WO2007069638A1 - 磁性人工超格子とその製造方法 - Google Patents

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Minoru Osada
Takayoshi Sasaki
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Definitions

  • the present invention is suitable for application to IT technical fields such as optical isolators and high density magnetic recording, and transmits visible light and exhibits high magneto-optical properties in the ultraviolet to visible light wavelength region. And its manufacturing method.
  • Non-patent Document 1 As materials exhibiting high magneto-optical properties, magnetic garnets (YIG, GdBiG) for long wavelengths (1.3 to 1.5 ⁇ m) and diluted magnetic materials for short wavelengths (0.6 to 1 ⁇ m) Semiconductor systems (HgCdMnTe, CdMnTe) and the like are widely known (Non-patent Document 1), and magnetic garnet materials are put to practical use as an optical isolator for optical information communication.
  • Non-Patent Document 1 Katsuaki Sato, "Revision of Light and Magnetism” (Asakura Shoten, 2001), Chapter 7, p. 177-1 91
  • the above materials are suitable for the current 1.55 ⁇ m band optical information communication and the like, but for high-speed communication and high-density magnetic recording required in the future, a wide wavelength range from ultraviolet light of shorter wavelength to visible light is required. It is necessary to improve the magneto-optical characteristics in the large area and to shorten the magneto-optical response wavelength. And, in order to improve the magneto-optical performance, which is the operating principle of magneto-optical recording, advanced control of film composition and laminated structure at the atomic / molecular layer level is important, as represented by metal artificial lattice materials. It is.
  • characteristic control such as control of magneto-optical response wavelength, intensity, etc. having high! ⁇ magneto-optical characteristics in the visible light region from ultraviolet light of short wavelength, and free by layering control It is hoped that the development of magnetic nanomaterials will be possible.
  • the present invention is high in the ultraviolet to visible wavelength range! It is an object of the present invention to provide a magnetic artificial superlattice capable of exhibiting magneto-optical properties and capable of characteristic control and a method of manufacturing the same.
  • the present inventors obtained magnetic flake particles obtained by exfoliating layered titanate oxides having magnetic elements substituted at Ti lattice positions Control of optical transition between different magnetic metals through interlayer interaction by producing a magnetic artificial superlattice in which two or more magnetic chita-a nanosheets are combined to change the type and number of layers adjacent to each other. It has been found that, by utilizing this optical transition, it is possible to achieve high magneto-optical properties and control thereof in the ultraviolet to visible light wavelength region, based on these technical findings. Completed.
  • magnetic flake particles hereinafter, magnetic titan-a nanosheets
  • a layered titanate oxide in which a magnetic element is substituted at a Ti lattice position are used. It is characterized by being composed of a combined laminated thin film.
  • the magnetic titan-a nanosheet in addition to the magnetic titan-a nanosheet, it is composed of a laminated thin film in which flake particles (hereinafter, nonmagnetic titan-a nanosheet) obtained by exfoliating the layered titanate are combined. It is characterized.
  • the magnetic titan-a nano sheet has a composition formula Ti M O (M is V, Cr, Mn, Fe, Coll-x x 2
  • At least one selected from Ni, Cu, 0 ⁇ ⁇ 1, or M is selected from Li, Mg, Al and at least one selected from V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu And at least one metal in total of two or more metals, and characterized in that it is a nanosheet mainly composed of a titanium oxide represented by 0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the nonmagnetic titan-a nanosheet is formed of the composition formula Ti 2 O (0 ⁇ ⁇ 0.5) or Ti M 2
  • O (M is one or two selected from Li, Mg, Al, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn
  • nanosheet mainly composed of a metal represented by a metal of the species or more and 0 ⁇ x ⁇ 1).
  • a magnetic artificial superlattice which is a magnetic artificial superlattice and at least one of an inorganic polymer containing an organic polymer, an inorganic polymer, a metal complex, or a polynuclear hydrate ion, is used. Is characterized in that it is composed of a combined thin film.
  • a magnetic titan-a nanosheet or a magnetic titan-a nanosheet and a nonmagnetic titan-a nanosheet are laminated on a substrate via an organic polycation.
  • the magneto-optical element is characterized by using a magnetic artificial super lattice and responding to short wavelength visible light and ultraviolet light.
  • Tenth it is a magnetic element, characterized by using a magnetic artificial super lattice and having a magnetic function.
  • the ultraviolet to visible light wavelength range is high! Magnetic artificial superlattices exhibiting magneto-optical properties are realized, enabling advanced control of the properties. Such magnetic artificial superlattice can be manufactured at low cost.
  • the magnetic artificial superlattice of the present invention is extremely useful in the field of IT technology such as optical isolators and high density magnetic recording, and technical fields such as spin electronics.
  • FIG. 1 is a structural schematic view of a magnetic titan-a nanosheet and its multilayer film.
  • Fig. 2 shows a Co-substituted titan-a-nanosheet multilayer film in which 10 layers of Co-substituted titan-a nanosheet and polydiaryldimethylammonium salt (PDDA) are alternately laminated on a quartz glass substrate (Ti Co O 2 ) ⁇ Ultraviolet ⁇ visible absorption spectrum and photographs.
  • PDDA polydiaryldimethylammonium salt
  • Fig. 3 shows a Co-substituted tita-a-nanosheet multilayer film in which 10 layers of Co-substituted tita-a nanosheet and polydiaryldimethylammonium salt (PDDA) are alternately laminated on a quartz glass substrate (Ti Co O 2 Magneto-optical hysteresis characteristics at 320 nm.
  • PDDA polydiaryldimethylammonium salt
  • Fig. 4 shows an artificial superlattice (Ti Co O 2) (Ti Fe 0) of different regularity composed of Co-substituted tita-a nanosheet and Fe-substituted tita-ananosheet
  • FIG. 5 shows two types of films shown in FIG. 4, which is the mother multilayer film (Ti Co 2 O 3), (Ti 2 Fe 2 O 3)
  • FIG. 6 shows the two types of films shown in FIG. 4 for the mother multilayer film (Ti Co 0), (Ti Fe 2 O 3) (a)
  • FIG. 7 shows the figure of merit of the magneto-optical rotation angle per unit thickness and the maximum response wavelength in the magnetic titan-a-nanosheet artificial superlattice and a typical isolator material.
  • Figure 8 is a structural schematic of the three-color magnetic artificial superlattice [(Ti Co 0) (Ti 0) (Ti Fe O 2) 2]
  • Fig. 9 shows UV and visible absorption of [(TiCo0) (Ti0) (TiFeO2)] magnetic artificial superlattice
  • Fig. 10 shows the temperature dependence of the [(Ti Co 0) (Ti 0) (Ti Fe O 2) 2] magnetic artificial superlattice at room temperature.
  • Fig. 11 is a schematic diagram of a magnetic artificial superlattice in which five layers of two kinds of Fe-substituted tita-a nano sheet, Co-substituted tita-a nano sheet or Ni-substituted tita-a nano sheet are alternately laminated. It is the figure which showed the structure and each magneto-optical intensity.
  • Fig. 12 shows a schematic structure and control of magneto-optical strength of the control of magneto-optical strength by intercalation of magnetic artificial superlattice of paramagnetic nano-sheet in comparison with the case of non-magnetic nano-sheet. It is.
  • FIG. 13 is a spin configuration diagram of Co 2+ , Ni 3+ (d 7 ) and Fe 3+ , Mn 2+ (d 5 ).
  • FIG. 14 is a view showing the magneto-optical properties of the magnetic artificial superlattice in comparison with the laminated multilayer film of magnetic titanano sheet and paramagnetic nanosheet constituting the same.
  • Magnetic titanium-a-nanosheet (for example, Ti Co 0, Ti) to be a constituent layer of a magnetic artificial superlattice
  • nonmagnetic titanium-a-nanosheets (eg Ti 0) are layered
  • Magnetic Chita-Ananosheets have the composition formula Ti MO (M is V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu from lx x 2
  • At least one selected, 0 ⁇ ⁇ 1, or M is at least one selected from V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, and at least one selected from Li, Mg, and A1 It is exemplified as a nanosheet having a total of two or more metals and having a titanium represented by 0 ⁇ x ⁇ 1) as a main component.
  • Nonmagnetic nanosheets have the composition formula Ti 2 O (0 ⁇ ⁇ 0.5) or Ti 2 M 2 O (M is L)
  • Soft chemical treatment is a combination of acid treatment and colloid treatment. That is, when a titanium oxide powder having a layered structure is brought into contact with an aqueous acid solution such as hydrochloric acid, and the product is filtered, washed and dried, the alkali metal ions present between the layers before treatment are all hydrogen ions. To give a hydrogen-type substance. Next, the obtained hydrogen-type substance is put into an aqueous solution such as amylin and stirred to form a colloid. At this time, the layers constituting the layered structure peel off one by one. The film thickness can be controlled in the sub-nm to nm range.
  • magnetic titan-a nanosheets Ti Co 2 O 4, Ti Fe 2 O 3, Ti—titanium sheet in which 20% to 40% of magnetic elements of cobalt, iron and nickel are substituted at the titanium lattice position of nonmagnetic titan-a nanosheets
  • Multilayer films were prepared by alternate self-assembly and lamination techniques via organic polycations that are mer.
  • the alternate self-assembly / stacking technique is based on the inventions of the present inventors described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-270022. Specifically, (1) immersing the substrate in a tita-azole solution ⁇ (2) washing with pure water ⁇ (3) dipping in an organic polycation solution ⁇ (4) washing with pure water Repeat as many times as necessary as one cycle.
  • organic polycations polydiaryldimethyl ammonium chloride (PDDA), polyethyleneimine (PEI), polyallylamine hydrochloride (PAH) and the like are suitable.
  • the basic problem is that instead of the organic polymer which has no charge, an inorganic polymer having a positive charge, a metal complex or an inorganic compound containing polynuclear hydrate ion is used. It can be used. Magnetic tita-a nanosheets have a wide band gap (320 nm) due to the quantum size effect, and as shown in FIG. 2, the sample produced on a quartz glass substrate is for a wide region of visible light. It was transparent.
  • FIG. 3 shows the results of magnetic circular dichroism (MCD) magneto-optical measurement at room temperature of a multilayer film in which 10 Co-substituted titanium-a-nanosheets are stacked.
  • the magneto-optical hysteresis characteristics shown in FIG. 3 indicate the difference in reflectance between right circularly polarized light and left circularly polarized light due to magnetization or spin polarization when light is reflected by a magnetic material, and the spin polarization and spin of the material are shown. Corresponds to the orbital interaction, demonstrating the existence of magnetization.
  • FIG. 4 is a structural schematic view of a magnetic artificial superlattice. Specifically, as shown in FIG. 4, a magnetic artificial superlattice (Ti: Ti) having a total of 10 layers with a total of 10 layers each consisting of 5 layers of Co-substituted tita-a nanosheet and Fe-substituted tita-ananosheet. Co 0) (Ti Fe O)
  • FIG. 5 shows the ultraviolet and visible absorbances of the Co-substituted titanium-a-nanosheet multilayer film (a), the Fe-substituted titanium-a-nanosheet multilayer film (a), and the magnetic artificial superlattice (b) (c) combining two types. It is a space. From the UV / visible absorption spectrum shown in Fig. 5 (b) (c), the adsorption 'accumulation corresponding to Ti Co O or Ti Fe O of the constituent layer is confirmed for each adsorption cycle,
  • a layered film ie a magnetic artificial superlattice
  • the two types of magnetic artificial superlattices have the same absorption spectrum, reflecting that the constituent units are the same. It is worth noting that it is an integral and optically equivalent.
  • the lamination of the titan-a-nanosheet on the substrate can be carried out by spin coating or dip coating as well as by adsorption.
  • FIG. 6 shows a rule in which a Co-substituted titanium-a-nanosheet multilayer film (a), an Fe-substituted titanium-a-nanosheet multilayer film (a), and two types of titanium-a-nanosheets shown in FIG. Types of magnetic artificial superlattices (Ti Co O) (Ti Fe O O) (b) of different properties
  • the magnetic field of OkOe was applied to detect and spectralize MCD.
  • the parent Co-substituted titan-a-nanosheet multilayer layer and the Fe-substituted titanium nanosheet multilayer layer each exhibited a unique magneto-optical response of about 10000.
  • a magnetic artificial superlattice Ti Co 2 O 3) (Ti 2 Fe 2 O 3) in which five layers of Co-substituted tita-a nanosheet and Fe-substituted tita-a nanosheet are laminated is shown in FIG. Indicated
  • Magnetic artificial superlattice Ti Co 2 O 5 / Ti 2 Fe 2 O 3 in which five layers of Co substitutional titan-a nanosheet and Fe substitution tita-a nanosheet are alternately laminated, is (Ti Co 2 O 3) as shown in FIG. (Ti Fe
  • FIG. 7 is a diagram showing the figure of merit of the magneto-optical rotation angle per unit thickness and the maximum response wavelength in a typical isolator material together with the above-mentioned magnetic titan-a-nanosheet artificial superlattice.
  • the magneto-optical effect of the magnetic titan-a-nanosheet artificial superlattice is exhibited at the shortest wavelength, and the magnetic titan-a-nanosheet artificial superlattice has an excellent magneto-optical performance index which greatly surpasses the magnetic garnet currently put to practical use. There is.
  • FIG. 8 shows that a Co-substituted tita-a nanosheet and a Fe-substituted tita-ananosheet are adjacent (Ti
  • Nonmagnetic nanosheet (Ti 0) intervenes between layers of Co 2 O 3 / Ti 2 Fe 2 O 3) magnetic artificial superlattice
  • Fig. 9 shows the fabricated [(Ti Co 0) (Ti 0) (Ti Fe O 2)] magnetism.
  • Adsorption ⁇ Accumulation is confirmed, and it is confirmed that the target magnetic artificial superlattice is formed and strained.
  • FIG. 10 shows the prepared [(Ti Co 0) (Ti 0) (Ti Fe O 2) 2] magnetic artificial superlattice at room temperature.
  • a magnetic artificial superlattice in which Co-substituted tita-a nanosheets and Fe-substituted tita-a nanosheets are combined as constituent layers, in which remarkable enhancement of the magneto-optical effect is confirmed, is around 1.9-2.0 eV and 2.5-3.6 eV.
  • Co 2+ - Fe 3+ peaks associated with dd electron transitions (. ⁇ 2 5 eV) was observed .
  • the magneto-optical properties of the above-mentioned magnetic artificial superlattice are shown in Table 1 and FIG. 14 in comparison with the laminated multilayer film of the magnetic titanium-a-nanosheet and paramagnetic nanosheet that constitute it.
  • the present invention it is possible to use visible light from ultraviolet light by utilizing the characteristics such as high texture, controllability of the structure, unique nanophysical properties, etc. of the magnetic titan-a-nano sheet which is a two-dimensional nanostructure. Wide V up to the light wavelength range, V in the range, high, Magneto-optical characteristics It is possible to make flexible synthetic superlattice and control its characteristics freely. In conventional garnet-based materials, it was difficult to integrate them with semiconductor devices and molecular electronics, but magnetic titan-anano sheets can be combined with various materials by utilizing soft magnetic reactions such as self-organization. Fusion is possible and fusion can be done at low cost.
  • a magnetic artificial magnet is composed of a thin film in which a magnetic artificial superlattice and at least one thin film of an organic polymer, an inorganic polymer, a metal complex, or an inorganic compound containing polynuclear hydrate ion are combined.
  • IT technology such as optical isolators and high density magnetic recording, nano spin electronics, and molecular elect-ports.
  • the magneto-optical effect is a unique characteristic that can be used as an optical isolator, and the optical isolator using the magneto-optical effect is incorporated in all systems of optical communication.
  • Materials that show large magneto-optical properties according to the wavelength of optical information communication are of particular interest, and because the magnetic artificial superlattice of the present invention has high magneto-optical properties in the ultraviolet region, such materials Very useful for applications.
  • a magneto-optical element responsive to short-wavelength visible light and ultraviolet light using a magnetic artificial superlattice or a magnetic element having a magnetic function can be realized.

Abstract

　Ｔｉ格子位置に磁性元素が置換した層状チタン酸化物を剥離して得られる磁性体薄片粒子（磁性チタニアナノシート）が２種以上組み合わされた積層薄膜から磁性人工超格子が構成される。

Description

明 細 書
磁性人工超格子とその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、光アイソレーターや高密度磁気記録などの IT技術分野に応用して好適 な、可視光を透過し、かつ紫外線から可視光波長領域で高い磁気光学特性を示す 磁性人工超格子と、その製造方法に関する。
背景技術
[0002] 光を透過しながら高 、磁気光学特性を有する磁性体材料が得られれば、大量の情 報伝達に必要な磁気光学効果を用いた光アイソレーターや高密度磁気記録が可能 になり、将来の大量情報伝達に必要な電子磁気材料を作製することができる。その ため、高!ヽ磁気光学特性を示す材料の開発が望まれて!/ヽる。
[0003] 高い磁気光学特性を示す材料としては、長波長用（1.3〜1.5 μ m)には磁性ガーネ ット系（YIG、 GdBiG)、短波長用（0.6〜1 μ m)には希薄磁性半導体系（HgCdMnTe, CdMnTe)などが広く知られており（非特許文献 1)、磁性ガーネット系材料は光情報 通信用の光アイソレータ一として実用化されている。
非特許文献 1 :佐藤勝昭， 「光と磁気 改訂版」（朝倉書店、 2001) ,第 7章， p. 177-1 91
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 上記材料は現行の 1.55 μ m帯の光情報通信などに最適であるが、今後必要とされ る高速通信や高密度磁気記録には、より短波長の紫外線から可視光領域までの広 い領域での磁気光学特性の向上、磁気光学応答波長の短波長化などが必要となる 。そして、光磁気記録の動作原理となる磁気光学性能の向上のためには、金属人工 格子材料に代表されるように、原子 ·分子層レベルでの膜の組成や積層構造の高度 な制御が重要である。
[0005] このような背景から、短波長の紫外線から可視光領域で高!ヽ磁気光学特性を有し、 かつ積層制御により自在な、磁気光学の応答波長、強度の制御などの特性制御を 可能とする磁性ナノ材料の開発が望まれて ヽた。
[0006] 本発明は、紫外線から可視光波長領域で高！ヽ磁気光学特性を示し、特性制御の 可能な磁性人工超格子とその製造方法を提供することを課題としている。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、 Ti格子位置に 磁性元素が置換した層状チタン酸ィ匕物を剥離して得られる磁性体薄片粒子 (以下、 磁性チタ-アナノシート)を 2種以上組み合わせ、隣接する層の種類、層数を変化さ せた磁性人工超格子を作製することにより、層間相互作用を介して異なる磁性金属 間の光学遷移の制御が可能となること、また、この光学遷移を利用することにより、紫 外線から可視光波長領域で高い磁気光学特性とその制御が可能となることを見出し 、これらの技術的知見に基づいて本発明を完成させた。
[0008] すなわち、本発明は、第 1に、 Ti格子位置に磁性元素が置換した層状チタン酸ィ匕 物を剥離して得られる磁性体薄片粒子 (以下、磁性チタ-アナノシート)が 2種以上 組み合わされた積層薄膜から構成されることを特徴としている。
[0009] 第 2に、磁性チタ-アナノシートに加え、層状チタン酸ィ匕物を剥離して得られる薄片 粒子 (以下、非磁性チタ-アナノシート）が組み合わされた積層薄膜から構成されるこ とを特徴としている。
[0010] 第 3に、磁性チタ-アナノシートが、組成式 Ti M O (Mは、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co l-x x 2
、 Ni、 Cuから選ばれる少なくとも 1種であり、 0<χ< 1、または Mは、 V、 Cr、 Mn、 Fe 、 Co、 Ni、 Cuから選ばれる少なくとも 1種と Li、 Mg、 Alから選ばれる少なくとも 1種の 合計 2種以上の金属であり、 0<x< 1)で表されるチタ-ァを主成分とするナノシート であることを特徴として 、る。
[0011] 第 4に、非磁性チタ-アナノシートが、組成式 Ti O (0< δ < 0. 5)または Ti M
1- δ 2 l-x x
O (Mは、 Li、 Mg、 Al、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Znから選ばれる 1種または 2
2
種以上の金属、 0≤x< 1)で表されるチタ-ァを主成分とするナノシートであることを 特徴としている。
[0012] 第 5に、磁性人工超格子であって、磁性人工超格子と、有機ポリマー、無機高分子 、金属錯体または多核水和物イオンを含む無機化合物の少なくとも 、ずれかの 1種 の薄膜が組み合わされた薄膜から構成されることを特徴としている。
[0013] 第 6に、磁性チタ-アナノシートまたは磁性チタ-アナノシートと非磁性チタ-アナノ シートとを、有機ポリカチオンを介して基板上に積層することを特徴としている。
[0014] 第 7に、基板上に吸着'累積させることを特徴としている。
[0015] 第 8に、基板上にスピンコートまたはディップコートすることを特徴としている。
[0016] 第 9に、磁気光学素子であって、磁性人工超格子を用い、短波長可視光および紫 外光に応答することを特徴として 、る。
[0017] 第 10に、磁性素子であって、磁性人工超格子を用い、磁気機能を有することを特 徴としている。
発明の効果
[0018] 本発明によれば、紫外線から可視光波長領域で高！ヽ磁気光学特性を示す磁性人 工超格子が実現され、特性の高度な制御が可能になる。このような磁性人工超格子 を低コストで製造することができる。
[0019] 本発明の磁性人工超格子は、光アイソレーターや高密度磁気記録などの IT技術 分野、スピンエレクトロニクスなどの技術分野に極めて有用である。
図面の簡単な説明
[0020] [図 1]図 1は、磁性チタ-アナノシートとその多層膜の構造模式図である。
[図 2]図 2は、石英ガラス基板上に Co置換チタ-アナノシートとポリジァリルジメチルァ ンモユウム塩ィ匕物（PDDA)が交互に 10層積層した Co置換チタ-アナノシート多層膜 (Ti Co O ) の紫外 ·可視吸収スペクトルと写真である。
0.8 0.2 2 10
[図 3]図 3は、石英ガラス基板上に Co置換チタ-アナノシートとポリジァリルジメチルァ ンモユウム塩ィ匕物（PDDA)が交互に 10層積層した Co置換チタ-アナノシート多層膜 (Ti Co O ) の 320nmでの磁気光学ヒステリシス特性である。
0.8 0.2 2 10
[図 4]図 4は、 Co置換チタ-アナノシートおよび Fe置換チタ-アナノシートで構成され る、規則性の異なる人工超格子 (Ti Co O ) (Ti Fe 0
0.8 0.2 2 5 0.6 0.4 2) 5、（Ti Co O /Ti Fe
0.8 0.2 2 0.6 0.4 o ) の構造模式図である。
2 5
[図 5]図 5は、母体多層膜（Ti Co O ) 、（Ti Fe O ) (a)、および図 4に示した 2種
0.8 0.2 2 10 0.6 0.4 2 10
類の人工超格子（Ti Co O ) (Ti Fe 0 ) (b) )、 （Ti Co O /Ti Fe O ) (c)の
0.8 0.2 2 5 0.6 0.4 2 5 0.8 0.2 2 0.6 0.4 2 5 紫外 ·可視吸光度スペクトルである。
[図 6]図 6は、母体多層膜（Ti Co 0 ) 、（Ti Fe O ) (a)、および図 4に示した 2種
0.8 0.2 2 10 0.6 0.4 2 10
類の人工超格子（Ti Co O ) (Ti Fe 0 ) (b)、（Ti Co O /Ti Fe O ) (c)の
0.8 0.2 2 5 0.6 0.4 2 5 0.8 0.2 2 0.6 0.4 2 5 磁気光学スペクトルである。
[図 7]図 7は、磁性チタ-アナノシート人工超格子および典型的なアイソレーター材料 における、単位厚さあたりの磁気光学回転角の性能指数と最大応答波長である。 圆 8]図 8は、 3色型磁性人工超格子 [(Ti Co 0 ) (Ti 0 ) (Ti Fe O ) ]の構造模
0.8 0.2 2 2 0.91 2 2 0.6 0.4 2 2 2 式図である。
[図 9]図 9は、 [(Ti Co 0 ) (Ti 0 ) (Ti Fe O ) ]磁性人工超格子の紫外 ·可視吸
0.8 0.2 2 2 0.91 2 2 0.6 0.4 2 2
光度スペクトルである。
[図 10]図 10は、 [(Ti Co 0 ) (Ti 0 ) (Ti Fe O ) ]磁性人工超格子の室温下に
0.8 0.2 2 2 0.91 2 2 0.6 0.4 2 2 2
おける磁気光学スペクトルを、 (Ti Co O /Ti Fe O )磁性人工超格子の磁気光
0.8 0.2 2 0.6 0.4 2 5
学スペクトルとともに示した図である。
[図 11]図 11は、特'性の異なる、 Fe置換チタ-アナノシート、 Co置換チタ-アナノシー トまたは Ni置換チタ-アナノシートのいずれか 2種類を交互に 5層積層した磁性人工 超格子の模式構造とそれぞれの磁気光学強度を示した図である。
[図 12]図 12は、常磁性ナノシートの磁性人工超格子の層間挿入による磁気光学強 度の制御について非磁性ナノシートの場合と比較して示した模式構造とそれぞれの 磁気光学強度を示した図である。
[図 13]図 13は、 Co2+、 Ni3+ (d7)および Fe3+、 Mn2+ (d5)のスピン配置図である。
[図 14]図 14は、磁性人工超格子の磁気光学特性をそれを構成する磁性チタ-アナ ノシート、常磁性ナノシートの積層多層膜と比較して示した図である。
発明を実施するための最良の形態
[0021] 本発明の磁性人工超格子とその製造方法について、具体的な例を示し、さらに詳 しく説明する。
[0022] 磁性人工超格子の構成層となる磁性チタ-アナノシート（たとえば、 Ti Co 0、Ti
0.8 0.2 2 0
Fe 0、Ti Ni O )および非磁性チタ-アナノシート（たとえば Ti 0 )は、層状チ
.6 0.4 2 0.8 0.2 2 0.91 2
タンィ匕合物をソフトィ匕学的な処理により結晶構造の基本最小単位である層 1枚にまで 剥離することにより得られる、 2次元異方性を有する半導体性ナノ物質である。磁性 チタ-アナノシートは、組成式 Ti M O (Mは、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cuから l-x x 2
選ばれる少なくとも 1種であり、 0<χ< 1、または Mは、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu 力も選ばれる少なくとも 1種と Li、 Mg、 A1力も選ばれる少なくとも 1種の合計 2種以上 の金属であり、 0<x< 1)で表されるチタ-ァを主成分とするナノシートとして例示さ れる。非磁性ナノシートは、組成式 Ti O (0< δ < 0. 5)または Ti M O (Mは、 L
1- δ 2 l-x x 2
i、 Mg、 Al、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Znから選ばれる 1種または 2種以上の金 属、 0≤x< 1)で表されるチタ-ァを主成分とするナノシートとして例示される。
[0023] ソフト化学処理とは、酸処理とコロイドィ匕処理を組み合わせた処理である。すなわち 、層状構造を有するチタン酸化物粉末に塩酸などの酸水溶液を接触させ、生成物を ろ過、洗浄後、乾燥させると、処理前に層間に存在していたアルカリ金属イオンがす ベて水素イオンに置き換わり、水素型物質が得られる。次に、得られた水素型物質を ァミンなどの水溶液中に入れ撹拌すると、コロイドィ匕する。このとき、層状構造を構成 していた層が 1枚 1枚にまで剥離する。膜厚はサブ nm〜nmの範囲で制御可能であ る。
[0024] そこで、非磁性チタ-アナノシートのチタン格子位置にコバルト、鉄、ニッケルの磁 性元素を 20%〜40%置換した磁性チタ-アナノシート（Ti Co O , Ti Fe O , Ti
0.8 0.2 2 0.6 0.4 2 0.
Ni O )を作製し、図 1に示したように、石英ガラスまたは Si基板上にカチオン性ポリ
6 0.4 2
マーである有機ポリカチオンを介して交互自己組織ィ匕積層技術により多層膜を作製 した。交互自己組織ィ匕積層技術は、特開 2001— 270022号公報に記載された本発 明者らの発明に基づくものである。具体的には、基板を（1)チタ-ァゾル溶液に浸漬 → (2)純水で洗浄→ (3)有機ポリカチオン溶液に浸漬→ (4)純水で洗浄すると ヽぅー 連の操作を 1サイクルとして必要回数反復して行う。有機ポリカチオンには、ポリジァリ ルジメチルアンモ -ゥム塩化物（PDDA)、ポリエチレンィミン（PEI)、塩酸ポリアリルァ ミン (PAH)などが適当である。また、交互積層に際しては、基板表面に正電荷を導入 することができれば基本的に問題はなぐ有機ポリマーの代わりに正電荷を持つ無機 高分子、金属錯体または多核水和物イオンを含む無機化合物を使用することができ る。 [0025] 磁性チタ-アナノシートは、量子サイズ効果に起因した広いバンドギャップ (320nm )を有し、石英ガラス基板に作製したサンプルは、図 2に示したように、可視光の広い 領域に対して透明であった。
[0026] 図 3は、 Co置換チタ-アナノシートが 10層積層した多層膜の室温下における磁気 円二色性 (MCD)磁気光学測定の結果である。図 3に示された磁気光学ヒステリシス 特性は、磁性体によって光が反射する際の磁ィ匕またはスピン分極による右円偏光と 左円偏光の反射率差を示すもので、材料のスピン分極およびスピン 軌道相互作用 に対応し、磁化の存在を実証している。
[0027] 基礎吸収端付近の 320nmにおける磁気光学測定の結果、 Co置換チタ-アナノシ ートが 10層積層した多層膜は強磁性特有の磁気光学応答を示し、室温で強磁性体 として機能することが確認され、また、磁気光学性能指数は約 13,000度 /cmという大 きな値を示した。同様の強磁性的な磁気光学応答は、 Fe置換チタ-アナノシートまた は Ni置換チタ-アナノシートが 10層積層した多層膜でも確認された。したがって、磁 性元素置換チタ-アナノシートは室温で強磁性体として機能すると結論される。
[0028] 以上の磁性チタ-アナノシートを構成層とし、積層数、隣接するナノシートの種類を 変化させ、層間相互作用を介して磁性金属間光学遷移が制御された磁性人工超格 子を作製した。図 4は、磁性人工超格子の構造模式図である。図 4に示したように、具 体的には、 Co置換チタ-アナノシートおよび Fe置換チタ-アナノシートを構成層とす る、各 5層で合計 10層の規則性の異なる磁性人工超格子 (Ti Co 0 ) (Ti Fe O )
0.8 0.2 2 5 0.6 0.4 2
、（Ti Co O /Ti Fe O )を作製した。比較のために、 Co置換チタ-アナノシート
5 0.8 0.2 2 0.6 0.4 2 5
または Fe置換チタ-アナノシートを 10層積層した多層膜（Ti Co 0 ) , (Ti Fe O
0.8 0.2 2 10 0.6 0.4
) を作製した。
2 10
[0029] 図 5は、 Co置換チタ-アナノシート多層膜 (a)、 Fe置換チタ-アナノシート多層膜 (a )、および 2種類を組み合わせた磁性人工超格子 (b) (c)の紫外 ·可視吸光度スぺク トルである。図 5 (b) (c)に示した紫外 ·可視吸収スペクトルから、吸着サイクルごとに 構成層の Ti Co Oまたは Ti Fe Oに対応した吸着'累積が確認され、 目的の多
0.8 0.2 2 0.6 0.4 2
層膜、すなわち、磁性人工超格子が形成されていることが確認される。そして、 2種類 の磁性人工超格子は、構成ユニットが同じであることに反映して吸収スペクトルが同 一となつており、光学的に等価であるということが特筆される。
[0030] なお、基板上へのチタ-アナノシートの積層は、吸着'累積の他にスピンコートまた はディップコートによっても同様に行える。
[0031] 図 6は、 Co置換チタ-アナノシート多層膜 (a)、 Fe置換チタ-アナノシート多層膜 (a )、および図 4に示した 2種類のチタ-アナノシートを構成層として組み合わせて積層 した規則性の異なる 2種類の磁性人工超格子 (Ti Co O ) (Ti Fe O ) (b)
0.8 0.2 2 5 0.6 0.4 2 5 、（Ti
0.8
Co O /Ti Fe O ) (c)の磁気光学スペクトルである。室温下、各波長において ± 1
0.2 2 0.6 0.4 2 5
OkOeの磁場を印加して MCDを検出し、スペクトル化した。
[0032] 図 6 (a)に示したように、母体となる Co置換チタ-アナノシート多層層、 Fe置換チタ ユアナノシート多層層は、それぞれ、固有の約 10000程度の磁気光学応答を示した。 Co置換チタ-アナノシートおよび Fe置換チタ-アナノシートを 5層ずつ積層した磁性 人工超格子（Ti Co O ) (Ti Fe O )は、図 6 (b)に示したように、図 6 (a)で示した
0.8 0.2 2 5 0.6 0.4 2 5
Co置換チタニアナノシート多層層および Fe置換チタニアナノシート多層層の両者の スペクトルが相殺したスペクトルを示し、磁気光学応答は半分以下に低下した。 Co置 換チタ-アナノシートおよび Fe置換チタ-アナノシートを交互に 5層積層した磁性人 工超格子 Ti Co O /Ti Fe O ) は、図 6 (c)に示したように、（Ti Co O ) (Ti Fe
0.8 0.2 2 0.6 0.4 2 5 0.8 0.2 2 5 0.6
O )と光学的に等価ながら、 Co2+— Fe3+の d-d遷移と対応する近紫外 可視光波長
0.4 2 5
領域 (波長 330ηπ！〜 500nm)にお ヽて約 20倍増強した巨大な磁気光学応答を示した 。この巨大な磁気光学応答は、層間相互作用（Co2+— Fe3+遷移）に起因するものであ り、図 6 (b) (c)の対比から磁気光学応答のピーク波長と強度の自在な制御が可能で あることが実証される。
[0033] 図 7は、以上の磁性チタ-アナノシート人工超格子とともに、典型的なアイソレータ 一材料における、単位厚さあたりの磁気光学回転角の性能指数と最大応答波長を示 した図である。磁性チタ-アナノシート人工超格子の磁気光学効果は最も短波長で 発揮され、磁性チタ-アナノシート人工超格子は、現在実用化されている磁性ガー ネットを大きく凌ぐ優れた磁気光学性能指数を有している。
[0034] 図 8は、 Co置換チタ-アナノシートおよび Fe置換チタ-アナノシートが隣接した (Ti
0.
Co O /Ti Fe O )磁性人工超格子の層間に、非磁性ナノシート (Ti 0 )を介在
8 0.2 2 0.6 0.4 2 n 0.91 2 させることにより作製した 3色型磁性人工超格子 [(Ti Co 0 ) (Ti 0 ) (Ti Fe O )
0.8 0.2 2 2 0.91 2 2 0.6 0.4 2 2
]の構造模式図である。図 9は、作製した [(Ti Co 0 ) (Ti 0 ) (Ti Fe O ) ]磁性
2 0.8 0.2 2 2 0.91 2 2 0.6 0.4 2 2 2 人工超格子の紫外 ·可視吸光度スペクトルである。この紫外 ·可視吸収スペクトルから
、吸着サイクルごとに構成層である Ti Co Ο
0.8 0.2 2、 Ti Fe Oおよび Ti Oナノシートの
0.6 0.4 2 0.91 2
吸着 ·累積が確認され、目的の磁性人工超格子が形成して ヽることが確認される。
[0035] 図 10は、作製した [(Ti Co 0 ) (Ti 0 ) (Ti Fe O ) ]磁性人工超格子の室温下
0.8 0.2 2 2 0.91 2 2 0.6 0.4 2 2 2
における磁気光学スペクトルである。図 10には、図 6 (c)に示した（Ti Co O /Ti F
0.8 0.2 2 0.6 e O )磁性人工超格子の磁気光学スペクトルを併せて示している。 [(Ti Co 0 ) (T
0.4 2 5 0.8 0.2 2 2 i 〇）（Ti Fe O ) ]磁性人工超格子では、（Ti Co O /Ti Fe O )磁性人工超
0.91 2 2 0.6 0.4 2 2 2 0.8 0.2 2 0.6 0.4 2
格子の層間に非磁性スぺーサ一層が入ることで、（Ti Co O /Ti Fe O )磁性人
0.8 0.2 2 0.6 0.4 2 5 工超格子で観測された層間相互作用（Co2+— Fe3+遷移）に起因する磁気光学応答が 低下している。この現象は、層間相互作用を利用することにより磁気光学応答のピー ク波長と強度を自在に制御することができることを実証して 、る。
[0036] Ni置換チタ-アナノシートと Fe置換チタ-アナノシートまたは Co置換チタ-アナノシ 一トとを構成層とする交互に積層した磁性人工超格子についても、上記と同様な磁 気光学強度の増大や応答ピークのシフトなど自在な特性制御が可能である。その例 を図 11に示す。
[0037] また、上記の通り、非磁性ナノシート (Ti 0 )を層間に挿入することにより強磁性チ
0.91 2
タニアナノシートの層間相互作用が抑制され、これにともない磁気光学強度が低下 することが確認されたが、これと同様な現象が、室温で強磁性特性を示さない常磁性 ナノシート、たとえば Ti Ni 0
0.8 0.2 2、Co Al (OH)などの層間挿入によっても起こる。そ
2/3 1/3 2
の例を図 12に示す。
[0038] 磁気光学効果の顕著な増強が確認された Co置換チタ-アナノシートおよび Fe置換 チタ-アナノシートを構成層として組み合わせた磁性人工超格子では、 1.9-2.0eV、 2 .5- 3.6eV付近で Co2+ d-d (1.9-2.1 eV)、 Fe3+ d-d (1.7, 2.4-3.0 eV)、 Co2+- Fe3+ (〜2. 5 eV)の d-d電子遷移と関係したピークが観測された。これらのピークは、 Co2+ (d7)-Fe3 + (d5)の強い層間相互作用に起因するものであり、磁性チタ-アナノシートの層間の 磁気的相互作用を変化させ、磁気光学特性の自在な制御を可能とするものである。 特に、 Co置換チタ-アナノシートを構成層とする場合に磁性人工超格子が優れた特 性を示した理由は、 Co2+ d-d電荷移動遷移 (Co2+— Co3+)または Co2+-Fe3+ (Co2+-Fe3+ -Co3+-Fe2+)により、初期の Co2+ (d7)の低 spin状態 (s=l/2)から磁気特性の優れた Co 3+ (d6)の高 spin状態 (s=2)に遷移するためと考えられる。
[0039] 一般に、 3d遷移金属元素の磁気特性は、図 13に示したように、 3d電子数 (dn: n=電 子数)で規定されるスピン配置と関係しているので、 Co2+ (d7)、 Fe3+ (d5)と同様のスピン 配置を有する Ni3+ (め、 Mn2+ (d5)を用いた組み合わせ、すなわち Ni3+-Fe3+, Ni3+-Mn2+, Co2+-Mn2+にお 、ても同様な磁気光学特性の自在な制御が可能であると推定される
[0040] 以上の磁性人工超格子の磁気光学特性をそれを構成する磁性チタ-アナノシート 、常磁性ナノシートの積層多層膜と比較して示すと表 1および図 14に示す通りである
[0041] [表 1]
Figure imgf000012_0001
産業上の利用可能性
以上説明した通り、本発明によれば、 2次元ナノ構造体である磁性チタ-アナノシ ートの有する、高い組織、構造制御性、独自のナノ物性などの特性を活用することで 、紫外線から可視光波長領域までの広 V、領域にお V、て高 、磁気光学特性を示す磁 性人工超格子の作製と特性の自在な制御が可能になる。従来のガーネット系材料で は、半導体素子や分子エレクトロニクスとの融合は困難であつたが、磁性チタ-アナ ノシートは、自己組織ィ匕などのソフトィ匕学反応を利用することにより様々な材料との融 合が可能であり、融合を低コストで行うことができる。たとえば、磁性人工超格子と、有 機ポリマー、無機高分子、金属錯体または多核水和物イオンを含む無機化合物の少 なくともいずれかの 1種の薄膜が組み合わされた薄膜から構成される磁性人工超格 子が実現可能である。したがって、本発明の磁性人工超格子は、光アイソレーターや 高密度磁気記録などの IT技術分野、ナノスピンエレクトロニクス、分子エレクト口-ク スなどの技術分野に極めて有用であると結論される。
中でも、磁気光学効果は光アイソレータ一として使える他にない特性であり、磁気 光学効果を利用した光アイソレータ一は光通信のあらゆるシステムに組み込まれて いる。光情報通信の波長に応じて大きな磁気光学特性を示す材料は特に注目すベ き材料であり、本発明の磁性人工超格子は紫外線領域で高い磁気光学特性を有す ることから、このような用途に非常に有効である。たとえば、磁性人工超格子を用いた 短波長可視光および紫外光に応答する磁気光学素子や磁気機能を有する磁性素 子が実現可能である。

Claims

請求の範囲
[1] Ti格子位置に磁性元素が置換した層状チタン酸ィ匕物を剥離して得られる磁性体薄 片粒子 (以下、磁性チタ-アナノシート)が 2種以上組み合わされた積層薄膜から構 成されることを特徴とする磁性人工超格子。
[2] 磁性チタ-アナノシートに加え、層状チタン酸ィ匕物を剥離して得られる薄片粒子（ 以下、非磁性チタ-アナノシート）が組み合わされた積層薄膜から構成される請求項
1に記載の磁性人工超格子。
[3] 磁性チタ-アナノシートが、組成式 Ti M O (Mは、 V、 Crゝ Mnゝ Feゝ Co、 Niゝ C
l-x X 2
uから選ばれる少なくとも 1種であり、 0<χ< 1、または Mは、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 N i、 Cuから選ばれる少なくとも 1種と Li、 Mg、 Al力も選ばれる少なくとも 1種の合計 2種 以上の金属であり、 0<x< 1)で表されるチタ-ァを主成分とするナノシートである請 求項 1または 2に記載の磁性人工超格子。
[4] 非磁性チタ-アナノシートが、組成式 Ti O (0< δぐ 0. 5)または Ti M O (M
1- δ 2 l-x x 2 は、 Li、 Mg、 Al、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Znから選ばれる 1種または 2種以 上の金属、 0≤x< 1)で表されるチタ-ァを主成分とするナノシートである請求項 2に 記載の磁性人工超格子。
[5] 請求項 1な！、し 4 ヽずれか一項に記載の磁性人工超格子と、有機ポリマー、無機高 分子、金属錯体または多核水和物イオンを含む無機化合物の少なくともいずれかの
1種の薄膜が組み合わされた薄膜から構成される磁性人工超格子。
[6] 磁性チタ-アナノシートまたは磁性チタ-アナノシートと非磁性チタ-アナノシートと を、有機ポリカチオンを介して基板上に積層することを特徴とする磁性人工超格子の 製造方法。
[7] 基板上に吸着 '累積させる請求項 6に記載の磁性人工超格子の製造方法。
[8] 基板上にスピンコートまたはディップコートする請求項 6に記載の磁性人工超格子 の製造方法。
[9] 請求項 1な!、し 5 、ずれか一項に記載の磁性人工超格子を用いた短波長可視光 および紫外光に応答する磁気光学素子。
[10] 請求項 1な!ヽし 5 ヽずれか一項に記載の磁性人工超格子を用いた磁気機能を有す る磁性素子。
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