ナノコンポジット磁石およびその製造方法
【課題】 硬磁性ナノ粒子と軟磁性ナノ粒子とを複合して優れた磁気特性を有するナノコンポジット磁石およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 多数の硬磁性ナノ粒子が上下の重なり無く平面状に最密規則配列した硬磁性ナノ粒子層と、これと同じ配列形式で軟磁性ナノ粒子が上下の重なり無く平面状に最密規則配列した軟磁性ナノ粒子層とが交互に積層して成り、全体として規則超格子構造を有するナノコンポジット磁石。ラングミュア−ブロジェット法により、基板上に、上記硬磁性ナノ粒子層および上記軟磁性ナノ粒子層のうちのいずれか一方の層を形成する工程と該一方の層上に他方の層を形成する工程と少なくとも一回行なうことを特徴とするナノコンポジット磁石の製造方法。
【解決手段】 多数の硬磁性ナノ粒子が上下の重なり無く平面状に最密規則配列した硬磁性ナノ粒子層と、これと同じ配列形式で軟磁性ナノ粒子が上下の重なり無く平面状に最密規則配列した軟磁性ナノ粒子層とが交互に積層して成り、全体として規則超格子構造を有するナノコンポジット磁石。ラングミュア−ブロジェット法により、基板上に、上記硬磁性ナノ粒子層および上記軟磁性ナノ粒子層のうちのいずれか一方の層を形成する工程と該一方の層上に他方の層を形成する工程と少なくとも一回行なうことを特徴とするナノコンポジット磁石の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬磁性ナノ粒子と軟磁性ナノ粒子とを複合させて成るナノコンポジット磁石およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
硬磁性材料と軟磁性材料をそれぞれ特徴付ける性質は保磁力と最大磁化である。すなわち両者の対比において、硬磁性材料は保磁力が大きく永久磁石として高性能を発揮するが最大磁束密度（最大磁化）は小さいのに対して、軟磁性材料は保磁力が小さく最大磁束密度が大きいため低鉄損のトランス鉄心等として高性能を発揮する。
【０００３】
永久磁石用の材料としては、保磁力と最大磁束密度が共に大きいほど、すなわち減磁曲線における最大エネルギー積（ＢＨmax）が大きいほど、強力な磁力を安定して維持できる優れた磁石材料と言える。
【０００４】
硬磁性相と軟磁性相とをナノスケール（数十ｎｍ以下）で微細に混在させると、両者の長所を併せ持つ優れた性能の磁石が得られることが期待される。
【０００５】
非特許文献１には、α−Ｆｅ軟磁性ナノ粒子とＦｅＰｔ硬磁性ナノ粒子とを混合してランダムに配列させたナノコンポジット磁石が提案されている。しかし、単なるランダムな混合であって、規則的な配列ではないため、軟磁性ナノ粒子に対して硬磁性ナノ粒子からの相互作用が十分に到達せず、磁気特性の大きな向上は達成できない。
【０００６】
非特許文献２には、ＮｄＦｅＢ系急冷アモルファスリボンを作製し、熱処理を施すことによりアモルファス相からナノサイズの磁性体を析出させたナノコンポジット磁石が提案されている。しかし、急冷リボンでは粒径が粗大になり過ぎる傾向があり、軟磁性相の大きさが交換結合長を超えてしまい、また軟磁性相が磁気的性質の低い化合物になってしまい、高い磁気特性は得られない。また磁性相の配列も規則的な配列ではない。
【０００７】
一方、特許文献１には、磁性を持つ超微粒子をＬＢ膜法で薄膜とする際に、５０層積層することが記載されている。また、ＬＢ膜を形成する際に外部磁界で磁気的方位を揃えるこが記載されている。ただし、用いる超微粒子は１種類であり、硬磁性粒子と軟磁性粒子との複合ではない。
【０００８】
【非特許文献１】J. P. Liu et al., Nature, 420, 395-398(2002)
【非特許文献２】S. Hirosawa et al., Proc. 13th Int'l. Workshop, p87(1994)
【特許文献１】特許第２７０８４５７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、硬磁性ナノ粒子と軟磁性ナノ粒子とを複合して優れた磁気特性を有するナノコンポジット磁石およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、多数の硬磁性ナノ粒子が上下の重なり無く平面状に最密規則配列した硬磁性ナノ粒子層と、これと同じ配列形式で軟磁性ナノ粒子が上下の重なり無く平面状に最密規則配列した軟磁性ナノ粒子層とが交互に積層して成り、全体として規則超格子構造を有するナノコンポジット磁石が提供される。
【００１１】
また、上記本発明のナノコンポジット磁石の製造方法であって、ラングミュア−ブロジェット法により、基板上に、上記硬磁性ナノ粒子層および上記軟磁性ナノ粒子層のうちのいずれか一方の層を形成する工程と該一方の層上に他方の層を形成する工程と少なくとも一回行なうことを特徴とするナノコンポジット磁石の製造方法も提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のナノコンポジット磁石は、それぞれ平面状に最密規則配列した硬磁性ナノ粒子層と軟磁性ナノ粒子層とが交互に積層して全体として規則超格子構造を構成しているので、軟磁性ナノ粒子に対する硬磁性ナノ粒子からの相互作用が最大限に発揮され、優れた磁気特性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
〔実施形態１〕
図１に、本発明のナノコンポジット磁石の規則超格子構造を模式的に示す。同図の（１）は硬磁性ナノ粒子層と軟磁性ナノ粒子層の交互積層方向に平行な断面図、（２）は積層面に平行な断面図、（３）は斜視図である。
【００１４】
図示したナノコンポジット磁石１００は、多数の硬磁性ナノ粒子Ｈが上下の重なり無く平面状に規則配列した硬磁性ナノ粒子層ＬＨと、これと同じ配列形式で軟磁性ナノ粒子Ｓが上下の重なり無く平面状に規則配列した軟磁性ナノ粒子層ＬＳとが交互に積層して成り、全体として規則超格子構造を有する。
【００１５】
なお図１において、最密六方配列した硬磁性ナノ粒子Ｈの３粒子が作る三角形の中心に配置された軟磁性ナノ粒子Ｓ同士は間隔を空けて示してあるが、これは軟磁性ナノ粒子Ｓと重なってその下にある硬磁性ナノ粒子Ｈの配置を特に図１（２）で見やすく図示する便宜のためであり、実際には軟磁性ナノ粒子Ｓも硬磁性ナノ粒子Ｈと同じ配列形式の最密六方に配列されている。
【００１６】
図２を参照して、図１に示した規則超格子構造の本発明のナノコンポジット磁石１００の製造方法を説明する。
【００１７】
図２（１）に示すように、ラングミュア−ブロジェット法（ＬＢ法）により、基板１０上に、硬磁性ナノ粒子Ｈの層ＬＨを形成する。
【００１８】
次に、図２（２）に示すように、上記で形成した硬磁性ナノ粒子Ｈの層ＬＨの上に、ＬＢ法により軟磁性ナノ粒子Ｓの層ＬＳを形成する。
【００１９】
更に、図２（３）に示すように、上記で形成した軟磁性ナノ粒子Ｓの層ＬＳの上に、再びＬＢ法により硬磁性ナノ粒子Ｈの層ＬＨを形成する。
【００２０】
以下、同様に硬磁性ナノ粒子層ＬＨと軟磁性ナノ粒子層ＬＳとを交互に積層することにより、図１の規則超格子構造を持つナノコンポジット磁石１００が得られる。
【００２１】
図３に、ＬＢ法により本発明の積層構造を形成するための装置を示す。
【００２２】
トラフ２０内に水２２が満たされており、バリア２４は上部が水面２２Ｓ上に飛び出して配置されている。基板１０は水２２内に浸漬した状態から引上げ器２６により、制御された速度で引上げられる。硬磁性ナノ粒子Ｈの供給槽２８には硬磁性ナノ粒子Ｈを疎水性の界面活性剤に分散させた分散液ＨＡが収容され、軟磁性ナノ粒子Ｓの供給槽３０には軟磁性ナノ粒子Ｓを疎水性の界面活性剤に分散させた分散液ＳＡが収容されている。供給槽２８、３０の下端にはそれぞれ供給量調整用のバルブ３２、３４を介して延びた供給ノズル３６、３８が水面２２Ｓの上方に配置されている。バルブ制御器４０によりバルブ３２、３４の開度をそれぞれ独立に制御できる。基板引上げ器２６およびバルブ制御器４０は電源４２からそれぞれ電力を供給される。
【００２３】
図３および図４を参照し、ＬＢ法によって基板１０上に硬磁性ナノ粒子層ＬＨを形成する図２（１）の工程の実行手順を説明する。
【００２４】
まず図４（１）に示したように、水面２２Ｓ上へ硬磁性ナノ粒子Ｈを供給する段階を説明する。図３に示した硬磁性ナノ粒子供給槽２８のバルブ３２をバルブ制御装置４０により所定開度に開放し、所定時間後に閉鎖する。これにより、図４（１）に示すように、バリア２４と基板１０との間の水面２２Ｓ上に所定量の硬磁性ナノ粒子Ｈが供給されて浮遊する。図５（１）に示すように、個々の硬磁性ナノ粒子Ｈは表面が界面活性剤による疎水性の高分子配位子Ｘで包まれているので、水２２の表面張力により水面２２Ｓ上に浮遊して自由な状態で分散する。
【００２５】
次に、図４（２）に示すように、バリア２４を矢印Ｐで示したように徐々に基板１０の方へ移動させると、水面２２Ｓ上に自由分散していた硬磁性ナノ粒子Ｈが押圧され、押圧力に対して最もエネルギーの低い状態である最密六方に配列され、硬磁性ナノ粒子Ｈの二次元膜Ｆが形成される。二次元膜Ｆの更に詳細な平面構造は、図５（２）に示すように、界面活性剤による高分子配位子Ｘにより硬磁性ナノ粒子Ｈの粒子間隔が規定された最密六方配列である。個々の硬磁性ナノ粒子Ｈ自体は、表面エネルギーを最低にするようにほぼ球形になっている。
【００２６】
次に、図４（３）に示すように、引上げ器２６を作動させて基板１０を制御された所定速度で引上げると、水面２２Ｓ上に形成された硬磁性ナノ粒子Ｈの二次元膜Ｆがそのまま基板１０の表面に吸着されて基板１０と一緒に引上げられる。
【００２７】
こうして基板１０上にＬＢ膜として形成した硬磁性ナノ粒子層ＬＨの上に、次に説明する図２（２）の工程において、同様にしてＬＢ膜としての軟磁性ナノ粒子層ＬＳを形成する。その前準備として、硬磁性ナノ粒子層ＬＨを軟磁性ナノ粒子層ＬＳを形成する下地として安定化させる。安定化の一方法としては、硬磁性ナノ粒子Ｈの分散媒である界面活性剤として紫外線硬化性のものを用い、図４（３）に示すように、基板１０上に吸着された硬磁性ナノ粒子層ＬＨに、紫外線照射装置４４から紫外線４６を照射して硬磁性ナノ粒子層ＬＨを硬化させる。これにより硬磁性ナノ粒子層ＬＨはそれ自体として強固に一体化すると同時に基板１０とも強固に接合され、安定した下地として機能できるようになる。これにより図２（１）に示したように基板１０上に硬磁性ナノ粒子Ｈが規則配列した硬磁性ナノ粒子層ＬＨが形成される。
【００２８】
次に、同じく図３および図４を参照し、ＬＢ法によって硬化済硬磁性ナノ粒子層ＬＨ上に軟磁性ナノ粒子層ＬＳを形成する図２（２）の工程の実行手順を説明する。基本的には上述した基板１０上への硬磁性ナノ粒子層ＬＨの形成と同じである。
【００２９】
まず図４（１）に示したように、水面２２Ｓ上へ軟磁性ナノ粒子Ｓを供給する段階を説明する。図３に示した硬軟磁性ナノ粒子供給槽３０のバルブ３４をバルブ制御装置４０により所定開度に開放し、所定時間後に閉鎖する。これにより、図４（１）に示すように、バリア２４と基板１０との間の水面２２Ｓ上に所定量の軟磁性ナノ粒子Ｓが供給されて浮遊する。図５（１）に示すように、個々の軟磁性ナノ粒子Ｓは表面が界面活性剤による疎水性の高分子配位子Ｘで包まれているので、水２２の表面張力により水面２２Ｓ上に浮遊して自由な状態で分散する。
【００３０】
次に、図４（２）に示すように、バリア２４を矢印Ｐで示したように徐々に基板１０の方へ移動させると、水面２２Ｓ上に自由分散していた軟磁性ナノ粒子Ｓが押圧され、押圧力に対して最もエネルギーの低い状態である最密六方に配列され、軟磁性ナノ粒子Ｓの二次元膜Ｆが形成される。二次元膜Ｆの更に詳細な平面構造は、図５（２）に示すように、界面活性剤による高分子配位子Ｘにより軟磁性ナノ粒子Ｓの間隔が規定された最密六方配列である。個々の軟磁性ナノ粒子Ｓ自体は、表面エネルギーを最低にするようにほぼ球形になっている。
【００３１】
次に、図４（３）に示すように、引上げ器２６を作動させて基板１０を制御された所定速度で引上げると、水面２２Ｓ上に形成された軟磁性ナノ粒子Ｓの二次元膜Ｆがそのまま基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの表面に吸着されてこれと一緒に引上げられる。
【００３２】
こうして基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの上にＬＢ膜として形成された軟磁性ナノ粒子層ＬＳの上に、次に説明する図２（３）の工程において、同様にしてＬＢ膜としての硬磁性ナノ粒子層ＬＨを再び形成する。その前準備として、軟磁性ナノ粒子層ＬＳを硬磁性ナノ粒子層ＬＨを形成する下地として安定化させる。安定化の一方法としては、軟磁性ナノ粒子Ｓの分散媒である界面活性剤として紫外線硬化性のものを用い、図４（３）に示すように、基板１０上に吸着された軟磁性ナノ粒子層ＬＳに、紫外線照射装置４４から紫外線４６を照射して軟磁性ナノ粒子層ＬＳを硬化させる。これにより軟磁性ナノ粒子層ＬＳはそれ自体として強固に一体化すると同時に、下地である硬磁性ナノ粒子層ＬＨとも強固に接合され、安定した下地として機能できるようになる。これにより図２（２）に示したように基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨ上に、軟磁性ナノ粒子Ｓが規則配列した硬磁性ナノ粒子層ＬＳが形成される。
【００３３】
次に、図２（３）に示すように軟磁性ナノ粒子層ＬＳ上に硬磁性ナノ粒子層ＬＨを形成する。実行手順は図２（１）を参照して説明した最初の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの形成と同様であるので、説明は省略する。
【００３４】
図２〜５を参照して説明した操作を必要回数行なうことにより、図１に示す本発明の規則超格子構造のナノコンポジット磁石１００が得られる。
【００３５】
なお、ナノコンポジット磁石１００は硬磁性ナノ粒子Ｈに硬磁性特性を発現させるために必要な熱処理を施すことができる。その際、上記の紫外線硬化した界面活性剤がナノ粒子間の拡散障壁として機能し、ナノ粒子の粗大化を防止する作用も発揮する。
【００３６】
〔実施形態２〕
上記の実施形態１では、水中に浸漬した基板を水面に対して垂直に引上げる垂直浸漬法によるＬＢ法を用いた場合を説明したが、本実施形態では、基板をほぼ水平にしてＬＢ膜を付着させる水平付着法によるＬＢ法を用いた場合を説明する。
【００３７】
水平付着法を行なうための装置は、垂直浸漬法に用いた図３の装置と基本的な構造は共通であり、図６に示したように、図３の装置で基板１０を浸漬した位置と対応する位置にもう一つのバリア２４Ａが配置されている点、そしてほぼ水平に保持された基板１０が昇降器（図示せず。図３の引上げ器２６に対応）によって昇降される点のみが異なる。
図３および図６を参照し、水平付着法によるＬＢ法によって基板１０上に硬磁性ナノ粒子層ＬＨを形成する図２（１）の工程の実行手順を説明する。
【００３８】
まず図６（１）に示したように、実施形態１と同様の手順で、水面２２Ｓ上へ硬磁性ナノ粒子Ｈを供給する。この段階では、水平に保持された基板１０は水面２２Ｓの上方に停止させておく。
【００３９】
次に、図６（２）に示すように、バリア２４を矢印Ｐで示したように徐々にバリア２４Ａの方へ移動させると、水面２２Ｓ上に自由分散していた硬磁性ナノ粒子Ｈが押圧され、押圧力に対して最もエネルギーの低い状態である最密六方に配列され、硬磁性ナノ粒子Ｈの二次元膜Ｆが形成される。二次元膜Ｆの更に詳細な平面構造は、実施形態１において図５（２）を参照して説明したとおりである。
【００４０】
この状態で、昇降器（図示せず）を作動させて基板１０をほぼ水平な姿勢を保ちながら水面２２Ｓにできるだけ接近させ、僅かに一端を傾けて二次元膜Ｆに接触させ、二次元膜Ｆを基板１０の表面に付着させる。
【００４１】
次に、図６（３）に示すように、昇降器を作動させて基板１０を制御された所定速度で上昇させると、水面２２Ｓ上に形成された硬磁性ナノ粒子Ｈの二次元膜Ｆがそのまま基板１０の表面に吸着されて基板１０と一緒に引き上げられる。
【００４２】
こうして基板１０上にＬＢ膜として形成した硬磁性ナノ粒子層ＬＨの上に、次に説明する図２（２）の工程において、同様にしてＬＢ膜としての軟磁性ナノ粒子層ＬＳを形成する。その前準備として、硬磁性ナノ粒子層ＬＨを軟磁性ナノ粒子層ＬＳを形成する下地として安定化させる。安定化の一方法は、実施形態１と同様である。これにより硬磁性ナノ粒子層ＬＨはそれ自体として強固に一体化すると同時に基板１０とも強固に接合され、安定した下地として機能できるようになる。これにより図２（１）に示したように基板１０上に硬磁性ナノ粒子Ｈが規則配列した硬磁性ナノ粒子層ＬＨが形成される。
【００４３】
次に、同じく図３および図６を参照し、ＬＢ法によって硬化済硬磁性ナノ粒子層ＬＨ上に軟磁性ナノ粒子層ＬＳを形成する図２（２）の工程の実行手順を説明する。基本的には上述した基板１０上への硬磁性ナノ粒子層ＬＨの形成と同じである。
【００４４】
まず図６（１）に示したように、実施形態１と同様の手順で、水面２２Ｓ上へ軟磁性ナノ粒子Ｓを供給する。この段階では、水平に保持された基板１０は水面２２Ｓの上方に停止させておく。
【００４５】
次に、図６（２）に示すように、バリア２４を矢印Ｐで示したように徐々にバリア２４Ａの方へ移動させると、水面２２Ｓ上に自由分散していた軟磁性ナノ粒子Ｓが押圧され、押圧力に対して最もエネルギーの低い状態である最密六方に配列され、軟磁性ナノ粒子Ｓの二次元膜Ｆが形成される。二次元膜Ｆの更に詳細な平面構造は、実施形態１において図５（２）を参照して説明したとおりである。
【００４６】
この状態で、昇降器（図示せず）を作動させて基板１０をほぼ水平な姿勢を保ちながら水面２２Ｓにできるだけ接近させ、僅かに一端を傾けて二次元膜Ｆに接触させ、二次元膜Ｆを基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの表面に付着させる。
【００４７】
次に、図６（３）に示すように、昇降器を作動させて基板１０を制御された所定速度で引上げると、水面２２Ｓ上に形成された軟磁性ナノ粒子Ｓの二次元膜Ｆがそのまま基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの表面に吸着されてこれと一緒に引上げられる。
【００４８】
こうして基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの上にＬＢ膜として形成された軟磁性ナノ粒子層ＬＳの上に、次に説明する図２（３）の工程において、同様にしてＬＢ膜としての硬磁性ナノ粒子層ＬＨを再び形成する。その前準備として、軟磁性ナノ粒子層ＬＳを硬磁性ナノ粒子層ＬＨを形成する下地として安定化させる。安定化の一方法は、実施形態１と同様である。これにより硬磁性ナノ粒子層ＬＳはそれ自体として強固に一体化すると同時に、下地である硬磁性ナノ粒子層ＬＨとも強固に接合され、安定した下地として機能できるようになる。これにより図２（２）に示したように基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨ上に、軟磁性ナノ粒子Ｓが規則配列した硬磁性ナノ粒子層ＬＳが形成される。
【００４９】
次に、図２（３）に示すように軟磁性ナノ粒子層ＬＳ上に硬磁性ナノ粒子層ＬＨを形成する。実行手順は図２（１）を参照して説明した最初の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの形成と同様であるので、説明は省略する。
【００５０】
図２、３、５、６を参照して説明した操作を必要回数行なうことにより、図１に示す本発明の規則超格子構造のナノコンポジット磁石１００が得られる。
【００５１】
なお、ナノコンポジット磁石１００は硬磁性ナノ粒子Ｈに硬磁性特性を発現させるために必要な熱処理を施すことができる。その際、上記の紫外線硬化した界面活性剤がナノ粒子間の拡散障壁として機能し、ナノ粒子の粗大化を防止する作用も発揮する。
【００５２】
〔実施形態３〕
本発明の望ましい一実施形態として、ＬＢ法を行なう際に、硬磁性ナノ粒子Ｈまたは軟磁性ナノ粒子Ｓを水面２２Ｓ上に規則配列させる工程を実行中に磁場を印加することにより、個々のナノ粒子（Ｈ、Ｓ）の容易磁化方位を揃えることができ、それによりナノコンポジット磁石１００の角形性を高めることができる。
【００５３】
図７に、図３のＬＢ製膜装置２００に磁場印加機能を付加した装置例を示す。
【００５４】
図示したＬＢ製膜装置３００は、トラフ２０の外周を取り巻いて水面２２Ｓのレベルに磁場誘導コイル４８を設置した点以外は、図３のＬＢ製膜装置２００と同じ構成である。
【００５５】
図８は、実施形態１の図４（２）の工程に対応する工程を示しており、バリア２４の押圧により硬磁性ナノ粒子Ｈまたは軟磁性ナノ粒子Ｓを基板１０との間に最密六方の規則配列する際に、上記の磁場誘導コイル４８を作動させて、二次元膜Ｆに磁場Ｍを印加する。この状態で、図４（３）の基板引上げ工程を行なうと、図９（１）に示したように基板１０上には容易磁化方位ｍが揃った硬磁性ナノ粒子Ｈの層ＬＨが形成される。以下実施形態１での最初の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの形成工程を行なう。
【００５６】
次いで、図４（２）の工程で上記と同様に磁場Ｍを印加する以外は実施形態１の軟磁性ナノ粒子層ＬＳの形成と同様の処理を行なう。これにより図９（２）に示したように基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨ上に軟磁性ナノ粒子層ＬＳが形成される。形成された軟磁性ナノ粒子層ＬＳはその下地となっている硬磁性ナノ粒子層ＬＨと同様に容易磁化方位ｍが揃っている。
【００５７】
次に、図４（２）の工程で上記と同様に磁場Ｍを印加する以外は実施形態１の二番目の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの形成と同様の処理を行なう。これにより図９（３）に示したように基板１０上に、全てのナノ粒子の容易磁化方位ｍの揃った硬磁性ナノ粒子層ＬＨ／軟磁性ナノ粒子層ＬＳ／硬磁性ナノ粒子層ＬＨの規則超格子構造が得られる。
【００５８】
以上の操作を必要回数行なうことにより、図１に示したナノコンポジット磁石１００と同様の規則超格子構造を有し、全ナノ粒子の容易磁化方位ｍが揃ったナノコンポジット磁石が得られる。
【実施例】
【００５９】
〔実施例１〕
実施形態１に示した規則超格子構造を持つナノコンポジット磁石１００について、シミュレーション計算を行なって磁気特性を評価した。比較として不規則配列についても同様のシミュレーション計算を行なった。
【００６０】
＜磁気特性の評価＞
軟磁性ナノ粒子ＳをＦｅナノ粒子とし、硬磁性ナノ粒子ＨをＮｄ２−Ｆｅ１４−Ｂナノ粒子としてＦｅ／Ｎｄ２−Ｆｅ１４−Ｂナノコンポジット磁石の最大エネルギー積（ＢＨmax）および最大磁束密度のシミュレーション計算を行なった結果を図１１に示す。
【００６１】
図中、本発明の規則配列と比較のための不規則配列は、下記の規則度により区別した。
例えば図１０（ａ）に示す正規の二次元配列を規則度１とする。このとき、ハッチング区画と白抜き区画の占有すべき位置をそれぞれα副格子およびβ副格子として、下記のように規則度Ｓを定義する。
Ｓ＝〔（正規の副格子点にある磁性相の個数）−（正規でない副格子点に磁性相の個数）〕／（全格子数）
一例として図１０（ｂ）に示す配列の規則度Ｓを計算する。同図中で○印の副格子点は正規の配置、それ以外の副格子点は正規でない配置である。すなわち、正規の配置となっている副格子点の個数は１０、正規の配置となっていない副格子点の個数は６であるから、この場合の規則度Ｓは下記のように算出される。
Ｓ＝[１０−６]／１６＝４／１６＝０．２５
図１１に示したように、本発明の規則配列構造は比較例の不規則配列構造に比べて最大エネルギー積（ＢＨmax）が約１．５まで高まることが分かる。
【００６２】
＜シミュレーション方法の説明＞
シミュレーションにおいて数値計算には下記の式を用いた。
【００６３】
ＬＬＧ型磁気スピン動力学方程式（ＬＬＧ：ランダウ−リフシッツ−ギルバード）
ｄＭ(r)／ｄｔ＝−γ[Ｍ(r)×Ｈeff(r)]＋(α／Ｍsat)(Ｍ(r)×ｄＭ(r)／ｄｔ)
自由エネルギー汎関数微分形式の有効磁場方程式
Ｈeff＝−δｆ(r)／δＭ(r)＝Ｈeff−２Ｋanis(Ｍ(r)ｎ)ｎ−２▽(Ａ▽Ｍ(r))＋Ｈd(r)
また、各係数は表１の値を用いた。
【００６４】
【表１】
【００６５】
〔実施例２〕
実施形態３に示した磁場印加による容易磁化方位の配向の効果をシミュレーション計算により評価した。計算には下記の式を用いた。
【００６６】
容易磁化方位の空間分布の計算への付与
ｆd(θ)＝(１／（２πσ）１／２)ｅｘｐ(−θ２／２σ２)
ただし、σ：標準偏差、ｎ＝（cosθcosφ，cosθsinφ，sinθ）[φは任意]である。
【００６７】
図１２にシミュレーション結果を示す。図中、サンプル１は本発明のナノコンポジット磁石であり、容易磁化方位の配向度の分散（σ２）が１００と最も小さく、サンプル２、３は配向度の分散σ２がそれぞれ１０００、５０００と大きい。
【００６８】
比較として示したＮｄ２−Ｆｅ１４−Ｂ硬磁性ナノ粒子単磁区材（サンプル４）は保磁力が大きく角形性を持つが、最大磁化が小さい。一方α−Ｆｅ軟磁性ナノ粒子単磁区材（サンプル５）は保磁力はほぼゼロであるが最大磁化が大きい。
【００６９】
本発明により容易磁化方位の配向度の分散を小さくすることにより角形性が顕著に向上することが分かる。
【００７０】
なお、以上の実施例においては、硬磁性ナノ粒子としてＮｄ２−Ｆｅ１４−Ｂ三元合金を用い、軟磁性ナノ粒子としてα−Ｆｅを用いたが、本発明のナノコンポジット磁石においてこれらに限定する必要はない。硬磁性ナノ粒子としては例えばＳｍ２Ｃｏ１７、ＳｍＣＯ５、Ｓｍ２Ｆｅ１７Ｎ３、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＭｎＢｉ等を用いることができるし、軟磁性ナノ粒子としてはＦｅＣｏ合金、Ｃｏ単金属、Ｎｉ合金等を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明によれば、硬磁性ナノ粒子と軟磁性ナノ粒子とを複合して優れた磁気特性を有するナノコンポジット磁石およびその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】図１は、本発明のナノコンポジット磁石の規則超格子構造を示す模式図であり、同図の（１）は硬磁性ナノ粒子層と軟磁性ナノ粒子層の交互積層方向に平行な断面図、（２）は積層面に平行な断面図、（３）は斜視図である。
【図２】図２は、本発明の方法に従いラングミュア−ブロジェット法（ＬＢ法）により規則配列した硬磁性ナノ粒子層と軟磁性ナノ粒子層とを交互に積層して本発明の規則超格子構造を形成する工程を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明に用いるＬＢ製膜装置の構成例を示す断面図である。
【図４】図４は、ＬＢ法のうち垂直浸漬法により硬磁性ナノ粒子または軟磁性ナノ粒子を基板上に製膜する手順を示す断面図である。
【図５】図５は、（１）ＬＢ製膜に用いる本発明の硬磁性ナノ粒子または軟磁性ナノ粒子の詳細な形態および（２）これらのナノ粒子がＬＢ法により液面上に最密六方配列した二次元膜の詳細な形態をそれぞれ示す模式図である。
【図６】図６は、ＬＢ法のうち水平付着法により硬磁性ナノ粒子または軟磁性ナノ粒子を基板上に製膜する手順を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の望ましい一実施形態により電磁誘導コイルを備えたＬＢ製膜装置を示す断面図である。
【図８】図８は、図６の装置により液面上の二次元膜に磁場を印加している状況を示す断面図である。
【図９】図９は、磁場印加を適用したＬＢ法により容易磁化方向を揃えた硬磁性ナノ粒子または軟磁性ナノ粒子を基板上に製膜する手順を示す断面図である。
【図１０】図１０は、二次元配列の規則度の定義を説明する平面図である。
【図１１】図１１は、本発明による規則超格子構造を有するナノコンポジット磁石の最大磁束密度および最大エネルギー積を、不規則構造の場合と比較して示すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明の望ましい実施形態により容易磁化方位の配向度を種々に設定した場合の角形性を、単磁区の硬磁性磁石と軟磁性磁石と比較して示すグラフである。
【符号の説明】
【００７３】
１００ 本発明のナノコンポジット磁石
２００ ＬＢ製膜装置
３００ 磁場印加機能を備えたＬＢ製膜装置
Ｈ 硬磁性ナノ粒子
ＬＨ 硬磁性ナノ粒子層
Ｓ 軟磁性ナノ粒子
ＬＳ 軟磁性ナノ粒子層
１０ 基板
２０ トラフ
２２ 水
２２Ｓ 水面
２４ バリア
２６ 引上げ器
２８ 硬磁性ナノ粒子Ｈの供給槽
３０ 軟磁性ナノ粒子Ｓの供給槽
ＨＡ 硬磁性ナノ粒子Ｈの疎水性界面活性剤中分散液
ＳＡ 軟磁性ナノ粒子Ｓの疎水性界面活性剤中分散液
３２ 硬磁性ナノ粒子Ｈの供給槽２８の供給量調整用バルブ
３４ 軟磁性ナノ粒子Ｓの供給槽３０の供給量調整用バルブ
３６ 硬磁性ナノ粒子Ｈの供給槽２８の供給用ノズル
３８ 軟磁性ナノ粒子Ｓの供給槽３０の供給用ノズル
４０ バルブ制御器
４２ 電源
Ｘ 疎水性高分子配位子
Ｆ 水面２２Ｓ上のナノ粒子二次元膜
４４ 紫外線照射装置
４６ 紫外線
４８ 磁場誘導コイル
Ｍ 磁場
ｍ 容易磁化方位
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬磁性ナノ粒子と軟磁性ナノ粒子とを複合させて成るナノコンポジット磁石およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
硬磁性材料と軟磁性材料をそれぞれ特徴付ける性質は保磁力と最大磁化である。すなわち両者の対比において、硬磁性材料は保磁力が大きく永久磁石として高性能を発揮するが最大磁束密度（最大磁化）は小さいのに対して、軟磁性材料は保磁力が小さく最大磁束密度が大きいため低鉄損のトランス鉄心等として高性能を発揮する。
【０００３】
永久磁石用の材料としては、保磁力と最大磁束密度が共に大きいほど、すなわち減磁曲線における最大エネルギー積（ＢＨmax）が大きいほど、強力な磁力を安定して維持できる優れた磁石材料と言える。
【０００４】
硬磁性相と軟磁性相とをナノスケール（数十ｎｍ以下）で微細に混在させると、両者の長所を併せ持つ優れた性能の磁石が得られることが期待される。
【０００５】
非特許文献１には、α−Ｆｅ軟磁性ナノ粒子とＦｅＰｔ硬磁性ナノ粒子とを混合してランダムに配列させたナノコンポジット磁石が提案されている。しかし、単なるランダムな混合であって、規則的な配列ではないため、軟磁性ナノ粒子に対して硬磁性ナノ粒子からの相互作用が十分に到達せず、磁気特性の大きな向上は達成できない。
【０００６】
非特許文献２には、ＮｄＦｅＢ系急冷アモルファスリボンを作製し、熱処理を施すことによりアモルファス相からナノサイズの磁性体を析出させたナノコンポジット磁石が提案されている。しかし、急冷リボンでは粒径が粗大になり過ぎる傾向があり、軟磁性相の大きさが交換結合長を超えてしまい、また軟磁性相が磁気的性質の低い化合物になってしまい、高い磁気特性は得られない。また磁性相の配列も規則的な配列ではない。
【０００７】
一方、特許文献１には、磁性を持つ超微粒子をＬＢ膜法で薄膜とする際に、５０層積層することが記載されている。また、ＬＢ膜を形成する際に外部磁界で磁気的方位を揃えるこが記載されている。ただし、用いる超微粒子は１種類であり、硬磁性粒子と軟磁性粒子との複合ではない。
【０００８】
【非特許文献１】J. P. Liu et al., Nature, 420, 395-398(2002)
【非特許文献２】S. Hirosawa et al., Proc. 13th Int'l. Workshop, p87(1994)
【特許文献１】特許第２７０８４５７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、硬磁性ナノ粒子と軟磁性ナノ粒子とを複合して優れた磁気特性を有するナノコンポジット磁石およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、多数の硬磁性ナノ粒子が上下の重なり無く平面状に最密規則配列した硬磁性ナノ粒子層と、これと同じ配列形式で軟磁性ナノ粒子が上下の重なり無く平面状に最密規則配列した軟磁性ナノ粒子層とが交互に積層して成り、全体として規則超格子構造を有するナノコンポジット磁石が提供される。
【００１１】
また、上記本発明のナノコンポジット磁石の製造方法であって、ラングミュア−ブロジェット法により、基板上に、上記硬磁性ナノ粒子層および上記軟磁性ナノ粒子層のうちのいずれか一方の層を形成する工程と該一方の層上に他方の層を形成する工程と少なくとも一回行なうことを特徴とするナノコンポジット磁石の製造方法も提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のナノコンポジット磁石は、それぞれ平面状に最密規則配列した硬磁性ナノ粒子層と軟磁性ナノ粒子層とが交互に積層して全体として規則超格子構造を構成しているので、軟磁性ナノ粒子に対する硬磁性ナノ粒子からの相互作用が最大限に発揮され、優れた磁気特性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
〔実施形態１〕
図１に、本発明のナノコンポジット磁石の規則超格子構造を模式的に示す。同図の（１）は硬磁性ナノ粒子層と軟磁性ナノ粒子層の交互積層方向に平行な断面図、（２）は積層面に平行な断面図、（３）は斜視図である。
【００１４】
図示したナノコンポジット磁石１００は、多数の硬磁性ナノ粒子Ｈが上下の重なり無く平面状に規則配列した硬磁性ナノ粒子層ＬＨと、これと同じ配列形式で軟磁性ナノ粒子Ｓが上下の重なり無く平面状に規則配列した軟磁性ナノ粒子層ＬＳとが交互に積層して成り、全体として規則超格子構造を有する。
【００１５】
なお図１において、最密六方配列した硬磁性ナノ粒子Ｈの３粒子が作る三角形の中心に配置された軟磁性ナノ粒子Ｓ同士は間隔を空けて示してあるが、これは軟磁性ナノ粒子Ｓと重なってその下にある硬磁性ナノ粒子Ｈの配置を特に図１（２）で見やすく図示する便宜のためであり、実際には軟磁性ナノ粒子Ｓも硬磁性ナノ粒子Ｈと同じ配列形式の最密六方に配列されている。
【００１６】
図２を参照して、図１に示した規則超格子構造の本発明のナノコンポジット磁石１００の製造方法を説明する。
【００１７】
図２（１）に示すように、ラングミュア−ブロジェット法（ＬＢ法）により、基板１０上に、硬磁性ナノ粒子Ｈの層ＬＨを形成する。
【００１８】
次に、図２（２）に示すように、上記で形成した硬磁性ナノ粒子Ｈの層ＬＨの上に、ＬＢ法により軟磁性ナノ粒子Ｓの層ＬＳを形成する。
【００１９】
更に、図２（３）に示すように、上記で形成した軟磁性ナノ粒子Ｓの層ＬＳの上に、再びＬＢ法により硬磁性ナノ粒子Ｈの層ＬＨを形成する。
【００２０】
以下、同様に硬磁性ナノ粒子層ＬＨと軟磁性ナノ粒子層ＬＳとを交互に積層することにより、図１の規則超格子構造を持つナノコンポジット磁石１００が得られる。
【００２１】
図３に、ＬＢ法により本発明の積層構造を形成するための装置を示す。
【００２２】
トラフ２０内に水２２が満たされており、バリア２４は上部が水面２２Ｓ上に飛び出して配置されている。基板１０は水２２内に浸漬した状態から引上げ器２６により、制御された速度で引上げられる。硬磁性ナノ粒子Ｈの供給槽２８には硬磁性ナノ粒子Ｈを疎水性の界面活性剤に分散させた分散液ＨＡが収容され、軟磁性ナノ粒子Ｓの供給槽３０には軟磁性ナノ粒子Ｓを疎水性の界面活性剤に分散させた分散液ＳＡが収容されている。供給槽２８、３０の下端にはそれぞれ供給量調整用のバルブ３２、３４を介して延びた供給ノズル３６、３８が水面２２Ｓの上方に配置されている。バルブ制御器４０によりバルブ３２、３４の開度をそれぞれ独立に制御できる。基板引上げ器２６およびバルブ制御器４０は電源４２からそれぞれ電力を供給される。
【００２３】
図３および図４を参照し、ＬＢ法によって基板１０上に硬磁性ナノ粒子層ＬＨを形成する図２（１）の工程の実行手順を説明する。
【００２４】
まず図４（１）に示したように、水面２２Ｓ上へ硬磁性ナノ粒子Ｈを供給する段階を説明する。図３に示した硬磁性ナノ粒子供給槽２８のバルブ３２をバルブ制御装置４０により所定開度に開放し、所定時間後に閉鎖する。これにより、図４（１）に示すように、バリア２４と基板１０との間の水面２２Ｓ上に所定量の硬磁性ナノ粒子Ｈが供給されて浮遊する。図５（１）に示すように、個々の硬磁性ナノ粒子Ｈは表面が界面活性剤による疎水性の高分子配位子Ｘで包まれているので、水２２の表面張力により水面２２Ｓ上に浮遊して自由な状態で分散する。
【００２５】
次に、図４（２）に示すように、バリア２４を矢印Ｐで示したように徐々に基板１０の方へ移動させると、水面２２Ｓ上に自由分散していた硬磁性ナノ粒子Ｈが押圧され、押圧力に対して最もエネルギーの低い状態である最密六方に配列され、硬磁性ナノ粒子Ｈの二次元膜Ｆが形成される。二次元膜Ｆの更に詳細な平面構造は、図５（２）に示すように、界面活性剤による高分子配位子Ｘにより硬磁性ナノ粒子Ｈの粒子間隔が規定された最密六方配列である。個々の硬磁性ナノ粒子Ｈ自体は、表面エネルギーを最低にするようにほぼ球形になっている。
【００２６】
次に、図４（３）に示すように、引上げ器２６を作動させて基板１０を制御された所定速度で引上げると、水面２２Ｓ上に形成された硬磁性ナノ粒子Ｈの二次元膜Ｆがそのまま基板１０の表面に吸着されて基板１０と一緒に引上げられる。
【００２７】
こうして基板１０上にＬＢ膜として形成した硬磁性ナノ粒子層ＬＨの上に、次に説明する図２（２）の工程において、同様にしてＬＢ膜としての軟磁性ナノ粒子層ＬＳを形成する。その前準備として、硬磁性ナノ粒子層ＬＨを軟磁性ナノ粒子層ＬＳを形成する下地として安定化させる。安定化の一方法としては、硬磁性ナノ粒子Ｈの分散媒である界面活性剤として紫外線硬化性のものを用い、図４（３）に示すように、基板１０上に吸着された硬磁性ナノ粒子層ＬＨに、紫外線照射装置４４から紫外線４６を照射して硬磁性ナノ粒子層ＬＨを硬化させる。これにより硬磁性ナノ粒子層ＬＨはそれ自体として強固に一体化すると同時に基板１０とも強固に接合され、安定した下地として機能できるようになる。これにより図２（１）に示したように基板１０上に硬磁性ナノ粒子Ｈが規則配列した硬磁性ナノ粒子層ＬＨが形成される。
【００２８】
次に、同じく図３および図４を参照し、ＬＢ法によって硬化済硬磁性ナノ粒子層ＬＨ上に軟磁性ナノ粒子層ＬＳを形成する図２（２）の工程の実行手順を説明する。基本的には上述した基板１０上への硬磁性ナノ粒子層ＬＨの形成と同じである。
【００２９】
まず図４（１）に示したように、水面２２Ｓ上へ軟磁性ナノ粒子Ｓを供給する段階を説明する。図３に示した硬軟磁性ナノ粒子供給槽３０のバルブ３４をバルブ制御装置４０により所定開度に開放し、所定時間後に閉鎖する。これにより、図４（１）に示すように、バリア２４と基板１０との間の水面２２Ｓ上に所定量の軟磁性ナノ粒子Ｓが供給されて浮遊する。図５（１）に示すように、個々の軟磁性ナノ粒子Ｓは表面が界面活性剤による疎水性の高分子配位子Ｘで包まれているので、水２２の表面張力により水面２２Ｓ上に浮遊して自由な状態で分散する。
【００３０】
次に、図４（２）に示すように、バリア２４を矢印Ｐで示したように徐々に基板１０の方へ移動させると、水面２２Ｓ上に自由分散していた軟磁性ナノ粒子Ｓが押圧され、押圧力に対して最もエネルギーの低い状態である最密六方に配列され、軟磁性ナノ粒子Ｓの二次元膜Ｆが形成される。二次元膜Ｆの更に詳細な平面構造は、図５（２）に示すように、界面活性剤による高分子配位子Ｘにより軟磁性ナノ粒子Ｓの間隔が規定された最密六方配列である。個々の軟磁性ナノ粒子Ｓ自体は、表面エネルギーを最低にするようにほぼ球形になっている。
【００３１】
次に、図４（３）に示すように、引上げ器２６を作動させて基板１０を制御された所定速度で引上げると、水面２２Ｓ上に形成された軟磁性ナノ粒子Ｓの二次元膜Ｆがそのまま基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの表面に吸着されてこれと一緒に引上げられる。
【００３２】
こうして基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの上にＬＢ膜として形成された軟磁性ナノ粒子層ＬＳの上に、次に説明する図２（３）の工程において、同様にしてＬＢ膜としての硬磁性ナノ粒子層ＬＨを再び形成する。その前準備として、軟磁性ナノ粒子層ＬＳを硬磁性ナノ粒子層ＬＨを形成する下地として安定化させる。安定化の一方法としては、軟磁性ナノ粒子Ｓの分散媒である界面活性剤として紫外線硬化性のものを用い、図４（３）に示すように、基板１０上に吸着された軟磁性ナノ粒子層ＬＳに、紫外線照射装置４４から紫外線４６を照射して軟磁性ナノ粒子層ＬＳを硬化させる。これにより軟磁性ナノ粒子層ＬＳはそれ自体として強固に一体化すると同時に、下地である硬磁性ナノ粒子層ＬＨとも強固に接合され、安定した下地として機能できるようになる。これにより図２（２）に示したように基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨ上に、軟磁性ナノ粒子Ｓが規則配列した硬磁性ナノ粒子層ＬＳが形成される。
【００３３】
次に、図２（３）に示すように軟磁性ナノ粒子層ＬＳ上に硬磁性ナノ粒子層ＬＨを形成する。実行手順は図２（１）を参照して説明した最初の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの形成と同様であるので、説明は省略する。
【００３４】
図２〜５を参照して説明した操作を必要回数行なうことにより、図１に示す本発明の規則超格子構造のナノコンポジット磁石１００が得られる。
【００３５】
なお、ナノコンポジット磁石１００は硬磁性ナノ粒子Ｈに硬磁性特性を発現させるために必要な熱処理を施すことができる。その際、上記の紫外線硬化した界面活性剤がナノ粒子間の拡散障壁として機能し、ナノ粒子の粗大化を防止する作用も発揮する。
【００３６】
〔実施形態２〕
上記の実施形態１では、水中に浸漬した基板を水面に対して垂直に引上げる垂直浸漬法によるＬＢ法を用いた場合を説明したが、本実施形態では、基板をほぼ水平にしてＬＢ膜を付着させる水平付着法によるＬＢ法を用いた場合を説明する。
【００３７】
水平付着法を行なうための装置は、垂直浸漬法に用いた図３の装置と基本的な構造は共通であり、図６に示したように、図３の装置で基板１０を浸漬した位置と対応する位置にもう一つのバリア２４Ａが配置されている点、そしてほぼ水平に保持された基板１０が昇降器（図示せず。図３の引上げ器２６に対応）によって昇降される点のみが異なる。
図３および図６を参照し、水平付着法によるＬＢ法によって基板１０上に硬磁性ナノ粒子層ＬＨを形成する図２（１）の工程の実行手順を説明する。
【００３８】
まず図６（１）に示したように、実施形態１と同様の手順で、水面２２Ｓ上へ硬磁性ナノ粒子Ｈを供給する。この段階では、水平に保持された基板１０は水面２２Ｓの上方に停止させておく。
【００３９】
次に、図６（２）に示すように、バリア２４を矢印Ｐで示したように徐々にバリア２４Ａの方へ移動させると、水面２２Ｓ上に自由分散していた硬磁性ナノ粒子Ｈが押圧され、押圧力に対して最もエネルギーの低い状態である最密六方に配列され、硬磁性ナノ粒子Ｈの二次元膜Ｆが形成される。二次元膜Ｆの更に詳細な平面構造は、実施形態１において図５（２）を参照して説明したとおりである。
【００４０】
この状態で、昇降器（図示せず）を作動させて基板１０をほぼ水平な姿勢を保ちながら水面２２Ｓにできるだけ接近させ、僅かに一端を傾けて二次元膜Ｆに接触させ、二次元膜Ｆを基板１０の表面に付着させる。
【００４１】
次に、図６（３）に示すように、昇降器を作動させて基板１０を制御された所定速度で上昇させると、水面２２Ｓ上に形成された硬磁性ナノ粒子Ｈの二次元膜Ｆがそのまま基板１０の表面に吸着されて基板１０と一緒に引き上げられる。
【００４２】
こうして基板１０上にＬＢ膜として形成した硬磁性ナノ粒子層ＬＨの上に、次に説明する図２（２）の工程において、同様にしてＬＢ膜としての軟磁性ナノ粒子層ＬＳを形成する。その前準備として、硬磁性ナノ粒子層ＬＨを軟磁性ナノ粒子層ＬＳを形成する下地として安定化させる。安定化の一方法は、実施形態１と同様である。これにより硬磁性ナノ粒子層ＬＨはそれ自体として強固に一体化すると同時に基板１０とも強固に接合され、安定した下地として機能できるようになる。これにより図２（１）に示したように基板１０上に硬磁性ナノ粒子Ｈが規則配列した硬磁性ナノ粒子層ＬＨが形成される。
【００４３】
次に、同じく図３および図６を参照し、ＬＢ法によって硬化済硬磁性ナノ粒子層ＬＨ上に軟磁性ナノ粒子層ＬＳを形成する図２（２）の工程の実行手順を説明する。基本的には上述した基板１０上への硬磁性ナノ粒子層ＬＨの形成と同じである。
【００４４】
まず図６（１）に示したように、実施形態１と同様の手順で、水面２２Ｓ上へ軟磁性ナノ粒子Ｓを供給する。この段階では、水平に保持された基板１０は水面２２Ｓの上方に停止させておく。
【００４５】
次に、図６（２）に示すように、バリア２４を矢印Ｐで示したように徐々にバリア２４Ａの方へ移動させると、水面２２Ｓ上に自由分散していた軟磁性ナノ粒子Ｓが押圧され、押圧力に対して最もエネルギーの低い状態である最密六方に配列され、軟磁性ナノ粒子Ｓの二次元膜Ｆが形成される。二次元膜Ｆの更に詳細な平面構造は、実施形態１において図５（２）を参照して説明したとおりである。
【００４６】
この状態で、昇降器（図示せず）を作動させて基板１０をほぼ水平な姿勢を保ちながら水面２２Ｓにできるだけ接近させ、僅かに一端を傾けて二次元膜Ｆに接触させ、二次元膜Ｆを基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの表面に付着させる。
【００４７】
次に、図６（３）に示すように、昇降器を作動させて基板１０を制御された所定速度で引上げると、水面２２Ｓ上に形成された軟磁性ナノ粒子Ｓの二次元膜Ｆがそのまま基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの表面に吸着されてこれと一緒に引上げられる。
【００４８】
こうして基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの上にＬＢ膜として形成された軟磁性ナノ粒子層ＬＳの上に、次に説明する図２（３）の工程において、同様にしてＬＢ膜としての硬磁性ナノ粒子層ＬＨを再び形成する。その前準備として、軟磁性ナノ粒子層ＬＳを硬磁性ナノ粒子層ＬＨを形成する下地として安定化させる。安定化の一方法は、実施形態１と同様である。これにより硬磁性ナノ粒子層ＬＳはそれ自体として強固に一体化すると同時に、下地である硬磁性ナノ粒子層ＬＨとも強固に接合され、安定した下地として機能できるようになる。これにより図２（２）に示したように基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨ上に、軟磁性ナノ粒子Ｓが規則配列した硬磁性ナノ粒子層ＬＳが形成される。
【００４９】
次に、図２（３）に示すように軟磁性ナノ粒子層ＬＳ上に硬磁性ナノ粒子層ＬＨを形成する。実行手順は図２（１）を参照して説明した最初の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの形成と同様であるので、説明は省略する。
【００５０】
図２、３、５、６を参照して説明した操作を必要回数行なうことにより、図１に示す本発明の規則超格子構造のナノコンポジット磁石１００が得られる。
【００５１】
なお、ナノコンポジット磁石１００は硬磁性ナノ粒子Ｈに硬磁性特性を発現させるために必要な熱処理を施すことができる。その際、上記の紫外線硬化した界面活性剤がナノ粒子間の拡散障壁として機能し、ナノ粒子の粗大化を防止する作用も発揮する。
【００５２】
〔実施形態３〕
本発明の望ましい一実施形態として、ＬＢ法を行なう際に、硬磁性ナノ粒子Ｈまたは軟磁性ナノ粒子Ｓを水面２２Ｓ上に規則配列させる工程を実行中に磁場を印加することにより、個々のナノ粒子（Ｈ、Ｓ）の容易磁化方位を揃えることができ、それによりナノコンポジット磁石１００の角形性を高めることができる。
【００５３】
図７に、図３のＬＢ製膜装置２００に磁場印加機能を付加した装置例を示す。
【００５４】
図示したＬＢ製膜装置３００は、トラフ２０の外周を取り巻いて水面２２Ｓのレベルに磁場誘導コイル４８を設置した点以外は、図３のＬＢ製膜装置２００と同じ構成である。
【００５５】
図８は、実施形態１の図４（２）の工程に対応する工程を示しており、バリア２４の押圧により硬磁性ナノ粒子Ｈまたは軟磁性ナノ粒子Ｓを基板１０との間に最密六方の規則配列する際に、上記の磁場誘導コイル４８を作動させて、二次元膜Ｆに磁場Ｍを印加する。この状態で、図４（３）の基板引上げ工程を行なうと、図９（１）に示したように基板１０上には容易磁化方位ｍが揃った硬磁性ナノ粒子Ｈの層ＬＨが形成される。以下実施形態１での最初の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの形成工程を行なう。
【００５６】
次いで、図４（２）の工程で上記と同様に磁場Ｍを印加する以外は実施形態１の軟磁性ナノ粒子層ＬＳの形成と同様の処理を行なう。これにより図９（２）に示したように基板１０上の硬磁性ナノ粒子層ＬＨ上に軟磁性ナノ粒子層ＬＳが形成される。形成された軟磁性ナノ粒子層ＬＳはその下地となっている硬磁性ナノ粒子層ＬＨと同様に容易磁化方位ｍが揃っている。
【００５７】
次に、図４（２）の工程で上記と同様に磁場Ｍを印加する以外は実施形態１の二番目の硬磁性ナノ粒子層ＬＨの形成と同様の処理を行なう。これにより図９（３）に示したように基板１０上に、全てのナノ粒子の容易磁化方位ｍの揃った硬磁性ナノ粒子層ＬＨ／軟磁性ナノ粒子層ＬＳ／硬磁性ナノ粒子層ＬＨの規則超格子構造が得られる。
【００５８】
以上の操作を必要回数行なうことにより、図１に示したナノコンポジット磁石１００と同様の規則超格子構造を有し、全ナノ粒子の容易磁化方位ｍが揃ったナノコンポジット磁石が得られる。
【実施例】
【００５９】
〔実施例１〕
実施形態１に示した規則超格子構造を持つナノコンポジット磁石１００について、シミュレーション計算を行なって磁気特性を評価した。比較として不規則配列についても同様のシミュレーション計算を行なった。
【００６０】
＜磁気特性の評価＞
軟磁性ナノ粒子ＳをＦｅナノ粒子とし、硬磁性ナノ粒子ＨをＮｄ２−Ｆｅ１４−Ｂナノ粒子としてＦｅ／Ｎｄ２−Ｆｅ１４−Ｂナノコンポジット磁石の最大エネルギー積（ＢＨmax）および最大磁束密度のシミュレーション計算を行なった結果を図１１に示す。
【００６１】
図中、本発明の規則配列と比較のための不規則配列は、下記の規則度により区別した。
例えば図１０（ａ）に示す正規の二次元配列を規則度１とする。このとき、ハッチング区画と白抜き区画の占有すべき位置をそれぞれα副格子およびβ副格子として、下記のように規則度Ｓを定義する。
Ｓ＝〔（正規の副格子点にある磁性相の個数）−（正規でない副格子点に磁性相の個数）〕／（全格子数）
一例として図１０（ｂ）に示す配列の規則度Ｓを計算する。同図中で○印の副格子点は正規の配置、それ以外の副格子点は正規でない配置である。すなわち、正規の配置となっている副格子点の個数は１０、正規の配置となっていない副格子点の個数は６であるから、この場合の規則度Ｓは下記のように算出される。
Ｓ＝[１０−６]／１６＝４／１６＝０．２５
図１１に示したように、本発明の規則配列構造は比較例の不規則配列構造に比べて最大エネルギー積（ＢＨmax）が約１．５まで高まることが分かる。
【００６２】
＜シミュレーション方法の説明＞
シミュレーションにおいて数値計算には下記の式を用いた。
【００６３】
ＬＬＧ型磁気スピン動力学方程式（ＬＬＧ：ランダウ−リフシッツ−ギルバード）
ｄＭ(r)／ｄｔ＝−γ[Ｍ(r)×Ｈeff(r)]＋(α／Ｍsat)(Ｍ(r)×ｄＭ(r)／ｄｔ)
自由エネルギー汎関数微分形式の有効磁場方程式
Ｈeff＝−δｆ(r)／δＭ(r)＝Ｈeff−２Ｋanis(Ｍ(r)ｎ)ｎ−２▽(Ａ▽Ｍ(r))＋Ｈd(r)
また、各係数は表１の値を用いた。
【００６４】
【表１】
【００６５】
〔実施例２〕
実施形態３に示した磁場印加による容易磁化方位の配向の効果をシミュレーション計算により評価した。計算には下記の式を用いた。
【００６６】
容易磁化方位の空間分布の計算への付与
ｆd(θ)＝(１／（２πσ）１／２)ｅｘｐ(−θ２／２σ２)
ただし、σ：標準偏差、ｎ＝（cosθcosφ，cosθsinφ，sinθ）[φは任意]である。
【００６７】
図１２にシミュレーション結果を示す。図中、サンプル１は本発明のナノコンポジット磁石であり、容易磁化方位の配向度の分散（σ２）が１００と最も小さく、サンプル２、３は配向度の分散σ２がそれぞれ１０００、５０００と大きい。
【００６８】
比較として示したＮｄ２−Ｆｅ１４−Ｂ硬磁性ナノ粒子単磁区材（サンプル４）は保磁力が大きく角形性を持つが、最大磁化が小さい。一方α−Ｆｅ軟磁性ナノ粒子単磁区材（サンプル５）は保磁力はほぼゼロであるが最大磁化が大きい。
【００６９】
本発明により容易磁化方位の配向度の分散を小さくすることにより角形性が顕著に向上することが分かる。
【００７０】
なお、以上の実施例においては、硬磁性ナノ粒子としてＮｄ２−Ｆｅ１４−Ｂ三元合金を用い、軟磁性ナノ粒子としてα−Ｆｅを用いたが、本発明のナノコンポジット磁石においてこれらに限定する必要はない。硬磁性ナノ粒子としては例えばＳｍ２Ｃｏ１７、ＳｍＣＯ５、Ｓｍ２Ｆｅ１７Ｎ３、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＭｎＢｉ等を用いることができるし、軟磁性ナノ粒子としてはＦｅＣｏ合金、Ｃｏ単金属、Ｎｉ合金等を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明によれば、硬磁性ナノ粒子と軟磁性ナノ粒子とを複合して優れた磁気特性を有するナノコンポジット磁石およびその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】図１は、本発明のナノコンポジット磁石の規則超格子構造を示す模式図であり、同図の（１）は硬磁性ナノ粒子層と軟磁性ナノ粒子層の交互積層方向に平行な断面図、（２）は積層面に平行な断面図、（３）は斜視図である。
【図２】図２は、本発明の方法に従いラングミュア−ブロジェット法（ＬＢ法）により規則配列した硬磁性ナノ粒子層と軟磁性ナノ粒子層とを交互に積層して本発明の規則超格子構造を形成する工程を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明に用いるＬＢ製膜装置の構成例を示す断面図である。
【図４】図４は、ＬＢ法のうち垂直浸漬法により硬磁性ナノ粒子または軟磁性ナノ粒子を基板上に製膜する手順を示す断面図である。
【図５】図５は、（１）ＬＢ製膜に用いる本発明の硬磁性ナノ粒子または軟磁性ナノ粒子の詳細な形態および（２）これらのナノ粒子がＬＢ法により液面上に最密六方配列した二次元膜の詳細な形態をそれぞれ示す模式図である。
【図６】図６は、ＬＢ法のうち水平付着法により硬磁性ナノ粒子または軟磁性ナノ粒子を基板上に製膜する手順を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の望ましい一実施形態により電磁誘導コイルを備えたＬＢ製膜装置を示す断面図である。
【図８】図８は、図６の装置により液面上の二次元膜に磁場を印加している状況を示す断面図である。
【図９】図９は、磁場印加を適用したＬＢ法により容易磁化方向を揃えた硬磁性ナノ粒子または軟磁性ナノ粒子を基板上に製膜する手順を示す断面図である。
【図１０】図１０は、二次元配列の規則度の定義を説明する平面図である。
【図１１】図１１は、本発明による規則超格子構造を有するナノコンポジット磁石の最大磁束密度および最大エネルギー積を、不規則構造の場合と比較して示すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明の望ましい実施形態により容易磁化方位の配向度を種々に設定した場合の角形性を、単磁区の硬磁性磁石と軟磁性磁石と比較して示すグラフである。
【符号の説明】
【００７３】
１００ 本発明のナノコンポジット磁石
２００ ＬＢ製膜装置
３００ 磁場印加機能を備えたＬＢ製膜装置
Ｈ 硬磁性ナノ粒子
ＬＨ 硬磁性ナノ粒子層
Ｓ 軟磁性ナノ粒子
ＬＳ 軟磁性ナノ粒子層
１０ 基板
２０ トラフ
２２ 水
２２Ｓ 水面
２４ バリア
２６ 引上げ器
２８ 硬磁性ナノ粒子Ｈの供給槽
３０ 軟磁性ナノ粒子Ｓの供給槽
ＨＡ 硬磁性ナノ粒子Ｈの疎水性界面活性剤中分散液
ＳＡ 軟磁性ナノ粒子Ｓの疎水性界面活性剤中分散液
３２ 硬磁性ナノ粒子Ｈの供給槽２８の供給量調整用バルブ
３４ 軟磁性ナノ粒子Ｓの供給槽３０の供給量調整用バルブ
３６ 硬磁性ナノ粒子Ｈの供給槽２８の供給用ノズル
３８ 軟磁性ナノ粒子Ｓの供給槽３０の供給用ノズル
４０ バルブ制御器
４２ 電源
Ｘ 疎水性高分子配位子
Ｆ 水面２２Ｓ上のナノ粒子二次元膜
４４ 紫外線照射装置
４６ 紫外線
４８ 磁場誘導コイル
Ｍ 磁場
ｍ 容易磁化方位
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の硬磁性ナノ粒子が上下の重なり無く平面状に規則配列した硬磁性ナノ粒子層と、これと同じ配列形式で軟磁性ナノ粒子が上下の重なり無く平面状に規則配列した軟磁性ナノ粒子層とが交互に積層して成り、全体として規則超格子構造を有するナノコンポジット磁石。
【請求項２】
請求項１記載のナノコンポジット磁石の製造方法であって、ラングミュア−ブロジェット法により、基板上に、上記硬磁性ナノ粒子層および上記軟磁性ナノ粒子層のうちのいずれか一方の層を形成する工程と該一方の層上に他方の層を形成する工程とを少なくとも一回行なうことを特徴とするナノコンポジット磁石の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、ラングミュア−ブロジェット法を行なう際に、上記硬磁性ナノ粒子および上記軟磁性ナノ粒子を液面上に規則配列させつつ磁場を印加することを特徴とするナノコンポジット磁石の製造方法。
【請求項１】
多数の硬磁性ナノ粒子が上下の重なり無く平面状に規則配列した硬磁性ナノ粒子層と、これと同じ配列形式で軟磁性ナノ粒子が上下の重なり無く平面状に規則配列した軟磁性ナノ粒子層とが交互に積層して成り、全体として規則超格子構造を有するナノコンポジット磁石。
【請求項２】
請求項１記載のナノコンポジット磁石の製造方法であって、ラングミュア−ブロジェット法により、基板上に、上記硬磁性ナノ粒子層および上記軟磁性ナノ粒子層のうちのいずれか一方の層を形成する工程と該一方の層上に他方の層を形成する工程とを少なくとも一回行なうことを特徴とするナノコンポジット磁石の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、ラングミュア−ブロジェット法を行なう際に、上記硬磁性ナノ粒子および上記軟磁性ナノ粒子を液面上に規則配列させつつ磁場を印加することを特徴とするナノコンポジット磁石の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−１０９７０５（Ｐ２００７−１０９７０５Ａ）
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９６２６９（Ｐ２００５−２９６２６９）
【出願日】平成１７年１０月１１日（２００５．１０．１１）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月１１日（２００５．１０．１１）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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