JP2010166045A

JP2010166045A - 巨大磁気抵抗複合材料体

Info

Publication number: JP2010166045A
Application number: JP2010000642A
Authority: JP
Inventors: chun-hua Hu; 春華胡; Choko Ryu; 長洪劉; 守善 ▲ハン▼; Feng-Yan Fan
Original assignee: Tsinghua University; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2010-01-05
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2030-01-05
Also published as: CN101783387A; US20100181521A1; JP5363351B2; CN101783387B; US8436092B2

Abstract

【課題】本発明は、複合材料体及びその製造方法に関する。
【解決手段】本発明の巨大磁気抵抗複合材料体は、高分子材料で形成したポリマー基材と、複数のカーボンナノチューブと、を備えている。前記複数のカーボンナノチューブは、前記ポリマー基材に埋め込まれ、前記ポリマー基材における複数のカーボンナノチューブが前記ポリマー基材に間隔を置いて設置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、巨大磁気抵抗複合材料体に関し、特にカーボンナノチューブを含む巨大磁気抵抗複合材料体に関するものである。

巨大磁気抵抗（ＧｉａｎｔＭａｇｎｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＧＭＲ）効果が１９８８年に発見されたこと（非特許文献１）によって、巨大磁気抵抗材料は、ハードディスク・ドライブ、磁気センサ、磁気記録装置などの分野で注目されている材料の一つである。巨大磁気抵抗効果と呼ばれる現象は、特定の温度で物質の電気抵抗率が磁場により変化する現象である。

巨大磁気抵抗材料の磁気抵抗ＭＲ（Ｍａｇｎｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）は、以下の公式を満たす。ここで、前記ρ（０）は前記巨大磁気抵抗材料に磁場が印加されない時の抵抗値であり、前記ρ（Ｈ）は前記巨大磁気抵抗材料に予定な強度の磁場が印加される時の抵抗値である。

従来の巨大磁気抵抗材料は、磁気金属膜と非磁気材料膜と交互積層されて形成する多層薄膜である。例えば、Ｆｅ／Ｃｒ交互積層膜、あるいは、Ｃｏ／Ｃｕ交互積層膜、あるいは、Ｎｉ／Ａｒ交互積層膜などの多層薄膜である。

Ｍ．Ｎ．Ｂａｉｂｉｃｈｅｔａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６１，２４７２（１９８８）

しかし、異なる金属層は異なる結晶磁気異方性を有するので、前記多層薄膜からなる巨大磁気抵抗材料は、外部磁場の作用で磁化容易方向と磁化困難方向とが磁気抵抗曲線にすべて一致しない。また、零下２６９℃の低温では、前記巨大磁気抵抗材料のＭＲが約１０％の電気抵抗値変化を実現することができるが、実際の応用では、常温で巨大磁気抵抗材料のＭＲが５％以上の電気抵抗値変化を実現することが望ましい。従って、前記多層薄膜からなる巨大磁気抵抗材料の応用範囲は制限されている。さらに、前記巨大磁気抵抗材料の多層薄膜はすべて金属材料からなるので、硬度が大きく、異なる応用に応じて裁断することが難しい。

従って、前記課題を解決するために、本発明は応用範囲が広く、実際応用に易しい採用される巨大磁気抵抗複合材料体を提供する。

本発明の巨大磁気抵抗複合材料体は、高分子材料で形成したポリマー基材と、複数のカーボンナノチューブと、を備えている。前記複数のカーボンナノチューブは、前記ポリマー基材に埋め込まれ、前記ポリマー基材における複数のカーボンナノチューブが前記ポリマー基材に間隔を置いて設置されている。

前記複数のカーボンナノチューブにおいて、隣接する２つのカーボンナノチューブ間の間隔は、２ｎｍ〜５μｍである。

前記巨大磁気抵抗複合材料体における前記複数のカーボンナノチューブの質量パーセンテージは０．２％〜２％である。

前記巨大磁気抵抗複合材料体における前記複数のカーボンナノチューブの質量パーセンテージは０．５％〜０．６％である。

常温、及び１０ｋＯｅの磁場で、前記巨大磁気抵抗複合材料体の磁気抵抗値は４％〜１４％である。

従来の技術と比べて、本発明の巨大磁気抵抗複合材料体を利用する場合は、前記巨大磁気抵抗複合体において、複数のカーボンナノチューブが相互に分離してポリマー基材に分散されているので、本発明の巨大磁気抵抗複合材料体は巨大磁気抵抗特性を有する。且つ、前記巨大磁気抵抗複合体は、柔軟性を有するポリマー基材を利用しているので、柔軟性が良く、要望の形状に応じて前記巨大磁気抵抗複合体を加工し、フレキシブルな電子設備に応用することができる。又、常温で、磁場強度が１０ｋＯｅである場合、本発明の巨大磁気抵抗複合体の磁気抵抗値は１４％に達することができるので、本発明の巨大磁気抵抗複合体は、常温での磁気抵抗性能が高い。

本発明巨大磁気抵抗複合材料体の一つの実施例の構造を示す図である。図１に示す巨大磁気抵抗複合材料体の走査型電子顕微鏡での写真である。図１に示す巨大磁気抵抗複合材料体の磁気抵抗と前記巨大磁気抵抗複合材料体における前記複数のカーボンナノチューブの質量パーセンテージの含有量との関係（常温、磁場強度が１０ｋＯｅである）を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１を参照すると、本実施例の巨大磁気抵抗複合体２０は、固化可能なポリマー基材２２と、複数のカーボンナノチューブ２４と、を備えている。前記複数のカーボンナノチューブ２４は、前記ポリマー基材２２に埋め込まれて形成されている。ここで、前記複数のカーボンナノチューブ２４は、前記ポリマー基材２２の中で、導電性ネットを形成できない。即ち、前記複数のカーボンナノチューブ２４において、少なくとも一部のカーボンナノチューブは相互に接触していない。勿論、全ての前記複数のカーボンナノチューブ２４が、相互に接続しないことが好ましい。前記複数のカーボンナノチューブ２４は、前記ポリマー基材２２に配向せず配列し、且つ等方的、及び均一的に分散される。ここで、前記複数のカーボンナノチューブの隣り合う２つのカーボンナノチューブの間には間隔が置いてあり、前記間隔は、２ｎｍ〜５μｍである。前記複数のカーボンナノチューブ２４に複数のカーボンナノチューブが、前記ポリマー基材２２に等方的、及び均一的に分散されるので、前記巨大磁気抵抗複合体２０は、あらゆる方向に巨大磁気抵抗特性を有している。

前記ポリマー基材２２の高分子材料は、シリコーンゴム（ＰＤＭＳ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、エポキシ樹脂及びポリウレタン（Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）などの一種又は幾種の混合物である。前記巨大磁気抵抗複合体２０における前記ポリマー基材２２の高分子材料の質量パーセンテージは９８％〜９９．７５％である。本実施例において、前記ポリマー基材２２は、シリコーンゴムからなる。シリコーンゴムからなる前記ポリマー基材２２は、良好な柔軟性があり、所望の形状により切断される。

前記巨大磁気抵抗複合体２０における前記複数のカーボンナノチューブ２４の質量パーセンテージは０．２５％〜２％である。各々のカーボンナノチューブの長さが１〜２０μｍである。各々のカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブのいずれか一種またはそれらの複数種である。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、その直径は０．５ナノメートル〜５０ナノメートルであり、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、その直径は１ナノメートル〜５０ナノメートルであり、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、その直径は１．５ナノメートル〜５０ナノメートルである。本実施例において、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブであり、前記多層カーボンナノチューブは直径が１０ナノメートル〜２０ナノメートルであり、長さが５〜１０μｍである。

図２を参照すると、図１に示す巨大磁気抵抗複合材料体の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の写真である。前記ＳＥＭ写真に示されるように、ＰＤＭＳポリマー基材に複数のカーボンナノチューブが相互に間隔を置いて均一的に分散されている。本実施例において、巨大磁気抵抗複合体２０は、長さが１０ミリメートルであり、幅が５ミリメートルであり、厚さが１ミリメートルである。前記巨大磁気抵抗複合体２０における前記複数のカーボンナノチューブ２４の質量パーセンテージは０．５５％である。

前記巨大磁気抵抗複合体２０に、複数のカーボンナノチューブが相互に分離してＰＤＭＳポリマー基材に分散されているので、前記複数のカーボンナノチューブの間にスピン‐トンネル効果が生じる。従って、前記巨大磁気抵抗複合体２０に磁場を印加する時、スピン‐トンネル効果によって量子トンネルが生じ、電子が複数のカーボンナノチューブ間にあるＰＤＭＳポリマー基材を通過できる。従って、前記巨大磁気抵抗複合体２０の抵抗が減少され、トンネル磁気抵抗が生じて、前記巨大磁気抵抗複合体２０が巨大磁気抵抗特性を有する。

図３を参照すると、常温で、磁場強度が１０ｋＯｅであり、本実施例の巨大磁気抵抗複合体２０の磁気抵抗（ＭＲ）と前記巨大磁気抵抗複合体２０における前記複数のカーボンナノチューブ２４の質量パーセンテージとの関係を示す図である。前記巨大磁気抵抗複合体２０における前記複数のカーボンナノチューブ２４の質量パーセンテージが約０．５％〜０．６％である時、前記巨大磁気抵抗複合体２０の磁気抵抗は、図４に示す曲線の上に最大値がある。

前記巨大磁気抵抗複合体２０における前記複数のカーボンナノチューブ２４の質量パーセンテージが０．５５％より小さい場合、前記巨大磁気抵抗複合体２０における前記複数のカーボンナノチューブ２４の質量パーセンテージの増加に伴って、前記巨大磁気抵抗複合体２０の磁気抵抗値が増加している。前記巨大磁気抵抗複合体２０における前記複数のカーボンナノチューブ２４の質量パーセンテージが０．５５％より大きい場合、前記巨大磁気抵抗複合体２０における前記複数のカーボンナノチューブ２４の質量パーセンテージの増加に伴って、前記巨大磁気抵抗複合体２０の磁気抵抗値は減少する。前記巨大磁気抵抗複合体２０における前記複数のカーボンナノチューブ２４の質量パーセンテージが０．５５％である場合、前記巨大磁気抵抗複合体２０の磁気抵抗値は１４％である。本実施例において、前記巨大磁気抵抗複合体２０における前記複数のカーボンナノチューブ２４の質量パーセンテージは０．２％〜１％であることが好ましい。この時、常温で、磁場強度が１０ｋＯｅである場合、前記巨大磁気抵抗複合体２０の磁気抵抗値は５％〜１４％である。前記巨大磁気抵抗複合体２０における前記複数のカーボンナノチューブ２４の質量パーセンテージは０．４％〜０．６％であることがより好ましい。この時、常温で、磁場強度が１０ｋＯｅである場合、前記巨大磁気抵抗複合体２０の磁気抵抗値は４％〜１０％である。

前記巨大磁気抵抗複合体２０において、複数のカーボンナノチューブが相互に分離してＰＤＭＳポリマー基材に分散されているので、前記巨大磁気抵抗複合体２０が巨大磁気抵抗の特性を有する。且つ、前記巨大磁気抵抗複合体２０は、柔軟性を有するＰＤＭＳポリマー基材を利用するので、柔軟性が良く、要望の形状に応じて前記巨大磁気抵抗複合体２０を加工し、フレキシブルな電子設備に応用することができる。常温で、磁場強度が１０ｋＯｅである場合、前記巨大磁気抵抗複合体２０の磁気抵抗値は１４％に達することができるので、前記巨大磁気抵抗複合体２０は、常温での磁気抵抗性能が高い。前記複数のカーボンナノチューブ２４は、前記ポリマー基材２２に等方的、及び均一的に分散されるので、前記巨大磁気抵抗複合体２０は、異なる方向に沿って巨大磁気抵抗性を有する。

本発明の前記巨大磁気抵抗複合体２０の製造方法は、液体のポリマー材料（例えば、シリコーンゴム）を提供する第一ステップと、前記複数のカーボンナノチューブを、前記液体のポリマー材料に分散させて混合物を形成する第二ステップと、前記混合物に脱イオン水を開始剤として加え、超音波で処理した後、前記混合物を固化させる第三ステップと、を含む。前記第一ステップにおいて、前記液体のポリマー材料に酢酸エチルを入れることができる。この場合、超音波で処理することにより、前記液体のポリマー材料に入れた酢酸エチルを均一的に分散させることができる。前記第二ステップにおいて、前記混合物における複数のカーボンナノチューブの質量パーセンテージは０．２％〜１％である。超音波で前記複数のカーボンナノチューブを液体のポリマー材料に十分に分散させ、全ての前記カーボンナノチューブを相互に分離させる。

２０巨大磁気抵抗複合材料体
２２ポリマー基材
２４複数のカーボンナノチューブ

Claims

高分子材料からなるポリマー基材と、複数のカーボンナノチューブと、を備えた巨大磁気抵抗複合材料体であって、
前記複数のカーボンナノチューブは、前記ポリマー基材に埋め込まれ、
前記複数のカーボンナノチューブが、それぞれ間隔を置いて設置されていることを特徴とする巨大磁気抵抗複合材料体。
前記複数のカーボンナノチューブにおいて、隣接する２つのカーボンナノチューブ間の間隔は、２ｎｍ〜５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の巨大磁気抵抗複合材料体。
前記巨大磁気抵抗複合材料体における前記複数のカーボンナノチューブの質量パーセンテージは０．２％〜２％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の巨大磁気抵抗複合材料体。