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物理システム工学科3年次
物性工学概論
第火曜1限0035教室
第11回 スピンエレクトロニクスと材料[1] 磁性入門
副学長(教育担当)
佐藤勝昭
復習コーナ
第10回で学んだこと



読み出しは、レーザー光を絞ったときに回折限
界で決まるスポットサイズで制限されるため、波
長が短いほど高密度に記録される。
光ストレージには、読み出し(再生)専用のもの、
1度だけ書き込み(記録)できるもの、繰り返し記
録・再生できるものの3種類がある。
記録には、さまざまな物理現象が使われている。
復習コーナ
第10回の授業を受けての感想他(1)




具体的なものを扱ってくれたので理解しやすかった。
(K)
記録について各媒体の単位の小ささに驚かされた。(O)
記録層とレンズの間隔に興味がある。(O)
光の波長が短いと記憶容量が増えるということは、紫外
線やそれより短い光を使ったりはできないか?(Y1)


A: 紫外線の半導体レーザーはまだ実用レベルになっていま
せん。また、紫外線はプラスチック基板に損傷を与える可能性
があるので利用するのは難しいでしょう。
レンズが本当にいろいろなところで使われているのが印
象的。フォトニクスの授業で非球面レンズという言葉を
少し聞いたことがあって興味をもっていた。(Y2)
復習コーナ
第10回の授業を受けての感想他(2)






いままで不思議だったCD等の仕組みがわかった気が
する。 (H,K4)
普段当たり前のように使っている光ディスクの原理がわ
かったので新鮮な印象をもった。(T2,T3)
光ディスクにいろいろな種類があることがわかって面白
かった。(K1,T1)
光ディスクは多くの物理現象を利用していることを知っ
て面白かった。(T1,K2,I1,Y3,M1)
DVDの仕組みを、何も知らない人にやさしく説明できる
くらいになろうと思った。(K2)
BDとHD-DVDとは構造そのものが全く違うことに驚い
た。規格の違いは消費者として気になる(Y1,N2)
復習コーナ
第10回の授業を受けての感想他(3)





CD-ROM,CD-R,CD-RWが全く違う原理を使っている
ことがわかり面白かった。(K3,Y2,I3,S1,Y5,N3,S4)
CD-RとCD-RWの違いがとても面白かった。(N2,K4)
CD-RW等でアモルファスと結晶の相変化を使っている
ことに驚いた (O,F,Y3,Y5,Y6) 相変化についてもっと知り
たい(Y3)アモルファスについて復習したい。(F)
CD-Rの仕組みが面白いと思った(M2)
CD-RWで消去する時は結晶化するのか(Y4)

YES, 融点より低い400℃に加熱することで結晶化します。
復習コーナ
第10回の授業を受けての感想他(4)




DVD-RWと+RWでlandかgrooveでどのような違い
があるのかよくわからなかった。(I2)
ホールバーニングメモリを詳しく知りたい。なぜ低温でな
いとだめなのか。実用化の際のしくみに興味(K1,N,U)
ホログラフィックメモリについて説明が欲しい。(T1)
ホログラフィックメモリやホールバーニングメモリの実用
化の見通しを知りたい。(S2)
復習コーナ
第10回の授業を受けての感想他(5)

光磁気記録が意外にも1962年に構想されていたことに驚いた。
(M3)



実験の「磁性体」の考察で、光ストレージのフォーカスサーボや
トラッキングサーボがわからなかったが今回わかった。(O2)
CD→MD→ipodへと変化している。今後が楽しみだ。(T2)
MD,Hi-MDがMOと同じ原理ならにファイルを記録することは
できないのか。(M4)



MD-Dataは存在します。また, Hi-MD-Dataも企画されています。
MOは情報が長持ちするらしいので興味がある。(M5)
MO記録での読み取りが複雑だけれど応用力のすごさを知っ
た(T6)
復習コーナ
第10回の授業を受けての感想他(6)







MO, MDに使用されている磁気光学効果に興味があります。
光と磁気がどのように影響し合うのか知りたい。(S4)
MOの記録方法が熱磁気記録であることが印象に残った。(Y5)
MOの記録の詳細な内容は初めて知ることができた。(K5)
説明を聞いてハードディスクが衝撃に弱いことも頷けた。(B2)
ハードディスクと光ディスクの比較が面白かった (S5) 。光ディ
スクの方がハードディスクより信頼性が高いことに驚いた(N3) 。
垂直磁気記録のHDDがすでにできていることに驚いた。(T3)
ハイブリッド記録の所は面白そうだが時間不足で何のことかわ
からなかった。(T3)
復習コーナ
スポットサイズ


レンズの開口数
 NA=nsinα
d=0.6λ/NA
現行CD-ROM: NA=0.6
CD-ROM: λ=780nm→d=780nm
DVD: λ=650nm→d=650nm
BD: NA=0.85
λ=405nm→d=285nm
HD-DVD: NA=0.6
λ=405nm→d=405nm
α
スポット径 d
復習コーナ
光記録に利用する物理現象






CD-ROM, DVD-ROM:
 ピット形成
CD-R, DVD-R:
 有機色素の化学変化と基板の熱変形
CD-RW, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW, DVR:
 アモルファスと結晶の相変化
MO, MD, GIGAMO, AS-MO, iD-Photo:
 強磁性・常磁性相転移
ホログラフィックメモリ:フォトリフラクティブ効果
ホールバーニングメモリ:不均一吸収帯
復習コーナ
光ディスクの特徴


リムーバブル
大容量・高密度



ランダムアクセス



現行10Gb/in2:ハードディスク(70Gbit/in2)に及ばない
超解像、短波長、近接場を利用して100Gbit/in2をめざす
磁気テープに比し圧倒的に有利;
カセットテープ→MD, VTR→DVD
ハードディスクに比べるとシーク時間が長い
高信頼性

ハードディスクに比し、ヘッドの浮上量が大きい
復習コーナ
光ディスクの面記録密度の伸び
光ディスク
MO
ハードディスク
鈴木孝雄:第113回日本応用磁気学会研
究会資料(2000.1) p.11に加筆
復習コーナ
CD-ROM




ポリカーボネート基板:n=1.55
λ=780nm → 基板中の波長λ’=503nm
ピットの深さ:110nm ~ ¼波長
反射光の位相差π:打ち消し
http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/multimedia/cd.html
復習コーナ
CD-RW


光相変化ディスク
結晶とアモルファスの
間の相変化を利用
http://www.cds21solutions.org/main/osj/j/cdrw/rw_phase.html
復習コーナ
光相変化記録

アモルファス/結晶の相変化を利用

書換可能型 成膜初期状態のアモルファスを熱処理により結
晶状態に初期化しておきレーザ光照射により融点Tm
(600℃)以上に加熱後急冷させアモルファスとして記録。消
去は結晶化温度Tcr(400℃)以下の加熱緩冷して結晶化。
 Highレベル:Tm以上に加熱→急冷→アモルファス
 Lowレベル:Tcr以上に加熱→緩冷→結晶化
DVD-RAM: GeSbTe系
DVD±RW: Ag-InSbTe系
復習コーナ
相変化と反射率
初期状態:結晶状態
R:大
記録
記録状態:アモル
ファス状態
R:小
消去
レーザスポット
記録マーク
復習コーナ
CD-R




有機色素を用いた
光記録
光による熱で色素
が分解
気体の圧力により
加熱された基板が
変形
ピットとして働く
復習コーナ
DVDファミリー
DVD-ROM
DVD-R
DVD-RAM
DVD-RW
DVD+RW
容量(GB)
4.7 / 9.4
2層8.54
3.95 / 7.9
4.7 / 9.4
4.7/9.4
4.7/9.4
形状
disk
disk
cartridge
disk
disk
マーク形成
材 料
ピット形成
1層 R=45-85
2層 R=18-30
650/635
熱変形型
相変化型
相変化型
有機色素
GeSbTe系
AgInSbTe系
相変化型
AgInSbTe系
R=45-85%
R=18-30%
638/650
R=18-30%
650/635
R=18-30%
650
0.6
0.6
0.6
0.6
0.65
最短マーク長
1層:0.4
2層:0.44
0.4
0.41-0.43
0.4
0.4
トラック幅
0.74
0.8
Wobbled Land
pre-bit
0.74
Wobbled L/G
0.74
Wobbled Land
pre-bit
0.74 HF
Wobbled
groove
105
103-104
103-104
レーザ波長
レンズNA
書き換え可能
回数
-
-
650
復習コーナ
MO(光磁気)記録

記録: 熱磁気(キュリー温度)記録


再生: 磁気光学効果






光を用いてアクセスする磁気記録
磁化に応じた偏光の回転を電気信号に変換
MO, MDに利用
互換性が高い
書き替え耐性高い:1000万回以上
ドライブが複雑(偏光光学系と磁気系が必要)
MSR, MAMMOS, DWDDなど新現象の有効利用可能
復習コーナ
光磁気ディスク
 記録:
熱磁気(キュリー温度)記録
 再生: 磁気光学効果
 MO: 3.5”
128→230→650→1.3G→2.3G
 MD:6cm audio 70 min
→Hi-MD audio13 hr
 iD-Photo, Canon-anasonic(5cm)
復習コーナ
光磁気記録 情報の記録(1)



M
レーザ光をレンズで集め磁性体を加熱
キュリー温度以上になると磁化を消失
冷却時にコイルからの磁界を受けて記録
Tc
温度
Tc
コイル
外部磁界
光磁気記録媒体
光スポット
復習コーナ
光磁気記録 情報の記録(2)
補償温度(Tcomp)の利用
 アモルファスTbFeCoは
一種のフェリ磁性体なので

補償温度Tcompが存在

TcompでHc最大:

Hc
M
記録磁区安定
室温
Fe,Co
Tb
Tb
FeCo
Mtotal
Tcomp Tc T
復習コーナ
光磁気記録 情報の読み出し

磁化に応じた偏光の回転を検出し電気に変換
D1
LD
+
D2
N
S
S
N
N
S
偏光ビーム
スプリッタ
第11回に学ぶこと

磁界の定義






電流による定義
力による定義
両者をつなぐもの
磁界の発生と計測
磁気モーメントと磁化
磁性に親しもう

磁性体を特徴づけるもの:磁気ヒステリシス
磁性体は何に応用されているか
永久磁石

磁石になる元素たち


磁界の定義(1)

電流による定義

単位長さあたりnターンのソレノイドコイルに電流I [A]
を流したときにコイル内部に発生する磁界*の強さH
[A/m]はH=niであると定義する。
*応用磁気系用語では磁界、物理系用語では磁場という。
いずれも英語ではmagnetic fieldである。
q2
q1
r
磁界の定義(2)
q1
F
F
-q2
r
2.
力による定義
・距離r だけ離れた磁極q1[Wb] と磁極q2[Wb]の間に働
く力F[N]は、磁気に関するクーロンの法則 F=kq1q2/r2
で与えられる。kは定数。
磁極q1がつくる磁界H中に置かれた磁極q2 [Wb]に働く
力F[N]はF=q2Hで与えられるので、磁界の大きさは
H=kq1/r2で表される。
2つの定義をつなぐ
q1
q2
F
H





一方、q1から磁束が放射状に放出しているとして、半径rの
球面を考える。
ガウスの定理により4r2B=q1であるからB=q1/4r2
磁束密度B [T=Wb/m2]とHを結びつける換算係数0を導入
するとB=0H となる。
するとH=q1/40r2.
となり、これよりクーロンの式の係数kはk=1/40となる。
従って、クーロンの式は
F=q1q2/40r2
+[T]はテスラ、[Wb]はウェーバーと読む。
cgs-Gauss系の単位[G](ガウス)との関係は、1[T]=10000[G]
真空の透磁率0は、410-7[H/m] ここに[H]はヘンリーと読む。
SI単位系とcgs-emu単位系

磁界Hの単位:SIではA/m、cgsではOe(エルステッド)



磁束密度Bの単位:SIではT(テスラ)、cgsではG(ガウス)
1[T]=1[Wb/m2]=10000[G]
B=0H+M; cgsではB=H+4M
0=410-7[H/m];
真空中でH=1[A/m]の磁束密度は 410-7[T]=1.256[T]
cgsで測ったH=1[Oe]=79.7[A/m];B=100 [T]=1[G]
磁化M:単位体積[m3]あたりの磁気モーメント[Wb・m]
M=1[Wb・m-2] →M=(10000/4)[emu]=796[emu]



1[A/m]=410-3[Oe]=0.0126[Oe]
1[Oe]=(4)-1103[A/m]=79.7[A/m]
磁界の発生:
電磁石





空心ソレノイドコイル
空心電磁石
せいぜい10mT
ソレノイド
1cmあたり100ターン
1Aの電流を流すと
10000A/m、
磁束密度は4πx10-7x
104= 12.6mT
超伝導電磁石
10cmに1000ターン、
100A流すと
106A/m;1.26T
鉄心電磁石
鉄心電磁石
約B=2T程度
水冷コイル
超伝導コイル
最大10T
磁界の測定

ガウスメータ
ホール素子で測定
ホール素子
ホール・プローブ
QUIZ1



1cmあたり1,000回巻いた空心のコイルに1Aの
電流を流したときの磁界の強さはいくらか (SI単
位) 。1000turn/cm=105turn/m
このときの磁束密度はいくらか(SI単位)。
B= 0H
(0=410-7[H/m])
この中に比透磁率r=8,000のパーマロイ合金
(Fe80Ni20)を入れたとき、磁束密度はいくらか。
B=r 0H
磁界の大きさ







地磁気の大きさ:場所によるが B~50 T
(H=B/0~40 A/m)
空心ソレノイドで作れる磁界:10 mT
鉄心電磁石で出せる磁界:ほぼ 2 T
超伝導電磁石で出せる磁界:ほぼ 10 T
ハイブリッドマグネット 30-45 T
パルス超強磁界(非破壊型) 60T
パルス超強磁界(破壊型) 850 T
東北大金研の
31T ハイブリッド
マグネット
磁極と磁気モーメント




磁石には、N極とS極がある。
磁界中に置かれた磁性体にも磁極が誘起される。磁極
は必ず、NSの対で現れる。(単極は見つかっていない)
磁極の大きさをq [Wb]とすると、磁界によってNSの対に
働くトルクは-qdHsin [N・m]=qdsin [Wbm] H[A/m]
必ずNとSが対で現れるならm=qrを磁性を扱う基本単位
と考えることが出来る。これを磁気モーメントという。単
位は[Wbm]
磁気モーメント
rsin
qH

+q [Wb]
r
磁気モーメント
-qH
m=qr [Wbm]

一様な磁界H中の磁気モーメントに働くトルクTは
T=qH r sin=mH sin
-q [Wb]

磁気モーメントのもつポテンシャルEは

E=Td=  mH sin d=mH(1-cos)
ポテンシャルの原点はどこにとってもよいから E=-mH


m//Hのときエネルギーは極小になる。
mはHに平行になろうとする。
単位:E[J]=-m[Wbm]  H[A/m];
(高梨:初等磁気工学講座)より
磁界(磁場)H、磁束密度B、磁化M

磁界H中に置かれた磁化Mの磁性体が磁束密
度は、真空中の磁束密度に磁化による磁束密
度を加えたものである。すなわち、B=0H+M
M
B=0H
真空中での磁束密度
B=0H+M
磁性体があると磁束密度が
高くなる。
磁化

磁性体に磁界を加え
たとき、その表面には
磁極が生じる。
この磁性体は一時的
に磁石のようになるが、
そのとき磁性体が磁化
されたという。
(a)

(b)
(高梨:初等磁気工学講座)より
磁化の定義



ミクロの磁気モーメントの単
位体積あたりの総和を磁化と
いう。
K番目の原子の1原子あたり
の磁気モーメントをkとする
とき、磁化Mは式M= kで
定義される。
磁気モーメントの単位は
Wbmであるから磁化の単位
はWb/m2となる。
(高梨:初等磁気工学講座)より
磁化曲線


磁性体を磁界中に置き、磁界を増加していくと、磁
性体の磁化は増加していき、次第に飽和する。
磁化曲線は磁力計を使って測定する。
VSM:試料振動型磁力計
試料を0.1~0.2mm程度のわずかな振幅
で80Hz程度の低周波で振動させ、試料の
磁化による磁束の時間変化を、電磁石の
磁極付近に置かれたサーチコイルに誘起
された誘導起電力として検出する。誘導起
電力は試料の磁化に比例するので、磁化
を測定することができる。
スピーカーと同じ振動機構
磁極付近に置いたサーチコイル
電磁石
VSMブロック図
丸善実験物理学講座「磁気測定I」
p.68より
Y2BiFe4GaO12の磁気ヒステリシス
0.05
面内・面直
方向の比較
面内方向
磁化(T)
0
-60000
-40000
-20000
0
面直方向
20000
40000
60000
磁場(A/m)
-0.05
磁性体を特徴づけるもの
磁気ヒステリシス





強磁性体においては、そ
の磁化は印加磁界に比
例せず、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
縦軸:磁化
横軸:磁界
(高梨:初等磁気工学講座テキスト)
磁気ヒステリシスと応用




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
このループの面積が磁石に蓄積される磁気エネルギー
高周波の場合はヒステリシス損失となる。
キュリー温度とネール温度



原子磁気モーメントが整列している状態には、
強磁性と反強磁性がある
温度が高くなると整列させる力に熱的にランダ
ムにしようとする力が勝って常磁性になる
強磁性常磁性の転移温度をキュリー温度
反強磁性常磁性の転移温度をネール温度
という。
自発磁化の温度変化

さまざまなJについ
て、分子場理論で
交点のM/M0をT
に対してプロットす
ると磁化の温度変
化を求めることが
できる。
×は鉄、●はニッケル、○はコバルトの実測
値、実線はJとしてスピンS=1/2,1,∞をとったと
きの計算値
磁性体はどこに使われている?




磁気記録、光磁気記録→IT
光アイソレータ→光ファイバ通信
永久磁石→モータ、アクチュエー
タ
変圧器、インダクター用磁心
ハードディスク
永久磁石のいろいろ
磁石(永久磁石)は何で出来ている?
 鉄?
 いいえ。鉄だけの磁石はありません
アルニコ磁石(AlNiCoFe)
1930年代に開発
 フェライト磁石(BaFe12O19 or SrFe12O19 )
1936年加藤与五郎、武井武博士(東工大)が発明
 サマコバ磁石SmCo5
1960年代に開発
 ネオジム磁石Nd2Fe14B

1982年佐川眞人さん(当時住友特殊金属勤務)が発明
磁石のいろいろ
www.26magnet.co.jp/ webshop/top_menu.htmlより
フェライト磁石
ネオジム磁石
BaFe2O4
NdFe2B14
ラバー磁石
サマコバ磁石
SmCo5
キャップ磁石
アルニコ磁石
FeAlNiCo
磁石応用製品
永久磁石の最大エネルギー積(BH)max
の変遷(http://www.aacg.bham.ac.uk/magnetic_materials/history.htm)
BHmax