【公開日：2023.07.31】【最終更新日：2023.05.16】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22UT0031

利用課題名 / Title

金属酸化物ナノ粒子の合成と物性に関する研究

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials

キーワード / Keywords

電子顕微鏡/Electron microscopy,エネルギー貯蔵/ Energy storage,ナノ粒子/ Nanoparticles

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

吉清 まりえ

所属名 / Affiliation

東京大学

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

生井　飛鳥,チンユー　ソン,ジェシカ　マクドゥーガル,清水　翔馬,下拂　瞭太,オウ　ウキン

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

押川　浩之,福川　昌宏

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UT-008：高分解能トップエントリー型透過電子顕微鏡
UT-101：低損傷走査型分析電子顕微鏡
UT-102：高分解能走査型分析電子顕微鏡
UT-103：高分解能走査型電子顕微鏡

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

本研究では、ガリウム置換型イプシロン酸化鉄のミリ波帯における電磁波吸収特性および偏光特性の結晶子サイズ依存性について検討した。

実験 / Experimental

ガリウム置換型イプシロン酸化鉄（ε-Ga_xFe_2−xO₃, x= 0.44±0.01）を合成した。ゾルゲル法により前駆体を合成し、焼成温度を1050℃、1100℃、1150℃と変えた試料を合成した。透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた粒子形状観察および粉末X線回折（PXRD）のリートベルト解析による結晶子サイズを行った。超伝導量子干渉磁束計を用いた磁化測定、テラヘルツ時間領域分光（THz-TDS）装置を用いた透過/反射スペクトル測定を行った。また、測定試料を超伝導マグネットにより着磁させたのち、偏光子を組み込んだTHz-TDS装置を用いてミリ波領域における偏光特性の測定を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

焼成温度を1050℃から1150℃まで上げることで、TEM像からは平均粒径が14.9 ± 6.0 nmから50.4 ± 35.7 nm まで増大することが観測された（図１）。また、PXRDのリートベルト解析の結果から、いずれの試料も単相であり、回折ピークの線幅から見積もられる結晶子サイズは16.9(1) nmから41.4(1) nmまで増大していた。磁化測定の結果、結晶子サイズの増大に伴い、保磁力、飽和磁化、残留磁化等が増大していることが見いだされた。例えば、室温における保磁力は、4.07 kOeから7.62 kOeまで増大した。THz-TDSにより得られた吸収スペクトルからは、自然共鳴による電磁波吸収が78.7, 78.2, 77.7 GHzに観測されたが、結晶子サイズの増大に伴い、吸収強度が増大していることが明らかになった。また、結晶子サイズの増大とともに回転角度および楕円率の増大が観測された。粒子表面にある一定の厚みの非磁性層があり、ミリ波吸収および偏光に寄与していないと仮定したモデルにより、観測された結晶子サイズ依存性がよく再現された。この結果は、結晶子サイズの増大によりミリ波吸収特性および偏光特性を向上できることを示している。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1. 1050℃（左）、1100℃（中央）、1150℃（右）で焼成した資料のTEM画像。

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

本研究では、特にTEM観察において総合研究機構ナノ工学研究センターの押川様、福川様にご協力を頂きました。厚く御礼を申し上げます。

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Hiroko Tokoro, Optical Properties of Epsilon Iron Oxide Nanoparticles in the Millimeter- and Terahertz-Wave Regions, Bulletin of the Chemical Society of Japan, 95, 538-552(2022).
   DOI: 10.1246/bcsj.20210406
   
2. Asuka Namai, A magnetic field-switchable millimeter wave switch for 81, 94, and 140 GHz based on metal substituted ε-iron oxide, Journal of Materials Chemistry C, 10, 10815-10822(2022).
   DOI: 10.1039/D2TC01575G
   
3. Marie Yoshikiyo, Aluminum-titanium-cobalt substituted epsilon iron oxide nanosize hard magnetic ferrite for magnetic recording and millimeter wave absorption, Chemical Physics Letters, 803, 139821(2022).
   DOI: 10.1016/j.cplett.2022.139821
   
4. Shoma Shimizu, Particle size effect on millimeter-wave absorption, rotation, and ellipticity of gallium-substituted epsilon iron oxide, RSC Advances, 12, 27125-27130(2022).
   DOI: 10.1039/D2RA03237F
   
5. Jessica MacDougall, Seed-mediated Generation of Epsilon Iron Oxide Nanocrystals at 300 °C, Chemistry Letters, 52, 229-232(2023).
   DOI: 10.1246/cl.220545
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. A. Namai, S. Ohkoshi, "Development of high-performance ferrite nanomagnets and the advancement to next-generation millimeter wave absorbers", International Congress on Pure & Applied Chemistry (ICPAC) Kota Kinabalu 2022, 2022/11/25
2. A. Namai, "High frequency millimeter wave absorption in epsilon iron oxide", IRL DYNACOM “Dynamical Control of Materials” Kick-off meeting, 2023/2/10
3. M.Yoshikiyo, "Phonon mode calculations of functional metal oxides", IRL DYNACOM “Dynamical Control of Materials” Kick-off meeting, 2023/2/10
4. S. Ohkoshi, "Basic Science and Applications of External Stimuli Responsive Phase Transition Materials", IRL DYNACOM “Dynamical Control of Materials” Kick-off meeting, 2023/2/11

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：10件