磁性入门-东京农工大学.ppt

磁性入門磁性とスピンエレクトロニクスの基礎 農工大　佐藤勝昭 応用物理学会 スピンエレクトロニクス研究会幹事 １．はじめに 半導体の人は「磁性はわかりにくい」という。まず、基礎となる原子の磁気モーメント、原子間交換相互作用などの概念が難しい。それも、金属磁性体と絶縁性磁性体とで異なった電子状態を考える必要があり概念がつかみにくい。 スピンに依存するバンド構造、それにもとづくハーフメタルの概念や、スピンに依存するトンネル電気伝導、スピン注入磁化反転のように、難解な先端的な話題が多い。 その一方では、強磁性体の特徴ともいえる磁気ヒステリシスや磁区が、物質固有のものではなく形状、サイズ、構造に対する敏感性をもち、ミクロな磁性では説明できず、巨視的な磁気モーメントの運動を考えなければならないこと???等々、大学、特に工学部、の学士課程では教えきれないくらい多岐にわたる物理現象が関連していることが、「わかりにくさ」の原因である。 この解説では、細かい枝葉の厳密性には目をつぶって、磁性についてのおよその概念をつかんでいただくことをめざす。 半導体と磁性体の対比 半導体 電子物性パラメータは基本的にバンド構造で決まる.キャリア密度は人為的に制御される 量子構造を考えない限り電子を古典粒子として有効質量近似で扱える 応用されるのは電子構造で決まる移動度などのミクロな電子物性である 電子物性が寸法、方位、形状にほとんど依存しない 単位系は、CGSをもとにした実用単位系が使われる。 磁性体 金属磁性体の磁性はスピン偏極バンド構造で決まるが、非金属磁性体の磁性は局在多電子系のフント則で決まる 交換相互作用、スピン軌道相互作用など量子力学が基本 応用されるのは磁区により生じるヒステリシスに関連したマクロ磁気物性である 磁性は磁気異方性の影響を受け、寸法、方位、形状により大幅に変化する。 単位系が複雑で、CGSとSIが混在して使われている 磁性体と誘電体の対比 磁性体 磁気モーメントμ(軸性ベクトル) 磁化M 自発磁化Ms 反磁界 磁気ヒステリシス 飽和磁化、残留磁化、保磁力 磁区(ドメイン) キュリー温度 誘電体 電気双極子qr(極性ベクトル) 電気分極P 自発分極Ps 反電界 誘電ヒステリシス 飽和分極、残留分極、抗電界 分域(ドメイン) キュリー温度 ２．磁性の起源 バンドモデル（遍歴電子磁性） 遷移金属?合金 局在モデル（局在電子磁性） 遷移金属酸化物 共存モデル 希土類金属 希薄磁性半導体 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 (1)バンドモデル 通常の磁性の教科書は、原子磁石から出発して常磁性を説明し、原子間交換相互作用をつかって強磁性、反強磁性などを説明し、分子場理論で磁化の温度変化、キュリー温度などを説明する局在電子モデルに基づいており、金属のバンドモデルにもとづく遍歴電子磁性に触れるのはその後になっている。 一方、半導体を学んできた研究者にとっては、バンドモデルを出発点にすることに慣れている。またスピンエレクトロニクスにおいては、スピン偏極バンドをベースに考えることが多い。 ここでは、バンドモデルにもとづく金属磁性を出発点にとって、電子相関の強い極限として局在モデルを扱う。 スレーター?ポーリング曲線 種々の遷移金属合金について１原子あたりの原子磁気モーメントと平均電子数の関係を示した曲線。 Crから始まって45?の傾斜で上昇する半直線か、Fe30Co70付近からNi60Cu40に向かって-45?で下降する半直線のいずれかに載っている。 ３ｄ遷移元素 WebElementsTM Periodic table （/）より 鉄のバンド構造 磁性体といえば、だれもが鉄Feを思い浮かべる。Feは金属である。 一般に金属であればエネルギーバンドモデルでは伝導帯の電子状態の一部が占有され残りが空いているような電子構造を持つはずである。 通常金属と遷移金属の状態密度 (a)はアルカリ金属（Na,Kなど)のs電子に由来するバンド状態密度である。 （ｂ）は、磁性をもたない遷移金属のバンド状態密