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次世代の高速・大容量光情報通信に適用可能な酸化物ナノ材料
−紫外線波長で巨大な磁気光学効果を示す磁性半導体ナノシートの開発− 平成１７年１２月１９日 独立行政法人物質・材料研究機構 概 要 １．独立行政法人物質・材料研究機構（理事長：岸 輝雄）物質研究所（所長：室町英治） ソフト化学グループの長田 実主任研究員、佐々木高義ディレクターらは、紫外線波長で 巨大な磁気光学効果１）を示す磁性半導体ナノ材料の開発に世界で初めて成功した。 ２．高度情報化社会の著しい進展につれて、短時間により多くの情報が伝送可能な、短波 長の可視光や近紫外光を用いた光情報通信システムの構築が必要不可欠なものになって きている。このような社会的要請に対して、高速・大容量の光通信や光データ処理用の 材料開発が急務となっており、中でも基幹素子となる光スイッチや光アイソレーター２） として利用可能な、短波長の可視光や近紫外光で高い磁気光学特性を示す半導体材料の 開発が待ち望まれていた。 ３．今回、独自に開発したナノレベル (約 1 nm) の厚みをもつ新型酸化チタン（チタニア ナノシート３））をベースに、チタン格子位置にコバルト、鉄などの磁性元素を置換した 磁性半導体ナノシートの多層膜を作製したところ、室温で強磁性体として機能すること、 さらに基礎吸収端付近の紫外線から可視光波長領域（波長 280 nm から 380 nm）におい て 10,000 度/cm 以上という巨大な磁気光学効果を示すことを見出した。また、磁性半導 体ナノシートの積層数や隣接するナノシートの種類を変化させた人工超格子を作製する ことで、応答波長の変調や強度増強などユニークな特性制御が可能なことも確認してい る。 ４．今回開発した磁性半導体ナノシートの巨大磁気光学効果は、従来の材料の中で最も短 波長で機能し、現在実用化されているガーネットを大きく凌ぐ世界最高水準の性能指数 を有しており、次世代の光情報通信システムの構築に必要とされる短波長光スイッチや 光アイソレーターへの応用が期待される。 ５．本研究成果は、ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業チーム型研究（CREST タイプ）の研究 テーマ「光機能自己組織化ナノ構造材料の創製（研究代表者：佐々木高義）」の一環で得 られたもので、国際学術誌「Advanced Materials」(Wiley-VCH 社)に受理され、近日中 に掲載される。研究の背景 光を透過しながら高い磁気光学特性を有する磁性半導体が得られれば、磁気光学効果を 用いた光アイソレーターや高密度磁気記録が可能になり、将来の大量情報伝達に必要な光 素子を作製することができる。そのため、高い磁気光学特性を示す磁性半導体の開発が望 まれている。 高い磁気光学特性を示す材料としては、長波長用（1.3∼1.5μm）に磁性ガーネット系（YIG、 GdBiIG）、短波長用（0.6∼1μm）には希薄磁性半導体系（CdMnTe、HgCdMnTe）などが広く 知られており、特に磁性ガーネット系材料は光情報通信用の光アイソレーターとして実用 化されている。これらの材料は現行の 1.0∼1.65μm 帯の光情報通信等には最適であるが、 今後必要とされる高速通信や高密度磁気記録には、より短波長の紫外線から可視光領域で の磁気光学特性の向上、応答波長の短波長化などが必要となっている。さらに、光磁気記 録の動作原理となる磁気光学性能の向上においては、金属人工超格子４）に代表されるよう に、原子・分子層レベルでの膜の組成、積層構造の高度な制御が重要である。そのため、 短波長の紫外線から可視光領域で高い磁気光学特性を有し、かつ積層制御により自在な特 性制御（磁気光学の応答波長、強度の制御）を可能とする磁性半導体ナノ材料の開発が待 ち望まれていた。 研究成果の内容 今回、磁性半導体ナノ材料の母体として、同グループが独自に開発したナノレベル (約 1nm) の厚みをもつ新型酸化チタン（チタニアナノシート：Ti1-δO2）に注目した。このチタ ニアナノシートは層状チタン化合物をソフト化学的な処理により結晶構造の基本最小単位 である層１枚にまで剥離することにより得られる、2 次元異方性を有する新しいタイプの 半導体性ナノ物質である（図１）。 チタニアナノシートのチタン格子位置にコバルト、鉄の磁性元素を２０％∼４０％置換 した磁性半導体チタニアナノシート（Ti0.8Co0.2O2, Ti0.6Fe0.4O2）を作製し、ポリマーを介し た交互自己組織化積層技術５）により、石英ガラスあるいは Si 基板上に多層膜を作製した（図 １）。チタニアナノシートは量子サイズ効果に起因した広いバンドギャップ（320ｎｍ）を 有し、石英ガラス基板に作製したサンプルは可視光の広い領域に対して透明である（図２）。 図３は、Co 置換チタニアナノシート多層膜の室温・磁気光学測定の結果である。基礎吸 収端付近 320ｎｍでの磁気円二色性（MCD）測定６）の結果、強磁性特有の磁気光学応答を示 し、室温で強磁性体として機能すること、さらにその磁気光学性能指数は約 13,000 度/ｃｍ ７）という大きな値を示した。 また、今回開発した磁性半導体ナノシートは、積層数や隣接するナノシートの種類を変 化させた人工超格子を作製することで、ピーク波長の変調や強度増強などユニークな特性 制御が可能なことも確認している。一例として図４に、Co 置換チタニアナノシート多層膜 と、Fe 置換チタニアナノシートを構成ブロックに加えた人工超格子の磁気光学スペクトル を示す。Co 置換チタニアナノシート多層膜は、基礎吸収端付近の紫外線から可視光波長領 域（波長 280ｎｍから 380ｎｍ）でピークを与えるのに対し、人工超格子では Co2+一 Fe3+の d-d 遷移と対応する可視光波長領域（波長 330ｎｍから 500ｎｍ）において約 20 倍増強し
た巨大な磁気光学応答を示した。これは層間相互作用（Co2+一 Fe3+遷移）８）に起因するもの であり、この効果を利用することにより磁気光学応答のピーク波長と強度の自在な制御の 可能性を示す結果である。 図５は、今回開発した磁性半導体ナノシートに加え、典型的なアイソレーター材料にお ける、単位厚さあたりの磁気光学回転角９）の性能指数と最大応答波長をまとめたものであ る。磁性半導体ナノシートの巨大磁気光学効果は、従来の材料の中で最も短波長で機能し、 現在実用化されているＢｉ置換ガーネット GdBiIG の特性（0.8μm 帯で約 10,000 度/ｃｍ、 1.3∼1.5μm 帯で約 1,000 度/ｃｍ）を大きく凌ぐ世界最高水準の性能指数を有する。 波及効果と今後の展開 本研究成果によれば、2 次元ナノ構造体であるチタニアナノシートの有する、高い組織、 構造制御性、独自のナノ物性などの特性を活用することで、紫外線から可視光波長領域で高 い磁気光学特性を示す磁性人工超格子の作製と特性の自在な制御が可能である。また、従来 のガーネット系などの材料では、半導体素子や分子エレクトロニクスとの融合は困難であっ たが、今回、開発した磁性半導体ナノシートでは自己組織化などのソフト化学反応を利用す ることで様々な材料との融合が可能であり、さらに低コストで製造することができる。従っ て、本研究成果を光アイソレーターや高密度磁気記録などのＩＴ技術分野、ナノスピンエレ クトロニクス、分子エレクトロニクスなどの技術分野に使用すれば極めて有用である。 またナノスピンエレクトロニクス材料は、2003 年文部科学省が選定した「ナノテクノロ ジー分野における実用化・産業化を目指した戦略的研究課題」として、次世代情報処理技 術の最重要課題に挙げられている。中でも光情報通信の波長に応じた大きな磁気光学特性 を示す磁性ナノ構造は特に注目すべき材料として選定されており、優れた特性をもつ材料 が見つかれば数年のうちに実用化されるとの提言もある。今回開発した紫外線波長で巨大 な磁気光学効果を示す磁性半導体ナノ材料は、こうした要請に応える候補物質であり、短 波長レーザーとの融合により、高速、大容量用情報通信用の光アイソレーター、光磁気記 録素子としての利用が期待される。 問い合わせ先： 〒305-0047 茨城県つくば市千現１−２−１ 独立行政法人物質・材料研究機構 広報室 TEL:029-859-2026 研究内容に関すること： 独立行政法人物質・材料研究機構 物質研究所ソフト化学グループ 長田 実（おさだ みのる） ＴＥＬ：029-860-4352（ダイヤルイン） ＦＡＸ：029-854-9061
Ｅ−ｍａｉｌ：[email protected] 独立行政法人物質・材料研究機構 物質研究所ソフト化学グループ 佐々木 高義（ささき たかよし） ＴＥＬ：029-860-4313（ダイヤルイン） ＦＡＸ：029-854-9061 Ｅ−ｍａｉｌ：[email protected] 【用語解説】 １） 磁気光学効果： 磁性体によって光が反射、透過する際に偏波面が回転する現象。反射により変調する現象は カー効果、透過により変調する現象はファラデー効果として知られている。 ２） 光アイソレーター： 光を決められた方向にのみ通過させる機能を持つ、光通信システムの基幹素子。磁気光学効 果の特徴である偏波面回転現象を利用し、順方向の光のみ通し、戻り方向の光を遮断する特 性を有する。 ３） チタニアナノシート： 層状チタン酸化物をソフト化学的な処理により結晶構造の基本最小単位である層１枚にま で剥離することにより得られる、新しいタイプのナノ物質。厚み１ｎｍ前後、横サイズはμ ｍオーダーのシート状ナノ結晶で、ナノサイズ効果に起因した優れた光吸収性、光化学反応 性、酸化・還元特性などを示す。 ４） 金属人工超格子： 磁性元素または分子と異種の原子または分子を数原子層のオーダーで積層した膜。光磁気デ ィスク材料としては、Co/Pt、Fe/Pt、Fe/Crなどの多層膜が知られている。 ５）交互自己組織化積層技術： プラス電荷を持つ材料とマイナス電荷を持つ材料を静電的に交互吸着させ、薄膜等を形成す る技術。今回の場合、磁性半導体チタニアナノシートはマイナス電荷を持つため、ナノシー トが分散した溶液とプラス電荷を持つポリマー溶液を準備し、基板上にポリマー、ナノシー トを交互に吸着させる操作を繰り返すことで、積層の数、種類を１層ずつ精密に制御して多 層膜（図１）や人工超格子（図４右）を製造することができる。 ６） 磁気円二色性： 磁性体によって光が反射、透過する際のスピン分極による右まわりの偏光と左まわりの偏 光の反射率差、透過率差。この特性を利用することで、材料の磁化特性を光学的に調べる
ことができる。 ７）度/ｃｍ： 単位厚さあたりの回転角度。 ８）層間相互作用： 隣り合う磁性体層の間での磁気的な交換結合。 ９）磁気光学回転角： 磁性体による偏波面の回転角度。
図１ 磁性半導体チタニアナノシートとその多層膜の構造模式図。
図２ 石英ガラス基板上にナノシートとPDDAが交互に１０層積層したCo置換チタニアナノ シート多層膜(Ti0.8Co0.2O2)10の紫外・可視吸収スペクトルと写真。
図３ 石英ガラス基板上にナノシートとPDDAが交互に１０層積層したCo置換チタニアナノ シート多層膜(Ti0.8Co0.2O2)10における３２０ｎｍでの磁気光学ヒステリシス特性。
図４ 石英ガラス基板上に作製した Co 置換チタニアナノシート多層膜（Ti0.8Co0.2O2）10と人 工超格子（Ti0.8Co0.2O2/Ti0.6Fe0.4O2）5の磁気光学スペクトル。測定は、各波長において±10 kOe の磁場を印加して MCD を検出し、スペクトル化したものである。
図５ 磁性半導体ナノシートおよび典型的なアイソレーター材料における、単位厚さあたり の磁気光学回転角の性能指数と最大応答波長。
