名古屋大学大学院工学研究科の秦 誠一 教授、佐野 光哉 博士後期課程学生と東京理科大学の山崎 貴大 助教は、軟磁性と大きな磁歪を両立する新奇Fe系ナノ結晶材料の設計指針の確立に成功しました。
近年、IoT機器の電力供給問題の解決に向けて、磁歪材料の逆磁歪効果注5）を利用した環境振動発電注6）が注目されています。発電素子の小形化、高出力化に向けて、磁歪材料には高軟磁性と大磁歪の両立が要求されていますが、従来材料では結晶磁気異方性注7）の制約により、その達成は困難でした。
本研究では、材料内に存在する結晶サイズをナノスケールまで微細化し、結晶磁気異方性を消失させることで、超高軟磁性を示す「ナノ組織」と、大磁歪組成である「Fe-Ga」を組み合わせた「Fe-Ga系ナノ結晶軟磁性磁歪材料」を提案しました。提案した新奇材料の実現を確認するため、Ga添加量の異なるサンプルを作製し、特性評価を行いました。その結果、Ga添加サンプルはベース組成のサンプルに比べて、磁歪と軟磁性の両立の指標である磁歪感受率が1.77倍に向上することを示し、提案材料の優れた磁歪特性を実証しました。
本研究成果で提案された「Fe-Ga系ナノ結晶軟磁性磁歪材料」は、磁歪特性の未踏領域への拡張を初めて実現した新規機能材料であり、逆磁歪効果を応用した振動発電素子やひずみセンサなどのデバイス性能向上への貢献が期待されます。
本研究成果は、2024年1月11日付イギリスの科学専門誌「Scripta Materialia」に掲載されました。
・大磁歪注1）と高軟磁性注2）を両立するFe-Ga系ナノ結晶材料注3）を創出
・Fe基ナノ結晶軟磁性材料へのGa添加により、Feナノ結晶相の負の磁歪を正の磁歪にすることで材料全体の磁歪量を増大
・従来ナノ結晶材料の1.77倍の磁歪感受率注4）（磁歪と軟磁性の両立指標）を達成
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注1）磁歪：
強磁性体において、磁場の印加によって外形が伸縮する現象。強磁性体内の磁区の変化によって生じる。
注2）軟磁性：
強磁性体において、外部の磁場により磁化が容易に変化する性質。
注3）ナノ結晶材料：
非晶質母相中に10-20 nm程度のナノ結晶粒が分散して存在する構造を持つ材料。
注4）磁歪感受率：
印加磁場に対する磁歪量を表す磁歪曲線における傾きで定義される値。磁歪量と軟磁性の双方と正の相関があるため、本研究では両立の指標として用いた。
注5）逆磁歪効果：
磁化されて磁歪効果を生じている強磁性体の外形を伸縮させることで、磁性体の磁化が変化する現象。
注6）環境振動発電：
車や機械、ヒトなどによって発せられた微小な振動エネルギーを電力に変換する手法。磁歪、圧電、静電、電磁誘導などの方式がある。
注7）結晶磁気異方性：
磁性体のある特定の結晶軸方向に磁化しやすい磁気的な性質のこと。結晶構造を持たない非晶質材料では存在せず、結晶サイズの小さいナノ結晶材料では非常に小さくなる。
雑誌名：Scripta Materialia
論文タイトル：Soft magnetostrictive materials: Enhanced magnetostriction of Fe‐based nanocrystalline alloys via Ga doping
著者：Kohya Sano (名古屋大学 大学院生), Takahiro Yamazaki (東京理科大学 助教), Ryo Morisaki (研究当時 名古屋大学 大学院生), Chiemi Oka (名古屋大学 助教), Junpei Sakurai (名古屋大学 准教授), Seiichi Hata (名古屋大学 教授)
DOI:10.1016/j.scriptamat.2023.115956
URL: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115956
