自己バイアス型エレクトロスピニング三軸フェライト-PZTナノファイバーと磁電結合の研究
Self-Biased Electrospun Triaxial Ferrite-PZT Nanofibers and Studies on Magneto-Electric Coupling
本研究は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ストロンチウムフェライト(SrM)、ニッケルフェライト(NFO)からなるエレクトロスピニング三軸ナノファイバー複合材料における磁電(ME)相互作用に関するものである。自己磁気バイアスを達成するために高い一軸磁気結晶異方性場を持つM型六方晶フェライトSrMを、複合材料中のME結合を強化するために高い磁歪係数と圧電磁気係数を持つNFOを選択した。これらの3つの異なる強誘電相を統合することで、三軸設計は界面ひずみ伝達を最適化し、外部磁場バイアスのないME結合強度を向上させる。PZTコア(サンプルA)、SrMコア(サンプルB)、またはNFOコア(サンプルC)を持つファイバーを合成し、強誘電相の結晶化のために750°Cで焼成した。X線回折、電子顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡により、不純物のない、境界が明確で結晶相が共存する連続的で欠陥のないファイバーの製造が確認された。磁気、強誘電性、磁歪特性評価により、すべてのサンプルで強誘電秩序が検証された。ME電圧係数(MEVC)の測定は、低周波数および機械共鳴(EMR)で、ファイバーの長方形薄板に対して行われた。強いゼロバイアスME応答が測定され、磁気バイアスフィールドの必要性を回避する効率的なひずみ媒介結合が示された。NFOコア、PZT内殻、SrM外殻を持つサンプルCは、最も高い低周波数MEVC 26.7 mV/cm Oeを示し、EMRでは161 mV/cm Oeに増加した。これらの値はすべてゼロバイアスでの測定値である。コアとシェル相の積層順序が結果のME相互作用を決定した。これらの結果は、三軸ファイバーが小型磁気センサーおよびアレイ、多機能デバイス、エネルギーハーベスターの候補となる可能性を示唆している。
- PZT・SrM・NFOを組み合わせたエレクトロスピニング三軸ナノファイバー複合材料を合成し、750°Cで焼成、不純物のない連続ファイバーを確認
- NFOコア/PZT内殻/SrM外殻のサンプルCがゼロバイアスで最大の低周波MEVC 26.7 mV/cm Oe、機械共鳴(EMR)で161 mV/cm Oeを記録
- コアとシェル相の積層順序が磁電(ME)相互作用の強度を決定することを解明
- 外部磁気バイアスを不要にする自己バイアスME応答を実現し、小型磁気センサー・アレイ、多機能デバイス、エネルギーハーベスターへの応用可能性を示した
三軸エレクトロスピニングにより、外部磁場バイアス不要でゼロバイアスME応答を示す磁電ナノファイバーが実現した点が注目される。特にNFOコア/PZT内殻/SrM外殻のサンプルCで低周波26.7 mV/cm Oe、機械共鳴161 mV/cm Oeという具体的なMEVC値が得られており、コア・シェルの積層順序が特性を決める設計指針が示されたことは、磁気センサーやエネルギーハーベスター向け新材料の実用化・量産検討における投資判断材料になる。ただし現段階は実験室レベルの材料研究であり、事業化・量産コスト・スケールアップの検証が今後の焦点となる。