Sc 1.75 Mg 0.05 A 19 used in the experimental arrangement in FIG. 4 and an external magnetic field. 本発明のマルチフェロイックス固体材料であるBaFe10.2Sc1.75Mg0.0519結晶材料に外部磁場を与えた場合に発生する電気分極の外部磁場依存性を示す図である。It is a diagram illustrating an external magnetic field dependence of the multiferroic solid which is a material BaFe 10.2 Sc 1.75 Mg 0.05 O 19 electric polarization that occur when applying an external magnetic field to the crystal material of the present invention. 図6で用いたマルチフェロイックス固体材料の六方晶構造の結晶方位と外部磁場と発生した分極の方向(二重丸は紙面に垂直で紙面表から裏に向かった方向を示す)の相関関係を示す図である。The correlation between the crystal orientation of the hexagonal structure of the multiferroic solid material used in Fig. 6, the external magnetic field and the direction of polarization generated (double circles are perpendicular to the page and indicate the direction from the front to the back). FIG. 本発明のマルチフェロイックス固体材料であるBaFe10.35 Sc1.6 Mg0.0519において、交流外部磁場(c)を印加した場合に発生する電流(a)と電気分極(b)を示す図である。In BaFe 10.35 Sc 1.6 Mg 0.05 O 19 is a multiferroic solid material of the present invention, is a diagram showing a current (a) an electric polarization (b) that occurs when applying an alternating external magnetic field (c). M型フェライトBaFe1219の結晶構造と磁気構造を示す図である。It is a diagram showing the crystal structure and magnetic structure of the M-type ferrite BaFe 12 O 19. 本発明に係わるマルチフェロイックス固体材料であるBaFe12-x-δScx Mgδ19(δ=0.05)結晶材料のTc以下における円錐型螺旋スピン構造図である。It is a conical spiral spin structure diagram below Tc of BaFe 12-x-δ Sc x Mg δ O 19 (δ = 0.05) crystal material which is a multiferroic solid material according to the present invention. 本発明に係わるマルチフェロイックス固体材料であるBaFe12-x-δScx Mgδ19(δ=0.05)結晶材料におけるSc濃度xが1.6から2の時のc軸方向に垂直な〔100〕方向の磁化の温度依存性を示す図である。The BaFe 12-x-δ Sc x Mg δ O 19 (δ = 0.05) crystal material, which is a multiferroic solid material according to the present invention, is perpendicular to the c-axis direction when the Sc concentration x is 1.6 to 2. It is a figure which shows the temperature dependence of magnetization of a [100] direction. 本発明に係わるマルチフェロイックス固体材料であるBaFe12-x-δScx Mgδ19(δ=0.05)結晶材料において、円錐型螺旋スピン構造を示す転移温度(Tc)とSc濃度xとの関係を示す図である。In multiferroic BaFe 12-x-δ Sc x Mg δ O 19 (δ = 0.05) is a hex solid material crystalline material of the present invention, transition temperature showing a conical helical spin structure (Tc) Sc concentration x It is a figure which shows the relationship. 本発明に係わるマルチフェロイックス固体材料であるBaFe12-x-δScx Mgδ19(δ=0.05)結晶材料におけるSc濃度xが1.75の時の〔001〕方向(c軸)とこれに垂直な〔100〕方向の磁化の温度依存性を示す図である。[001] direction (c-axis) when the Sc concentration x is 1.75 in the BaFe 12-x-δ Sc x Mg δ O 19 (δ = 0.05) crystal material which is a multiferroic solid material according to the present invention. ) And the temperature dependence of magnetization in the [100] direction perpendicular thereto. 本発明に係わるマルチフェロイックス固体材料であるBaFe12-x-δScx Mgδ19(δ=0.05)結晶材料におけるSc濃度xが1.75の時の磁場誘起により発生した変位電流の温度依存性を示す図である。Displacement current generated by magnetic field induction when the Sc concentration x is 1.75 in the BaFe 12-x-δ Sc x Mg δ O 19 (δ = 0.05) crystal material which is a multiferroic solid material according to the present invention. It is a figure which shows the temperature dependence of. 本発明に係わるマルチフェロイックス固体材料であるBaFe10.2Sc1.75Mg0.0519の単結晶を示す図面代用の写真である。A single crystal of BaFe 10.2 Sc 1.75 Mg 0.05 O 19 is a multiferroic solid material according to the present invention is a photograph alternative to a drawing showing.

マルチフェロイックス素子としてのマルチフェロイックスナノ発電機は、金属電極に挟まれたマルチフェロイックス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され、電極間に流れる電流を利用する。
マルチフェロイックス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ス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磁場により、その磁場にほぼ垂直な方向で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。
A multiferroic nanogenerator as a multiferroic element 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 flows between the electrodes. Use current.
A multiferroic magnetic sensor element has a structure made of a multiferroic solid material sandwiched between metal electrodes, and is generated in a direction substantially perpendicular to the magnetic field generated by a leakage magnetic field of magnetization corresponding to information. What is necessary is just to set it as the structure which detects an electric polarization with a voltmeter.

また、マルチフェロイックスメモリ素子は、二つの金属電極に挟まれたマルチフェロイックス固体材料からなり、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の磁化を発生させる。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。データの読み出しについては、特定の選択されたビット線とワード線の間に発生した電気分極に起因する電圧強度によって0もしくは1を判定すればよい。   The multiferroic memory device is made of a multiferroic solid material sandwiched between two metal electrodes, and is selected by applying a voltage between a specific selected bit line and a word line. Magnetization in a specific direction is generated in a single memory element sandwiched between lines. The generated magnetization has a memory function. A non-magnetic solid material is embedded between the memory elements. For data reading, 0 or 1 may be determined based on the voltage intensity caused by the electric 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。
図1は本発明の第1実施例を示すマルチフェロイックス素子としてのマルチフェロイックスナノ発電機の模式図である。
この図において、1はマルチフェロイックス固体材料、2はそのマルチフェロイックス固体材料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ス固体材料1に作用する交流磁場である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a schematic diagram of a multiferroic nanogenerator as a multiferroic element showing a first embodiment of the present invention.
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. An 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スナノ発電機は、金属電極2に挟まれたマルチフェロイックス固体材料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され、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3には反復的な交流磁場(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、人体の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サイズの微小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 nano-generator 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. 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 3 due to repetitive alternating magnetic field (magnetic field reversal) 5, it functions as a nano-sized generator in which a nanometer-sized power generation coil is incorporated. For example, by applying a repetitive magnetic field from the outside of the human body, driving power can be applied to a micro-sized micromotor 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ス磁気センサー素子の模式図である。
この図において、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ス固体材料11に作用するデータが記憶された垂直磁気記録材料である。
FIG. 2 is a schematic view of a multiferroic magnetic sensor element showing a second embodiment of the present invention.
In this figure, 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, and 14 is connected to the wiring 13. A voltmeter 15 is a perpendicular magnetic recording material in which data acting on the multiferroic solid material 11 is stored.

図2に示すように、マルチフェロイックス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ス固体材料11からなる構造を有し、垂直磁気記録材料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で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。
この実施例によれば、マルチフェロイックス磁気センサー素子は、データが記憶された垂直磁気記録材料15からの磁場により電気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。
As shown in FIG. 2, the multiferroic magnetic sensor element has a structure made of a multiferroic solid material 11 sandwiched between metal electrodes 12, and has a leakage magnetic field of magnetization corresponding to information of the perpendicular magnetic recording material 15. What is necessary is just to make it the structure which measures the electric polarization which generate | occur | produced in the direction substantially perpendicular | vertical to the magnetic field with the voltmeter 14 with the generated magnetic field.
According to this embodiment, the multiferroic magnetic sensor element can generate electric polarization by a magnetic field from the perpendicular magnetic recording material 15 in which data is stored, and thus functions as a magnetic sensor for reading data.

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磁気センサーとして働く。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。また、この磁気センサー素子はナノメートルサイズまで微細化が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の進展に十分対応可能な磁気センサーとなる。   In this case, since the magnetic sensor part and the electric polarization generating part can be made of the same solid material, it functions as a magnetic sensor without having a special shape. As a result, the structure of the magnetic sensor element is simplified, resulting in significant cost merit. In addition, since the magnetic sensor element can be miniaturized to a nanometer size, the magnetic sensor element can sufficiently cope with the progress of the miniaturization of the magnetization region for storing information.

図3は本発明に係わるマルチフェロイックスメモリセルの配置図である。
この図において、21はマルチフェロイックス固体材料、22はそのマルチフェロイックス固体材料21の上下に形成される金属電極、23はマルチフェロイックスメモリセル、24はビット線、25はワード線である。
図3に示すように、マルチフェロイックスメモリ素子は、二つの金属電極22に挟まれたマルチフェロイックス固体材料21からなる平面的に並べられたマルチフェロイックスメモリセル23で構成される。特定の選択されたビット線24とワード線25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、この選択されたビット線24とワード線25に挟まれたマルチフェロイックスメモリセル23に特定方向の磁化を発生させる。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が埋め込まれた構造とする。一方、データの読み出しについては、特定の選択されたビット線24とワード線25の間に発生した電気分極に起因する電圧強度によって0もしくは1を判定するようにしている。
FIG. 3 is a layout view of multiferroic memory cells according to the present invention.
In this figure, 21 is a multiferroic solid material, 22 is a metal electrode formed above and below the multiferroic solid material 21, 23 is a multiferroic memory cell, 24 is a bit line, and 25 is a word line.
As shown in FIG. 3, the multiferroic memory element is composed of multiferroic memory cells 23 arranged in a plane and made of a multiferroic solid material 21 sandwiched between two metal electrodes 22. By applying a voltage between a specific selected bit line 24 and a word line 25 from a DC power supply or an AC power supply via a wiring, a multiferro that is sandwiched between the selected bit line 24 and the word line 25 is applied. A magnetization in a specific direction is generated in the X memory cell 23. The generated magnetization has a memory function. A non-magnetic solid material is embedded between the memory elements. On the other hand, for data reading, 0 or 1 is determined based on the voltage intensity caused by the electric polarization generated between a specific selected bit line 24 and word line 25.

図4は本発明に係わるマルチフェロイックス素子の磁場誘起電流発生の確認実験を示す実験配置図である。
この図において、31はマルチフェロイックス固体材料、32はそのマルチフェロイックス固体材料31を挟むように上下に形成される金属電極、33は外部から印加した磁場の方向、34は発生した電気分極の方向である。また、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ス固体材料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、白金などの金属であっても問題はない。
FIG. 4 is an experimental layout showing a confirmation experiment of magnetic field induced current generation of the multiferroic element according to the present invention.
In this figure, 31 is a multiferroic solid material, 32 is a metal electrode formed vertically so as to sandwich the multiferroic solid material 31, 33 is the direction of the magnetic field applied from the outside, and 34 is the generated electric polarization. Direction. Reference numeral 35 denotes an ammeter for measuring a current between the upper and lower metal electrodes 32 of the multiferroic solid material 31 generated by the induced electric polarization. A silver paste is used as the electrode material, but there is no problem even if it is a metal such as aluminum, gold, or platinum.

図5は図4におけるマルチフェロイックス固体材料31としてBaFe10.2Sc1.75Mg0.0519を用いた場合の結晶方位と外部磁場、電極配置との相関関係を示す図である。この図から明らかなように、外部磁場の方向はBaFe10.2Sc1.75Mg0.0519(δ=0.05)の六方晶構造の結晶軸[100]から45°の方向であり、発生する電気分極は[120]方向である。 FIG. 5 is a diagram showing the correlation between crystal orientation, external magnetic field, and electrode arrangement when BaFe 10.2 Sc 1.75 Mg 0.05 O 19 is used as the multiferroic solid material 31 in FIG. As is clear from this figure, the direction of the external magnetic field is 45 ° from the crystal axis [100] of the hexagonal structure of BaFe 10.2 Sc 1.75 Mg 0.05 O 19 (δ = 0.05), and the generated electric polarization Is the [120] direction.

図6は本発明のマルチフェロイックス固体材料であるBaFe10.2Sc1.75Mg0.0519結晶材料に外部磁場を与えた場合に発生する電気分極の外部磁場依存性を示す図である。
図7は図6で用いたマルチフェロイックス固体材料の六方晶構造の結晶方位と外部磁場と発生した分極の方向(二重丸は紙面に垂直で紙面表から裏に向かった方向を示す)の相関関係を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing the external magnetic field dependence of the electric polarization generated when an external magnetic field is applied to the BaFe 10.2 Sc 1.75 Mg 0.05 O 19 crystal material which is the multiferroic solid material of the present invention.
FIG. 7 shows the crystal orientation of the hexagonal structure of the multiferroic solid material used in FIG. 6, the external magnetic field, and the direction of the generated polarization (the double circle indicates the direction perpendicular to the page and from the front to the back of the page). It is a figure which shows correlation.

これらの図に示すように、あらかじめ、10Kエルステッドの磁場を[100]方向から[001]方向に45度の角度で与え、[120]方向に電場を数百ボルト/cm程度印加する(ポーリング)。その後、外部磁場をゼロからプラスに[100] 方向から[001] 方向に45度の角度で再び印加すると、[120]方向の電気分極(実線)がプラスの方向に変化する。ポーリング条件を上記と同じ磁場方向で、マイナス電場を[120]方向に印加した場合は、発生する電気分極は上記と逆になる(破線)。測定温度は−263℃である。   As shown in these figures, a magnetic field of 10K Oersted is applied in advance from the [100] direction to the [001] direction at an angle of 45 degrees, and an electric field of about several hundred volts / cm is applied in the [120] direction (polling). . Thereafter, when an external magnetic field is applied again from zero to plus at an angle of 45 degrees from the [100] direction to the [001] direction, the electric polarization (solid line) in the [120] direction changes to the plus direction. When the poling conditions are the same magnetic field direction as described above and a negative electric field is applied in the [120] direction, the generated electric polarization is reversed (broken line). The measurement temperature is -263 ° C.

図8は本発明のマルチフェロイックス固体材料であるBaFe10.35 Sc1.6 Mg0.0519において、交流外部磁場(c)を印加した場合に発生する電流(a)と電気分極(b)を示す図であり、図8(a)は経過時間(sec)に対する変位電流(pA/mm2 )、図8(b)は経過時間(sec)に対する電気分極(μC/m2 )、図8(c)は経過時間(sec)に対する交流磁場(kOe)を示している。 FIG. 8 is a diagram showing current (a) and electric polarization (b) generated when an AC external magnetic field (c) is applied in BaFe 10.35 Sc 1.6 Mg 0.05 O 19 which is a multiferroic solid material of the present invention. 8A shows displacement current (pA / mm 2 ) with respect to elapsed time (sec), FIG. 8B shows electric polarization (μC / m 2 ) with respect to elapsed time (sec), and FIG. The alternating magnetic field (kOe) with respect to the elapsed time (sec) is shown.

BaFe10.35 Sc1.6 Mg0.0519結晶材料に正負に振動する交流磁場を与えた場合〔図8(c)〕、交流磁場に相応して正負の変位電流が流れ〔図8(a)〕、また電気分極も正負に交互に発生している〔図8(b)〕ことが分かる。この結果は、交流磁化により交流電流と交流電位が生成されることを示している。
図9はM型フェライトBaFe1219結晶構造と磁気構造を示す(スピンの方向を矢印で示す)図である。結晶構造は六方晶構造である。図に示したように、ABAB……の配列のhcp構造のRブロックとABCABC……のfcc構造のSブロックがc軸を共有して1分子をつくり、この軸に関して180度回転したR* * ブロックとあわせて2分子で1単位胞となる。SとRにまたがって上向きスピンが6個(a), Rブロックの下向きスピンが2個(b), Sブロックの上向きスピンが1個(c), Sブロックの下向きスピンが2個(d), Rブロックの上向きスピンが1個(e)で、1分子当りの磁気モーメントは(8−4)*5μB =20μB となる。その磁気構造は[001] 方向に磁化容易軸をもつフェリ型のスピン構造である。これらのM型フェライトが優れた永久磁石材料である大きな原因は、c軸方向を磁化容易方向とする大きな一軸結晶異方性エネルギーの存在にある。室温ではフェリ磁性(強磁性の一種)である。
When an alternating magnetic field that vibrates positively and negatively is applied to the BaFe 10.35 Sc 1.6 Mg 0.05 O 19 crystal material [FIG. 8 (c)], positive and negative displacement currents flow in accordance with the alternating magnetic field [FIG. 8 (a)], and It can be seen that the electric polarization alternately occurs in positive and negative [FIG. 8 (b)]. This result shows that an alternating current and an alternating potential are generated by alternating magnetization.
FIG. 9 is a diagram showing the crystal structure and magnetic structure of M-type ferrite BaFe 12 O 19 (the direction of spin is indicated by an arrow). The crystal structure is a hexagonal crystal structure. As shown in the figure, the R block of the hcp structure of the sequence ABAB... And the S block of the fcc structure of ABCABC... Share the c axis to form one molecule, and R * S rotated 180 degrees with respect to this axis. * Combined with a block, two molecules form one unit cell. 6 upward spins across S and R (a), 2 downward spins in R block (b), 1 upward spin in S block (c), 2 downward spins in S block (d) in one upward spin R block (e), the magnetic moment per molecule becomes (8-4) * 5μ B = 20μ B. Its magnetic structure is a ferri-type spin structure having an easy axis of magnetization in the [001] direction. The main reason why these M-type ferrites are excellent permanent magnet materials is the presence of large uniaxial crystal anisotropy energy with the c-axis direction as the easy magnetization direction. It is ferrimagnetic (a type of ferromagnetism) at room temperature.

図10に示すように、ScをドープしたBaFe12-x-δScx Mgδ19(δ=0.05)結晶の磁気構造は、低温ではBaFe1219の磁気構造とは異なり、円錐型螺旋スピン構造になる。
図11は本発明に係わるマルチフェロイックス固体材料であるBaFe12-x-δScx Mgδ19(δ=0.05)結晶材料におけるSc濃度xが1.6から2の時のc軸方向に垂直な〔100〕方向の磁化の温度依存性を示す。〔100〕方向の磁化は最大値(Tc)を持つ。Sc濃度が0の場合の磁化はc軸方向に向き、〔100〕方向の磁化は値を持たない(小さい)。スピンを持たないScの3価イオンを鉄のサイトに導入すると、強いc軸方向のスピン異方性は弱められる。このことにより、スピンはab面内方向に成分を持つようになる。すなわち〔100〕方向の磁化が大きくなる。磁化が最大値を持つ温度(Tc)以下の温度で、傾いたスピンがc軸方向の隣の鉄サイトと相関をもって図12で示したようなスピンの螺旋回転構造が始まる。この磁化の最大値を示す温度(Tc)から低温が円錐型螺旋スピン構造を示す温度範囲である。このことはメスバウワーの実験から確かめられている(上記非特許文献2参照)。このような円錐型螺旋スピン構造を持つ場合、外部磁場を〔001〕方向から紙面内に向かってずれた方位で印加した場合、紙面に垂直に電気分極を発生することが予測される(上記非特許文献3参照)。すなわち、この温度範囲で、円錐型螺旋スピン構造により誘起された強誘電相と強磁性(円錐型螺旋スピン構造を持つフェリ)相が共存するマルチフェロイックスの状態となる。
As shown in FIG. 10, the magnetic structure of the BaFe 12-x-δ Sc x Mg δ O 19 (δ = 0.05) crystal doped with Sc is different from the magnetic structure of BaFe 12 O 19 at a low temperature. Type spiral spin structure.
FIG. 11 shows the c-axis when the Sc concentration x is 1.6 to 2 in a BaFe 12-x-δ Sc x Mg δ O 19 (δ = 0.05) crystal material which is a multiferroic solid material according to the present invention. The temperature dependence of magnetization in the [100] direction perpendicular to the direction is shown. The magnetization in the [100] direction has a maximum value (Tc). When the Sc concentration is 0, the magnetization is in the c-axis direction, and the magnetization in the [100] direction has no value (small). When Sc trivalent ions having no spin are introduced into the iron site, the strong spin anisotropy in the c-axis direction is weakened. As a result, the spin has a component in the ab plane direction. That is, the magnetization in the [100] direction is increased. At a temperature equal to or lower than the temperature at which the magnetization has the maximum value (Tc), a spin-rotation structure of the spin as shown in FIG. 12 starts with the inclined spin correlated with the adjacent iron site in the c-axis direction. The temperature range from the temperature (Tc) showing the maximum value of the magnetization to the low temperature is the temperature range showing the conical spiral spin structure. This has been confirmed from Mossbauer experiments (see Non-Patent Document 2 above). In the case of such a conical spiral spin structure, when an external magnetic field is applied in a direction shifted from the [001] direction into the plane of the paper, it is predicted that an electric polarization is generated perpendicular to the plane of the paper (the above non-existence). (See Patent Document 3). That is, in this temperature range, a multiferroic state in which a ferroelectric phase induced by a conical spiral spin structure and a ferromagnetic phase (a ferri having a conical spiral spin structure) coexist is obtained.

図12は本発明に係わるマルチフェロイックス固体材料であるBaFe12-x-δScx Mgδ19(δ=0.05)結晶材料において円錐型螺旋スピン構造を示す転移温度(Tc)とSc濃度xとの関係を示す図である。Tcが室温(300K)以上の範囲はSc濃度1.6以上2未満であることがわかる。
図13は本発明に係わるマルチフェロイックス固体材料であるBaFe12-x-δScx Mgδ19(δ=0.05)結晶材料におけるSc濃度xが1.75の時のc軸〔001〕方向とc軸に垂直な〔100〕方向の磁化の温度依存性を示す図である。〔100〕方向の磁化曲線の最大値Tcが室温以上の370K(97℃)の温度であることを示している。
FIG. 12 shows the transition temperature (Tc) and Sc showing a conical helical spin structure in a BaFe 12-x-δ Sc x Mg δ O 19 (δ = 0.05) crystal material which is a multiferroic solid material according to the present invention. It is a figure which shows the relationship with the density | concentration x. It can be seen that when the Tc is in the range of room temperature (300K) or more, the Sc concentration is 1.6 or more and less than 2.
FIG. 13 shows the c-axis when the Sc concentration x is 1.75 in the BaFe 12-x-δ Sc x Mg δ O 19 (δ = 0.05) crystal material, which is a multiferroic solid material according to the present invention. It is a figure which shows the temperature dependence of the magnetization of a [100] direction perpendicular | vertical to a] direction and a c-axis. It shows that the maximum value Tc of the magnetization curve in the [100] direction is a temperature of 370 K (97 ° C.) above room temperature.

図14は本発明に係わるマルチフェロイックス固体材料であるBaFe12-x-δScx Mgδ19(δ=0.05)結晶材料におけるSc濃度xが1.75の時の磁場誘起により発生した変位電流を示す図である。370K(97℃)付近の温度から変位電流が立ち上がり、この温度(Tc)以下で磁化に誘起された電流が発生することを示す。すなわち、この温度領域でマルチフェロイックス特性を示している。Tcが室温以上の97℃程度の高温の温度を示すことは、BaFe12-x-δScx Mgδ19(δ=0.05)結晶材料が室温でマルチフェロイックス特性を安定的に実用に供することを示しており、実用上大変重要な特性を示している。また、この最新のマルチフェロイックス機能を実用温度で応用することができることを示した世界で初めての実施例である。 FIG. 14 shows the generation of magnetic field induction when the Sc concentration x is 1.75 in the BaFe 12-x-δ Sc x Mg δ O 19 (δ = 0.05) crystal material, which is a multiferroic solid material according to the present invention. FIG. It shows that the displacement current rises from a temperature around 370 K (97 ° C.), and that a magnetization-induced current is generated below this temperature (Tc). That is, the multiferroics characteristic is shown in this temperature region. Tc shows a high temperature of about 97 ° C. above room temperature because the BaFe 12-x-δ Sc x Mg δ O 19 (δ = 0.05) crystal material stably uses multiferroic properties at room temperature. It shows a very important characteristic for practical use. In addition, this is the first example in the world showing that this latest multiferroic function can be applied at practical temperatures.

ここで、Mgを0.05ドープしたのは、鉄の2価イオンが微量試料作製中に混入してしまうことによる電気抵抗の低抵抗化を防止するためである。2価のイオンであれば、同様な効果を期待することができ、Ca,Zn,Co,Ni,Cuの2価のイオンでもよい。
なお、請求項1,,7に示すように、マルチフェロイックス固体材料はAFe12-xx 19のM(マグネトプラムバイト)型フェライトであり、AはCa,Ba,Sr,Pbもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、Bは3価元素であるScであり、xの範囲は1.6<x≦2である。
Here, the reason why 0.05 Mg is doped is to prevent a reduction in electrical resistance due to mixing of a small amount of iron divalent ions during preparation of a small amount of sample. If it is a divalent ion, the same effect can be expected, and a divalent ion of Ca, Zn, Co, Ni, or Cu may be used.
In addition, as shown in claims 1, 4 and 7 , the multiferroic solid material is AFe 12-x B x O 19 M (magnetoprambite) type ferrite, and A is Ca, Ba, Sr, Pb or It consists of a mixture of these two elements, B is Sc which is a trivalent element, and the range of x is 1.6 <x ≦ 2.

また、請求項2,,8に示すように、マルチフェロイックス固体材料はAFe12-x-yx y 19のM(マグネトプラムバイト)型フェライトであり、AはCa,Ba,Sr,Pbもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、Bは3価元素であるScであり、Cは2価元素であるMg,Ca,Zn,Co,Ni,Cuもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、xの範囲は1.6<x≦2、yの範囲は0<y≦1である。 Further, as shown in claims 2, 5 , and 8 , the multiferroic solid material is AFe 12-xy B x C y O 19 M (magnetoprambite) type ferrite, and A is Ca, Ba, Sr, Pb or a mixture of these two elements, B is a trivalent element Sc, C is a divalent element Mg, Ca, Zn, Co, Ni, Cu or these two elements. It consists of a mixture, and the range of x is 1.6 <x ≦ 2, and the range of y is 0 <y ≦ 1.

このように、マルチフェロイックス材料M型フェライト構造をもつBaFe12-x-δScx Mgδ19(δ=0.05)結晶の場合、外部磁場でその電流や電気分極を生成し、電気分極の強度を実用温度である室温で安定的に制御することが可能であることを初めて実証した。与える磁場強度はこの例では4000ガウス程度であった。さらに材料を選択すれば、弱磁場で誘起でき、さらに電流密度の向上を図ることができる。 Thus, in the case of a BaFe 12-x-δ Sc x Mg δ O 19 (δ = 0.05) crystal having a multiferroic material M-type ferrite structure, its current and electric polarization are generated by an external magnetic field, It was demonstrated for the first time that the polarization intensity can be stably controlled at room temperature, which is a practical temperature. The applied magnetic field strength was about 4000 Gauss in this example. Furthermore, if a material is selected, it can be induced by a weak magnetic field, and the current density can be further improved.

図15は本発明に係わるマルチフェロイックス固体材料であるBaFe10.2Sc1.75Mg0.0519の単結晶を示す図面代用の写真である。
BaFe10.2Sc1.75Mg0.0519は、高圧ガス下雰囲気でハロゲンランプなどの光源を用いた浮遊溶融帯製造法で作製した単結晶である。印加するガス種が酸素ガスの場合、2気圧以上の圧力であれば、単相の六方晶構造を得ることが可能である。
FIG. 15 is a drawing-substituting photograph showing a single crystal of BaFe 10.2 Sc 1.75 Mg 0.05 O 19 which is a multiferroic solid material according to the present invention.
BaFe 10.2 Sc 1.75 Mg 0.05 O 19 is a single crystal produced by a floating melting zone manufacturing method using a light source such as a halogen lamp in an atmosphere under a high-pressure gas. When the gas species to be applied is oxygen gas, a single-phase hexagonal crystal structure can be obtained if the pressure is 2 atm or higher.

以上に示したように、強誘電性と強磁性とを合わせもつマルチフェロイックス固体材料BaFe12-x-δScx Mgδ19(δ=0.05)結晶で、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ことがわかる。強誘電体においては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、螺旋スピン構造をもつマルチフェロイックス材料において、同時に磁化の反転が起きることは自明である。 As described above, a multiferroic solid material BaFe 12-x-δ Sc x Mg δ O 19 (δ = 0.05) crystal having both ferroelectricity and ferromagnetism, and an electric current or electricity by an external magnetic field. Since the embodiment shows that the polarization can be controlled, it can be seen that the electric field can be formed by the electric field which is the reverse process, and the magnetization can be generated. In a ferroelectric, the positive and negative directions of electric polarization can be controlled by an electric field. If reversal of electric polarization occurs at this time, it is obvious that reversal of magnetization occurs simultaneously in a multiferroic material having a helical spin 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ス素子は、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.

1,11,21,31 マルチフェロイックス固体材料
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 垂直磁気記録材料
23 マルチフェロイックスメモリセル
24 ビット線
25 ワード線
33 外部から印加した磁場の方向
34 発生した電気分極の方向
35 電流計
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 Perpendicular magnetic recording material 23 Multiferroic memory cell 24 bit Line 25 Word line 33 Direction of magnetic field applied from outside 34 Direction of generated electric polarization 35 Ammeter

Claims (9)

M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部磁場を作用させることにより電流を誘起するマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料はAFe 12-x x 19 のM(マグネトプラムバイト)型フェライトであり、AはCa,Ba,Sr,Pbもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、Bは3価元素であるScであり、xの範囲は1.6<x≦2であることを特徴とするマルチフェロイックス素子。 A multiferroic element made of a multiferroic solid material having both ferroelectricity and ferromagnetism composed of M (magnetoprambite) type ferrite and inducing an electric current by applying an external magnetic field at room temperature. Ferroix solid material is AFe 12-x B x O 19 M (magnetoprambite) type ferrite, A is made of Ca, Ba, Sr, Pb or a mixture of these two elements, and B is trivalent. A multiferroic element, wherein the element is Sc and the range of x is 1.6 <x ≦ 2 . M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部磁場を作用させることにより電流を誘起するマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料はAFe 12-x-y x y 19 のM(マグネトプラムバイト)型フェライトであり、AはCa,Ba,Sr,Pbもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、Bは3価元素であるScであり、Cは2価元素であるMg,Ca,Zn,Co,Ni,Cuもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、xの範囲は1.6<x≦2、yの範囲は0<y≦1であることを特徴とするマルチフェロイックス素子。 A multiferroic element made of a multiferroic solid material having both ferroelectricity and ferromagnetism composed of M (magnetoprambite) type ferrite and inducing an electric current by applying an external magnetic field at room temperature. Ferroix solid material is AFe 12-xy B x C y O 19 M (magnetoprambite) type ferrite, A is made of Ca, Ba, Sr, Pb or a mixture of these two elements, B is Sc is a trivalent element, and C is a divalent element Mg, Ca, Zn, Co, Ni, Cu or a mixture of these two elements, and the range of x is 1.6 <x ≦ 2. , Y is in a range of 0 <y ≦ 1 . M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部磁場を作用させることにより電流を誘起するマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料は、酸素ガス雰囲気2気圧以上の高圧ガス雰囲気中で、光ランプによる浮遊溶融帯製造法により作製した単結晶であることを特徴とするマルチフェロイックス素子。 A multiferroic element made of a multiferroic solid material having both ferroelectricity and ferromagnetism composed of M (magnetoprambite) type ferrite and inducing an electric current by applying an external magnetic field at room temperature. The multiferroic element, wherein the ferroic solid material is a single crystal produced by a floating melting zone manufacturing method using a light lamp in a high-pressure gas atmosphere of 2 atmospheres or more in an oxygen gas atmosphere . M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部磁場を作用させることにより電気分極の強度及び方向を制御可能にしたマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料はAFe 12-x x 19 のM(マグネトプラムバイト)型フェライトであり、AはCa,Ba,Sr,Pbもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、Bは3価元素であるScであり、xの範囲は1.6<x≦2であることを特徴とするマルチフェロイックス素子。 Multiferroics made of M (ferroplumbite) type ferrite, which is a multiferroic solid material that combines ferroelectricity and ferromagnetism, and can control the intensity and direction of electric polarization by applying an external magnetic field at room temperature A multiferroic solid material is AFe 12-x B x O 19 M (magnetoprambite) type ferrite, and A is Ca, Ba, Sr, Pb or a mixture of these two elements. A multiferroic element characterized in that B is Sc, a trivalent element, and the range of x is 1.6 <x ≦ 2 . M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部磁場を作用させることにより電気分極の強度及び方向を制御可能にしたマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料はAFe 12-x-y x y 19 のM(マグネトプラムバイト)型フェライトであり、AはCa,Ba,Sr,Pbもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、Bは3価元素であるScであり、Cは2価元素であるMg,Ca,Zn,Co,Ni,Cuもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、xの範囲は1.6<x≦2、yの範囲は0<y≦1であることを特徴とするマルチフェロイックス素子。 Multiferroics made of M (ferroplumbite) type ferrite, which is a multiferroic solid material that combines ferroelectricity and ferromagnetism, and can control the intensity and direction of electric polarization by applying an external magnetic field at room temperature The multiferroic solid material is an AFe 12-xy B x C y O 19 M (magnetoprambite) type ferrite, and A is Ca, Ba, Sr, Pb or these two kinds of elements B is Sc which is a trivalent element, C is Mg, Ca, Zn, Co, Ni, Cu or a mixture of these two elements which are divalent elements, and the range of x is 1.6 <x ≦ 2, and the range of y is 0 <y ≦ 1 . M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部磁場を作用させることにより電気分極の強度及び方向を制御可能にしたマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料は、酸素ガス雰囲気2気圧以上の高圧ガス雰囲気中で、光ランプによる浮遊溶融帯製造法により作製した単結晶であることを特徴とするマルチフェロイックス素子。 Multiferroics made of M (ferroplumbite) type ferrite, which is a multiferroic solid material that combines ferroelectricity and ferromagnetism, and can control the intensity and direction of electric polarization by applying an external magnetic field at room temperature A multiferroic element, wherein the multiferroic solid material is a single crystal produced by a floating melting zone manufacturing method using a light lamp in a high-pressure gas atmosphere of 2 atmospheres or more in an oxygen gas atmosphere . M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部電場を作用させることにより磁化の強度及び方向を制御可能にしたマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料はAFe 12-x x 19 のM(マグネトプラムバイト)型フェライトであり、AはCa,Ba,Sr,Pbもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、Bは3価元素であるScであり、xの範囲は1.6<x≦2であることを特徴とするマルチフェロイックス素子。 A multiferroic element made of multiferroic solid material consisting of M (magnetoprambite) type ferrite, which has both ferroelectricity and ferromagnetism, and can control the strength and direction of magnetization by applying an external electric field at room temperature The multiferroic solid material is AFe 12-x B x O 19 M (Magnet Plumbite ) type ferrite, and A is Ca, Ba, Sr, Pb or a mixture of these two elements. B is Sc which is a trivalent element, and the range of x is 1.6 <x ≦ 2 . M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部電場を作用させることにより磁化の強度及び方向を制御可能にしたマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料はAFe 12-x-y x y 19 のM(マグネトプラムバイト)型フェライトであり、AはCa,Ba,Sr,Pbもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、Bは3価元素であるScであり、Cは2価元素であるMg,Ca,Zn,Co,Ni,Cuもしくはこれらの二種類の元素の混合物からなり、xの範囲は1.6<x≦2、yの範囲は0<y≦1であることを特徴とするマルチフェロイックス素子。 A multiferroic element made of multiferroic solid material consisting of M (magnetoprambite) type ferrite, which has both ferroelectricity and ferromagnetism, and can control the strength and direction of magnetization by applying an external electric field at room temperature The multiferroic solid material is M (magnetoprambite) type ferrite of AFe 12-xy B x C y O 19 , and A is Ca, Ba, Sr, Pb or these two elements. It is composed of a mixture, B is Sc which is a trivalent element, C is composed of Mg, Ca, Zn, Co, Ni, Cu which are divalent elements or a mixture of these two elements, and the range of x is 1 .Multidot.6 <x.ltoreq.2, y is in the range of 0 < y.ltoreq.1. M(マグネトプラムバイト)型フェライトからなる強誘電性と強磁性を合わせもつマルチフェロイックス固体材料からなり、室温において外部電場を作用させることにより磁化の強度及び方向を制御可能にしたマルチフェロイックス素子であって、前記マルチフェロイックス固体材料は、酸素ガス雰囲気2気圧以上の高圧ガス雰囲気中で、光ランプによる浮遊溶融帯製造法により作製した単結晶であることを特徴とするマルチフェロイックス素子。 A multiferroic element made of multiferroic solid material consisting of M (magnetoprambite) type ferrite, which has both ferroelectricity and ferromagnetism, and can control the strength and direction of magnetization by applying an external electric field at room temperature The multiferroic solid material is a single crystal produced by a floating melting zone manufacturing method using a light lamp in a high pressure gas atmosphere of 2 atmospheres or more of oxygen gas atmosphere .
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