Transcript 磁気光学イメージ素子用磁性ガーネット薄膜 - Ceramics Research

高周波磁界検出用MOインディケーターの合成と評価
CRL
セラミックス基盤工学研究センター 複合機能研究グループ
3. Results and Discussion
1. Introduction
作製した(BiPrLu)3Fe5O12及び(BiLu)3Fe5O12膜の成長条件と諸特性
BLIG
BLIG
BLIG
BPLIG BPLIG
Sample
(110)
(Pr=1) (Pr=0.4) (Pr=0,(111)) (100)
磁気光学(MO)インディケーターとはファラデー効果を用いて磁界を可視
化するイメージング素子である。インディケーターに磁性ガーネット薄膜を
用いた磁界観察は広い温度範囲での観察が可能であること、試料を非破
壊のまま観察を行えるといった利点からこれまで高温超伝導体の進入磁
束観察に応用されてきた。近年では被測定系への影響が極めて小さいこ
とや磁界変動に対して高速応答であることから電子回路上に発生する高
周波電磁界分布計測への応用に注目が集まっている。本研究ではこの高
周波磁界計測プローブ用磁性ガーネット薄膜の合成と評価を主題とする。
Tg [℃]
T [K]
Dipping time [min]
741
58
10
SGGG
(111)
1.2497
0.0002
3.53
0.35
0.48
1.00
1.52
Substrate
Lattice constant [nm]
Lattice mismatch [nm]
Thickness [m]
Growth rate [m/min]
Bi [f.u.]
Pr [f.u.]
Lu [f.u.]
1-1 磁界の可視化
750
56
15
GGG
(111)
1.2383
0.0000
4.74
0.32
0.27
0.37
2.36
733
66
10
GGG
(111)
1.2392
0.0009
5.35
0.54
0.65
2.35
730
69
10
GGG
(100)
1.2402
0.0019
6.35
0.64
0.82
2.18
730
69
30
GGG
(110)
1.2414
0.0031
2.33
0.08
0.78
2.22
磁気光学効果(ファラデー効果)
1
0
Pr = 0
Pr = 0.4
Pr = 1
-1
-2
磁化
0
5
1
0
-1
-10
10
-5
0
5
10
1
4
6
8
10
Frequency [ GHz ]
→ バイアス磁界をかけることで周波数特性が向上

I 

(Hr  H A ) Hr  H A  s 
0 
2

f 0 : 強磁性共鳴周波数
I s : ガーネット薄膜の磁化
0 : 真空の透磁率
 
2gB
h
: 回転磁気比
Hr : 外部直流磁界
H A : 異方性磁界
h : プランク定数
24
2
(111)において H A  ( H //  H )  4M s
3
成膜方法
液相エピタキシー法（LPE法）
・良質な光学薄膜が得られる
・再現性が良い
・ガーネットの作製方法が確立している
フラックス
PbO-B2O3-Bi2O3系
基板
(CaGd)3(ZrMgGa)5O12[SGGG](111)
Gd3Ga5O12[GGG](111),(100),(110)
メルト組成
(BiPrLu)3Fe5O12
(BiLu)3Fe5O12
評価方法
XRD,IR,EDS,VSM,FMR
(111)
(100)
(110)
-4
-2
0
2
H⊥
(111)
1
0
-1
(100)
(110)
-2
-4
4
-2
0
2
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
4
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
H / kOe
H / kOe
(BiLu)3Fe5O12のFMR結果
H / kOe
H / kOe
(BiLu)3Fe5O12の磁化曲線
H //
・ (110)膜が最も面内方向に磁気異方性が大きい
2007/02
Laser input 13 dBm
(BiLu) Fe O
・ 基板方位を変えることで面内方向の共鳴磁界が2kOeの薄膜を作製できた
H⊥
3
5
12
MSL input 10 dBm
55 kA/m
5 GHz
CF2
高周波磁界計測プローブとしての評価
5GHz 691Oe
-
2
3
4
5
0 kA/m
55
0Oe 251
20 691
6
H / kOe
2
周波数特性評価
-80
目的 ： 面内方向に磁気異方性の大きいガーネット薄膜の作製
2. Experimental
0
-2
B  9.27410 J / T
・ ガーネット薄膜のH
ガーネット薄膜のHA
1
-1
Bi1Lu2Fe4Ga5O12のFMR（9GHz）
H //
H⊥plane
1281
102
204
2563
-85
(BiLu)3Fe5O12
286
3593
437
5490
-90
4975
396
y position [ mm ]
f0 
dI/dH / a.u.
・ 周波数と共鳴磁界の関係式
8
H / kOe
FMRピーク比較
dI/dH / a.u.
2
7
1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8
-
-
1
-
-
0
[ dBm
-1
-2
(BiLu)3Fe5O12
-1
CF2
-95
-100
2007/02
Laser input 13 dBm
0
1 10 dBm
2
3
MSL
input
x position
204]kA/m
11
GHz [ mm
11GHz 2563Oe
-105
-
2
y position [ mm ]
0
H // plane
4M / kGauss
S
-140
4M / kGauss
N
6
0
2
2
-120
導線
5
基板方位による結晶磁気異方性に着目
3-2 (BiLu)3Fe5O12
728
Output [ dBm ]
H
4
-400
624
-80
5
400
-100
ガーネット薄膜
4
dI/dH / a.u.
Output [ dBm ]
3
希土類元素置換により強磁性共鳴ピークが
弱く、ブロードとなったため
＜周波数特性評価＞
0Oe 52 104 208 312 416 520
-60
2
H / kOe
H / kOe
(BiPrLu)3Fe5O12のFMR結果
高周波磁界計測プローブとしての評価
→ 磁気光学効果による検出感度上昇のピークが
見られなくなった
1-2 高周波磁界計測プローブ
I
Pr=1
-2
800
高温超伝導体の侵入磁束
-40
Pr=0.4
・ Pr置換量の増加により面内方向の磁気異方性が大きくなった
・ 面内方向の共鳴磁界が1.8kOeの薄膜を作製できた
検光子
走査レーザー光
H⊥
Pr=0
dI/dH / a.u.
クレジットカード
-5
H⊥plane
H / kOe
H / kOe
(BiPrLu)3Fe5O12の磁化曲線
1mm
500m
-10
4M / kGauss
4M / kGauss
偏光子
H //
2
H // plane
dI/dH / a.u.
2
光源
インディケーターを用いた磁界観察図
負の成長誘導磁気異方性をもつPr置換に着目
3-1 (BiPrLu)3Fe5O12
dI/dH / a.u.
直線偏光が磁性体中を透過すると
偏光面が回転する効果
-110
-115
-120
0
5
10
Frequency [ GHz ]
15
20
-
-
1
-
-
0
[ dBm
-1
-2
-1
0
1
2
x position [ mm ]
4. Conclusion
・ (BiLu)3Fe5O12膜はいずれも強磁性共鳴の強いピークが観察された
・ (BiLu)3Fe5O12膜において(110)基板を用いることで最も面内方向に
磁気異方性の大きい膜が作製できた
・ (110)膜においておよそ20GHzまで鋭い検出ピークが観察された
・ (110)膜は外部バイアス磁界の大きさをこれまでの膜よりも1/3小さく
することができ、高周波磁界用プローブとして有効である
Nagoya Institute of Technology Ceramics Research Laboratory
3