Nd-rich - NECトーキン

公益財団法人トーキン科学技術振興財団
平成26年度トーキン科学技術賞贈賞式
2015年3月5日 18:00
於: 仙台国際ホテル
Nd-Fe-B薄膜におけるNd2Fe14B/Nd-rich
界面組織と保磁力メカニズム
東北大学大学院工学研究科
知能デバイス材料学専攻
助教松浦昌志
公益財団法人トーキン科学技術振興財団
平成26年度トーキン科学技術賞贈賞式
研究背景 - Nd-Fe-B系焼結磁石 -
国内生産金額（億円）
2000
希土類磁石
フェライト磁石
合金磁石
1500
1000
500
0
2004
2006
2008
year
2010
2012
Nd-Fe-B系焼結磁石の用途[2]
音響機器 6%
その他5%
モータ・発電機
など 46%
MRI
3%
2007年
HDD, OA, 通信機器
など 40%
[1]一般社団法人電子情報技術産業協会（JEITA）データベース
最大エネルギー積, (BH)max /kJm-3
Nd-Fe-B系磁石の用途
磁石の国内生産額推移[1]
耐熱性
低
400
350
300
250
200
高
Dy; 0 wt%
HDD
High HcJ
省Dy
ABSセンサー High (BH)max
OA/FAモータ
エアコン用モータ
Dy; 5 wt%
HEV, EV用
モータ
発電機
Dy; 10 wt%
1.0
1.5
2.0
保磁力, HcJ / MAm-1
2.5
Dy添加のメリット・デメリット
○保磁力向上⇒耐熱性向上
×最大エネルギー積の低下
×供給不安と価格の乱高下
Dyフリーでの高保磁力化
が求められている
[2]佐川眞人監修，ネオジム磁石のすべて（アグネ技術センター），(2011).
2
-Nd-Fe-B系焼結磁石の組織と保磁力Nd-Fe-B系磁石の磁気特性
Jr / T
HcJ/ kAm-1
(BH)max/ kJm-3
理論値
1.60
5330
512
報告値[3]
1.56
653
474
97
12
93
到達率(%)
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Nd-Fe-B系焼結磁石の保磁力機構
Nd-Fe-B系焼結磁石粒界のTEM像[4]
異方性低
下領域
Nd2Fe14B
Nd-rich
Dyフリーでも高保磁力発現の可能性あり
Nd2Fe14B
Low HcJ
Nd-Fe-B系焼結磁石の組織
Nd-rich
Nd2Fe14B
Nd-rich
Nd-rich
High HcJ
Nd2Fe14B
5 m
主相：Nd2Fe14B相，粒界相：Nd-rich相
[3] 播本、松浦, 日立金属技報, Vol. 23, 69 (2007).
Nd2Fe14B
Nd2Fe14B相とNd-rich相の
界面が保磁力に影響
[4] Y. Shinba et al., J. Appl., Phys., 97, 053504 (2005).
3
課題 - Nd-Fe-B系焼結磁石の粒界組織 -
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C-type(Ia3)
fcc NdOx相がNd2Fe14Bとの界面に存在[5]
Nd-rich相の結晶構造は酸素量によって変化[7]
C-Nd2O3
I type
Nd
O
II IIII III
dhcp Nd
Nd
焼結磁石中; 複数のNd-O相を含むNd-rich相
[5] T. Fukagawa and S. Hirosawa, J. Appl. Phys., 104, 013911 (2008).
[6] D.W. Park et al., J. Appl. Phys., 107, 09A737 (2010).
III type
hcp Nd2O3
fcc
NdO
II type
界面にC-Nd2O3 (Ia3)が形成[6]
I
III III II
O
各出現相の保磁力、組織との関連；未解明
[7] W. Mo et al., Scripta Mater., 59, 179 (2008).
[8] T.B. Massalski et al., Binary alloy phase diagram, ASM internatinal.
4
アプローチ - Nd2Fe14B/Nd-richモデル界面薄膜技術を用いたモデル界面
Nd-rich
Nd2Fe14B
焼結磁石
・酸素含有量；
700 mass ppm～程度[9]
・不純物元素(C, Al, Cu,
Ga等)の混入
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Nd-Fe-B層成膜
UHVスパッタリング
到達真空度;110-7 Pa
Oxidized under Ar gas
Oxidized layer
Nd-Fe-B
Nd-Fe-B
Ta(001)
MgO(001)
Ta
MgO(001)
Atmosphere
Nd-rich
Nd2Fe14B
Under layer
薄膜
・酸素量のコントロール可
・不純物元素抑制
各種Nd-rich相（出現相）が，界面組織
および保磁力へ及ぼす影響を調査可能
酸化処理
Oxygen content
[mass ppm]
UHV; 10-7 Pa
2x10-7
Low vac.; 10-2 Pa
 0.02
Ar gas
2
薄膜技術を用いて酸素量を制御した
モデル界面の作製
目的：酸素濃度の異なる雰囲気下で酸化させたNd-Fe-B薄膜の保磁力
に及ぼすNd2Fe14B/Nd-rich界面組織，出現相の影響調査
[9] A. Sakamoto et al., Trans. MRS, Japan, 29, 1719 (2004).
5
結果と考察 - 熱処理に伴う磁気特性と出現相変化-
60
40


20
Without
anneal.
酸化
200 300 400 500 600
Annealing temp., T / C
26
28
(004)
30
2q
(102)
80
(004)
(002)
未酸化
Nd2Fe14B
hcp Nd2O3
fcc NdOx
Nd
650C
550C
350C
As-Oxi.
As-depo.
(111)
酸化; Arガス
(O2  2 ppm)
Intensity (arb. units)
100

Ratio of coercivity, RHcJ (%)
Ta
Oxidized phase
Nd-Fe-B;
100 nm
Ta; 14 nm
MgO(001)
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32
34
保磁力回復挙動、Nd-O相が熱処理によって変化
各種Nd-O相がNd2Fe14B/Nd-rich界面組織, 保磁力に影響を示唆
M. Matsuura et al., Mater. Trans., 50, 2139 (2009).
6
-Nd-Fe-B薄膜の熱処理に伴う組織変化-
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Nd-rich
Ta
酸化
Nd-rich
Ta
50 nm
Ta
MgO
MgO(001)
oxi. & 350 C
Nd2Fe14B
Nd2Fe14B
dhcp Nd
5 nm Nd2Fe14B
oxi. & 650 C
as-depo.
未酸化
欠陥導入
（3 nm）
HALO
Nd2Fe14B
5 nm
hcp Nd2O3
amorphous
hcp
Nd2O3
Nd2Fe14B
5 nm
アーキテクトな酸化抑制
熱処理に伴い保磁力と出現相、界面組織が変化
M. Matsuura et al., Mater. Trans., 51, 1901 (2010).
M. Matsuura, et al., J. Phys; Conference series, 266, 012039 (2011).
7
- 界面における出現相の変化 -
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界面における出現相の存在割合
dhcp Nd
fcc NdOx
amorphous
hcp Nd2O3
C-Nd2O3
酸化
oxi. & 350 C
80
60
40
20
0
as-depo.
350C
oxi. & 650 C
Abundance ratio (%)
100
650C
保磁力低下⇒ 40%を超えるhcp Nd2O3相出現
保磁力回復⇒ 50%を超える非平衡相出現
欠陥導入
（3 nm）
HALO
Nd2Fe14B
5 nm
amorphous
hcp Nd2O3
hcp
Nd2O3
Nd2Fe14B
5 nm
保磁力と出現相の関係を定量的に示した
M. Matsuura et al., IEEE Trans. Magn.., 47, 3273 (2011).
松浦昌志ら, 日本金属学会誌, 76, 65 (2012).
8
- 界面における格子定数変化界面における出現相の格子定数変化
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界面における歪の影響[10]
TEM
d(h,k,l)
hcp Nd2O3
Nd-rich
格子の乱れ
Nd2Fe14B
5 nm
Nd2Fe14B
dNd2Fe14B
Nd2Fe14B/Nd-rich界面における各種
Nd-rich相の格子定数変化を調査
Nd-O相の格子定数変化*
C-Nd2O3, (fcc NdOx); 510%
hcp Nd2O3 ; 1%
シミュレーションにより、Nd2Fe14B/Nd-rich界
面での歪が保磁力に影響することを報告[10]
[10] G. Hrkac et al., Appl. Phys. Lett., 97, 232511 (2010).
C-Nd2O3, fcc NdOx, (amorphous)相は格子定数に幅を持つ
界面における歪の緩和
保磁力低下の抑制を示唆
* M. Matsuura, et al., Proceeding of REPM' 12, Nagasaki, Japan, 2012.
9
まとめ
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保磁力と出現相の関係の定量評価を実現
保磁力低下に伴いNd2Fe14B/Nd-rich界面においてhcp Nd2O3相が40%以上出現し
た。このとき，界面では3 nmの欠陥が見られた。
保磁力回復に伴いNd2Fe14B/Nd-rich界面にて，非平衡相（C-Nd2O3, amorphous）
が支配的に存在。
➜ hcp Nd2O3相の抑制，非平衡相の形成により保磁力低下を抑制
各出現相の、界面近傍での格子定数変化を示した
界面において，hcp Nd2O3相の格子定数はほとんど変化しない（1%）ことが分かった。
界面において，C-Nd2O3, fcc NdOx相の格子定数は510%の幅を持つことが分かった。
➜ 界面の歪の緩和により、保磁力低下の抑制を示唆
本成果に関連する主な発表論文








Masashi Matsuura, et al., J. Appl. Phys., 105, 07A741 (2009).
Masashi Matsuura, et al., Mater. Trans., 50, 2139 (2009).
M. Matsuura, et al., J. Phys.; Conference series, 200, 092019 (2010).
Masashi Matsuura, et al., Mater. Trans., 51, 1901 (2010).
Masashi Matsuura, et al., J. Phys.; Conference series, 266, 012039 (2011).
M. Matsuura, et al., IEEE Trans. magn., 47, 3273 (2011).
松浦昌志ら, 日本金属学会誌（解説論文）, 76, 65 (2012).
M. Matsuura, et al., Proceeding of the 21st Workshop on Rare-Earth Permanent Magnets and their
applications (REPM' 12), Nagasaki, Japan, 2-5 September 2012.
10
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謝辞
本研究の遂行にあたり、多大なご指導・ご鞭撻を賜り
ました、東北大学大学院工学研究科杉本諭教授に
心より御礼申し上げます。
また、岡田益男先生、高梨弘毅先生、今野豊彦先生、佐久間
昭正先生、手束展規先生、後藤龍太博士、小林恒誠博士、
宮崎孝道博士をはじめ、大変多くの先生方、スタッフの方、先
輩方、学生の皆さまにご指導・ご助言・ご協力を頂きました。心
より感謝申し上げます。

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