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物理システム工学科３年次
「物性工学概論」
第13回 スピンエレクトロニクス(1)
磁性入門
物理システム工学科量子機能工学分野
佐藤勝昭
第12回に学んだこと
さまざまなディスプレイ
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現行のディスプレイ、これからのディスプレイについて
その原理・仕組みを学んだ。
ブラウン管(CRT=cathode ray tube)
液晶ディスプレイ(LCD=liquid crystal display)
プラズマディスプレイ(PDP=plasma display panel)
無機ELD (Inorganic electroluminescence display)
有機ELD (organic electroluminescence display)
電界放出ディスプレイ(FED=field emission display)
第１２回の問題
液晶ディスプレイの仕組みを簡単に述べよ。
(a) 光が通らないように偏光方向を直交させた2
枚の偏光フィルターの間に、ねじれた液晶
をはさむと、上から 入った光は液晶分子の
隙間に沿って90度ねじれるので、下のフィ
ルターを通過できる。（光が通る）
(b) 電圧をかけると、液晶分子が直立してねじ
れが取れる。上から入った光は、そのまま
下に向かうので、 下のフィルターを通れな
い。（光を遮断）
•
特定の画素を選択して電圧をかけるには、
画素毎に薄膜トランジスタを置き、縦横のア
ドレス線により、選択したトランジスタをオン
状態にして、液晶に電圧を印加する
•
カラーにするため、各画素毎にR, G, B３色
のカラーフィルターを付けた３つの液晶エレ
メントを配置し、任意の色を作っている。
(a)
(b)
シャープのホームページより
http://www.sharp.co.jp/produ
cts/lcd/tech/s2_1.html
Q&A1
Q: 液晶、つまり、液体と固体の中間というイメージがつかみにくい。石
けん水もイカスミも液体に思えるのですが(YT)→A. 液晶は流動性と
いう点では基本的には液体です。しかし、有機分子が一定の方向に
配列していて、光学的な異方性をもつという点では結晶に近いのです。
奈良先端大連携講座ホームページ
http://mswebs.aistnara.ac.jp/LABs/sharp/LCD.html
Q&A2
Q: 薄型ディスプレイでは平面にこだわらず曲げたりできるのでは？く
るくる巻いて持ち運べると便利かも(SS)→A:薄型ディスプレイのう
ち偏光の伝搬が関係するLCDでは、フレキシブルは困難です。薄
型自発光型ディスプレイのうち、FEDやPDPは真空を要求するの
で、フレキシブルにするのは不可能です。唯一フレキシブルにでき
るのは有機ELです。図のように、ＤＮＰではフレキシブル型を発表
しています。
大日本印刷のホームページより
http://www.dnp.co.jp/jis/news/2001/20010404.html
Q&A3
Q: 前回「 CD-RWをフォーマットす
るとき、データを消去する代わりに、
その部分のアドレス帳に消去マー
クを付けるだけ」で結晶化されない
と言うことはオーバーライトの際に
急冷・緩冷を同時にするため、レー
ザ光強度の調整をしているのです
か。(F)
→A. そのとおり右図のようにPeは
消去(erase), Pwは記録(write)、Pb
はバイアス(bias)となっています。
この例では、オーバーライトの記録
パワー(Pw)制御範囲は9～16mW、
消去パワー(Pe)制御範囲は3～
9mWとし、バイアスパワー(Pb)と再
生光パワー(Pr)は1.0mWとなって
います。
Ricoh Technical Report No.22, JULY, 1996
井手 由紀雄、針谷 真人、影山 喜之、岩崎 博子 ：
Ag-In-Sb-Te系相変化材料を利用した書き換え可能なコンパクト
ディスク http://www.ricoh.co.jp/rdc/techreport/No22/r1/r1.htm
Q&A5
Q: 現在大型スクリーンテレビとして商われているスクリーンは最大
どれくらいですか(IS)→A. PDPの市販品は50インチ(125cm)が最
大ですが、業務用では60型が出ています。
Q&A6
Q: 生命工学科の研究室で有機ELを研究している
ところがあったと思いますが、有機という言葉から
して物シスより生命工の方が得意分野なのでしょ
うか(SY)
A. 材料は、生命工(L)、有機材料(G)などで扱って
います。システムにするのは、電気電子(E)の範
囲でしょう。Pでも、やることは可能ですが、先生
方に興味を持っている人がいないというだけです。
Q&A7
Q:有機EL材料は、植物や生物から作れるのでしょうか(KT)
A: 発光層として使われるp-phenylene vinylene (PPV)は、有機合成
で作成されます。L科でやっているからといって生体物質とは限り
ません。
Q: 材料が違うさまざまなディスプレイが開発されていますが、今後規
格化などにより利用されるディスプレイは限定されるのですか、そ
れとも利用分野により棲み分けができるのですか(HK)
A: 多くのディスプレイは、回路的に異なる規格に対応できるように設
計されているので、規格の問題はあまり心配しなくても良いと思い
ます。
感想
• 液晶については、以前、NHKのプロジェクトXでシャープ
が開発する特集を見たことがあったのでその話を思い出
した。最初不安定だった画面をどうやって鮮明に表すこと
ができるかで大変苦労しているところが印象的だった。こ
の授業を通してまた自分で調べてみようと思った。(土屋)
• 今まで液晶ディスプレイとプラズマディスプレイについて
違いがよくわからなかったが、講義を聞き少し理解できる
ようになった。それぞれ利点欠点が存在し、用途、要望に
応じて選ぶべきだと思った。(今野)
第１３回で学ぶこと
磁性入門
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磁性体はどこに使われているか
どのような物質が磁性体になるのか
磁性体の特徴はなにか
磁性体の物理
磁性体はどこに使われているか
• 永久磁石→モーター、パワー
エレクトロニクス
• 変圧器、インダクター用磁心
• 磁気記録、光磁気記録→IT
• 光アイソレータ→光ファイバ
通信
モーターと磁石
• 直流モーターは、永久磁石の回転子が、固定子という電
磁石の中に置かれています。分割された電磁石に流さ
れる電流を順次切り替え、磁界の回転を生じ、回転子に
運動を与えるのです。固定子のヨークにも磁性体が使わ
れています。
ミニブラシレスモータ
• http://www.cityfujisawa.ne.jp/~iijima-p/BRA2.htm
変圧器のコア
• 通常は、積層珪素鋼板を用いる。
磁気記録
• 磁気テープ：ボリュームで記録→大容量
– テープレコーダー：リール→カセット
– ビデオテープレコーダー(VTR)
– コンピュータ用テープ
• 磁気ディスク：ランダムアクセス、面で記録
– フロッピーディスク
– ハードディスク
– 光磁気ディスク
• 固体磁気メモリ
– 磁気バブルメモリ
– MRAM
ハードディスク
• 磁性体はどこに使われて
いるか？
ディスク媒体
– ディスク媒体 CoCr等
– 磁気ヘッド CoFe等
– アクチュエータ NdFeB等
ロータリー・
アクチュエーター
磁気ヘッド
どのような物質が磁性体になるのか
• 外部磁界をかけなくても物質が磁化をもっている
ならば、その磁化を自発磁化という。
• 自発磁化をもつ磁性体を広義の強磁性体という
が、これには、狭義の強磁性体、フェリ磁性体等
があるが、ほとんどの(広義の)強磁性体は、3d遷
移金属および4f希土類金属の合金、あるいは、
化合物である。
元素の周期表
3d遷移金属
• 3d遷移金属：Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni
• Arの閉殻(1s22p63s23p6)+3dn4s2
• 3d軌道には5個の軌道があり、スピンまで入れて
10個の状態がある。
• 遷移金属では3d軌道を部分的にしか満たさずに、
4s軌道を占有する。(不完全内殻)
• このため、不対スピンが生じ原子磁気モーメント
をもたらす。室温で強磁性を示すのは、Fe, Co,
Niの３つのみ。
３ｄ遷移元素
スカンジウム
[Ar].3d1.4s2
2D
3/2
鉄
チタン
マンガン
クロム
[Ar].3d5.4s1
7S
3
[Ar].3d2.4s2
3F
2
コバルト
[Ar].3d6.4s2
5D
4
バナジウム
[Ar].3d3.4s2 4F3/2
ニッケル
[Ar].3d7.4s2
4F
9/2
[Ar].3d8.4s2
3F
4
[Ar].3d5.4s2
6S
5/2
銅
[Ar].3d10.4s1
2S
1/2
• WebElementsTM Periodic table （http://www.webelements.com/）より
希土類金属
• La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er,
Tm, Yb
• 不完全4f殻を有している。
• 遷移金属と組み合わせると磁石材料になる
– 例：SmCo, Nd2FeB14,
• 希土類遷移金属アモルファス合金はMO媒体材料
– 例：TbFeCo, GdFeCoなど
強磁性(Ferromagnetism)
• Ferroというのは「鉄の」という意味で鉄に代表されるよう
な磁気的性質という意味である。
• 鉄に代表される性質とは、外部磁界を加えなくても磁化
をもつ、即ち、自発磁化をもつことである。
• 強磁性体の例：
遷移金属 Fe, Co, Ni,
遷移金属合金:Fe1-xNix, Fe1-xCox, Co1-xCrx, Co1-xPtx, Sm1-xCox
金属間化合物：PtMnSb, MnBi, NdFe2B14
酸化物・カルコゲナイド・ニクタイド、ハライド：
La1-xSrxMnO3, CrO2, CdCr2S4, Cr3Te4, MnP, CrBr3
強磁性の起源
• 局在電子モデル：原子磁石が交換相互作用して
向きをそろえ合っている。(絶縁性磁性体)
• バンド電子モデル：バンドがスピン偏極していて、
上向きスピンを持つ伝導電子の数と下向きスピン
をもつ伝導電子の数に違いが生じる。(金属磁性
体)
強磁性の特徴１
• 低温では、自発磁化をもち磁気モーメントの向き
がそろっているが、キュリー温度Ｔｃ以上に加熱す
ると、自発磁化を失う。
強磁性体の特徴２
• 磁化が外部磁界に対しヒステリシスを示す。
•
•
•
•
O→B→C:初磁化曲線
C→D: 残留磁化
D→E: 保磁力
C→D→E→F→G→C:
ヒステリシスループ
(高梨：初等磁気工学講座テキスト)
強磁性体の特徴３
• 保磁力のちがいで用途が違う
• Hc小：軟質磁性体
– 磁気ヘッド、変圧器鉄
心、磁気シールド
• Hc中：半硬質磁性体
– 磁気記録媒体
• Hc大：硬質磁性体
– 永久磁石
なぜ初磁化状態では磁化がないのか：
磁区(magnetic domain)
• 磁化が特定の方向を向くとすると、N極からS極に向かっ
て磁力線が生じます。この磁力線は考えている試料の
外を通っているだけでなく、磁性体の内部も貫いていま
す。この磁力線を反磁界といいます。反磁界の向きは、
磁化の向きとは反対向きなので、磁化は回転する静磁
力を受けて不安定となります。
• 磁化の方向が逆方向の縞状の磁区と呼ばれる領域に分
かれるならば、反磁界がうち消し合って静磁エネルギー
が低下して安定するのです
磁化・磁極・反磁界
• 磁性体表面の法線方向の磁化成分を
Mn とすると、表面には単位面積あたり
 = Mnという大きさの磁極(Wb/m2)が生
じる。
• 磁極からはガウスの定理によって全部
で /μ0の磁力線がわき出す。このうち
/2μ0の磁力線は外へ向かっており、残り
の /2μ0は内側に向かっている。すなわ
ち棒磁石の内部では、Mの向きと逆向
きの反磁界が存在する。
• 反磁界の大きさHdは磁化Mに比例する
が、比例係数を反磁界係数と呼びNで
表す。Nは磁性体の形状のみによる無
次元量で方位によって異なる。
-
M
+
(a)磁化と磁極
反磁界
S
N
(b) 棒磁石からの磁力線
反磁界係数N (近角強磁性体の物理より
：
）
Nのx, y, z成分をNx, Ny, Nzとすると、Hdi=-NiMi/0 (i=x,y,z)と
表され、Nx, Ny, Nzの間には、Nx+ Ny+ Nz=1が成立する。
• 球形：Nx= Ny= Nz=1/3
• z方向に無限に長い円柱：Nx= Ny= 1/2、Nz=0
• 無限に広い薄膜の場合：Nx= Ny= 0、Nz=1となる。
• 実効磁界Heff=Hex-NM/0
z Nz=1/3
x
Nz=1
Nx= 1/2
y
z
Nx=1/3
x
y
Ny=1/3
Ny= 1/2
y
Nz=0
z
x
Nx= 0
Ny= 0
反磁界と静磁エネルギー
• 磁化Mが反磁界-Hdのもとにおかれると
E=0MHdだけポテンシャルエネルギーが高くなる。
－－－－－－－－－－－－－－－－
• 一様な磁界H中の磁気モーメントMに働くトルクTは
•
T=0MH sin
• 磁気モーメントのもつポテンシャルEは
• E=Td=  0MH sin d=1- 0MH cos
• エネルギーの原点はどこにとってもよいので
ポテンシャルエネルギーはE=-0M・Hと表される。
円板磁性体の磁区構造
• 全体が磁区に分かれることにより、
全体の磁化がなくなっている。これ
が初磁化状態である。
• 磁区の内部では磁化は任意の方向
をランダムに向いている訳ではない。
• 磁化は、結晶の方位と無関係な方
向を向くことはできない。磁性体に
は磁気異方性という性質があり、磁
化が特定の結晶軸方位(たとえばFe
では[001]方向および等価な方向)を
向く性質がある。このため、図のよう
に[100][010][-100][0-10]の４つの方
向を向く。
(a)
(b)
(近角：強磁性体の物理)
磁気異方性
• 磁性体は半導体と違って形状・寸法・結晶方位とか磁化の方位など
によって物性が大きく変化する。
• １つの原因は上に述べた反磁界係数で、形状磁気異方性と呼ばれ
ます。反磁界によるエネルギーの損を最小化することが原因です。
• このほかの原因として重要なのが結晶磁気異方性です。結晶磁気
異方性というのは、磁界を結晶のどの方位に加えるかで磁化曲線
が変化する性質です。
• 電子軌道は結晶軸に結びついているので、磁気的性質と電子軌道
との結びつき(スピン軌道相互作用)を通じて、磁性が結晶軸と結び
つくのです。半導体にも、詳しい測定をすると異方性を見ることがで
きます。これに比べ一般に半導体の電子軌道は結晶全体に広がっ
ているので、平均化されて結晶軸に依存する物性が見えにくいです。
ヒステリシスと磁区
残留磁化状態
逆磁区の発生と成長
磁区の観察
珪素鋼(4%SiFe)の磁区像の
ビッターパターン
近角：強磁性体の物理
ＭＦＭで見たパーマロイ蒸着膜
のメーズ磁区パターン
光で見た磁区
Pt/CoMOディスクに記録された
200nmマークのSNOM像
Bi添加磁性ガーネット磁気光学像
期末テストについて
• ７月２９日(火)１限
• プレハブ教室
• 問題の１つとして、「物性工学概論で学んだ材料
や物理現象のうち興味を持ったことを１つ選んで、
自分で調べて１０００字程度で説明せよ。」という
のを出しますので、あらかじめ準備しておいてくだ
さい。（同一文章の場合、双方とも減点します）
• 持ち込み可能なもの：参考書１冊、電卓、カンペ２
枚（手書きに限る）
テーマの例
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光電変換：CCDカメラ
ニュートリノを見いだした光電子増倍管
青色発光ダイオード、青紫色レーザー
さまざまな光ディスク：CD-RWの記録の仕組み
ディスプレイ：PDPの仕組み、原理
磁気光学効果とMOディスク
ハードディスクの仕組み