スピン偏極ＳＴＭとＸＭＣＤによる窒化鉄ナノ磁性体の磁気異方性の解明

• Project/Area Number: 15J10476
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Nanostructural physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 高橋 文雄 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000); Fiscal Year 2016: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 鉄窒化物 / 磁性 / 電子状態 / X線吸収/磁気円二色性 / 走査トンネル顕微鏡/分光法 / 磁気異方性 / スピン偏極走査トンネル顕微鏡/分光法

Outline of Annual Research Achievements

Cu(001)基板上に作製された原子層鉄窒化物Fe4Nにおける構造と電子・磁気状態および磁気異方性との関係を探るため、まずは過去に例のない良質な単原子層膜の作製法確立を目指した。放射光施設UVSOR BL-4BにおいてX線吸収/磁気円二色性(XAS/XMCD)測定を行い、アニール温度と試料磁化の大きさとの関係を調べた結果、アニール温度が低い試料においては、それが高い試料に比べてFe原子のスピン磁気モーメント(Mspin)が半分程度に低下することが分かった。さらに走査トンネル顕微鏡/分光法(STM/STS)を用いてアニール温度差による表面構造および電子状態の違いを原子分解能で詳細に調べると、アニール温度が低い試料の表面にはFe原子点欠陥が少量見られ、またその欠陥周りでは欠陥の大きさの何倍もの領域に渡って電子状態が変調されていることが分かり、試料の平均的磁性の大幅な低下との関連性が示唆された。
複数原子層Fe4N/Cu(001)の成長様式と、その構造・次元性と電子・磁気状態との関係を探った研究では、STM実験から単原子層の次に安定かつ表面に大面積でできるFe4Nは三原子層であることが分かった。さらなるXMCD測定により、Fe原子のMspinは単原子層から三原子層Fe4Nへと膜厚を増やすと大きく増加することが分かった。その物理的起源を探るため、Cu(001)基板上の単原子層および三原子層Fe4Nに対して、原子サイトごとの局所状態密度計算および磁気モーメント計算を行った。その結果、Fe原子の磁気モーメントは原子サイトの配位および環境に非常に敏感であることが分かり、実験結果をよく説明した。
以上の結果、今まで良質な試料が得られてこなかった原子層膜Fe4N/Cu(001)の初めての作製に成功し、そのミクロな構造とマクロな電子・磁気状態との関係解明に至った。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] MPI Halle(Germany)
• [Journal Article] Thickness-dependent electronic and magnetic properties of γ’-Fe4N atomic layers on Cu(001) (2017)
  • Author(s): Y. Takahashi, T. Miyamachi, S. Nakashima, N. Kawamura, Y. Takagi, M. Uozumi, V. Antonov, T. Yokoyama, A. Ernst, F. Komori
  • Journal Title: arXiv Volume: arXiv:1702.01509 Pages: 1-9
  • Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Orbital selectivity in Scanning Tunneling Microscopy: Distance-Dependent Tunneling Process Observed in Iron Nitride (2016)
  • Author(s): Y. Takahashi, T. Miyamachi, K. Ienaga, N. Kawamura, A. Ernst, and F. Komori
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 116 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1103/physrevlett.116.056802
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Room-temperature local ferromagnetism and its nanoscale expansion in the ferromagnetic semiconductor Ge1-xFex (2016)
  • Author(s): Y. K. Wakabayashi, S. Sakamoto, Y. Takeda, K. Ishigami, Y. Takahashi, Y. Saitoh, H. Yamagami, A. Fujimori, M. Tanaka, and S. Ohya
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Issue: 1 Pages: 232951-9
  • DOI: 10.1038/srep23295
  • NAID: 120006502155
  • URL: http://arxiv.org/abs/1502.00118
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Magnetization process of the n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As:Be studied by x-ray magnetic circular dichroism (2016)
  • Author(s): S. Sakamoto, L. D. Anh, P. N. Hai, G. Shibata, Y. Takeda, M. Kobayashi, Y. Takahashi, T. Koide, M. Tanaka, and A. Fujimori
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 93 Issue: 3 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.035203
  • NAID: 120006502175
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Thickness-dependent magnetic properties and strain-induced orbital magnetic moment in SrRuO3 thin films (2015)
  • Author(s): K. Ishigami, K. Yoshimatsu, D. Toyota, M. Takizawa, T. Yoshida, G. Shibata, T. Harano, Y. Takahashi, T. Kadono, V. K. Verma, V. R. Singh, Y. Takeda, T. Okane, Y. Saitoh, H. Yamagami, T. Koide, M. Oshima, H. Kumigashira, and A. Fujimori
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 92 Issue: 6 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.064402
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Photoemission and x-ray absorption studies of the isostructural to Fe-based superconductors diluted magnetic semiconductor Ba1－xKx(Zn1－yMny)2As2 (2015)
  • Author(s): H. Suzuki, K. Zhao, G. Shibata, Y. Takahashi, S. Sakamoto, K. Yoshimatsu, B. J. Chen, H. Kumigashira, F.-H. Chang, H.-J. Lin, D. J. Huang, C. T. Chen, Bo Gu, S. Maekawa, Y. J. Uemura, C. Q. Jin, and A. Fujimori
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 91 Issue: 14 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.91.140401
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Layer-dependent electronic and magnetic structures in iron-nitride multilayers (2017)
  • Author(s): Y. Takahashi, T. Miyamachi, S. Nakashima, Y. Takagi, M. Uozumi, T. Yokoyama, V. Antonov, A. Ernst, F. Komori
  • Organizer: JPS 2017 Annual meeting
  • Place of Presentation: Osaka Univ. (Toyonaka, Osaka)
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] Impact of atomic defects on macroscopic ferromagnetism of mon atomic-layer iron nitride (2016)
  • Author(s): Y. Takahashi, T. Miyamachi, S. Nakashima, V. Antonov, Y. Takagi, M. Uozumi, T. Yokoyama, A. Ernst, F. Komori
  • Organizer: SSSJ's 36th Annual Meeting and VSJ's 57th Annual Symposium
  • Place of Presentation: Nagoya Congress Center (Nagoya, Aichi)
  • Year and Date: 2016-11-29
• [Presentation] Influence of atomic defects on macroscopic ferromagnetism of monatomic-layer iron nitride (2016)
  • Author(s): Y. Takahashi, T. Miyamachi, S. Nakashima, V. Antonov, Y. Takagi, M. Uozumi, T. Yokoyama, A. Ernst, F. Komori
  • Organizer: JPS 2016 Autumn meeting
  • Place of Presentation: Kanazawa Univ. (Kanazawa, Ishikawa)
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Influence of atomic-scale disorder on ferromagnetism of monatomic-layer iron nitride (2016)
  • Author(s): Y. Takahashi, T. Miyamachi, V. Antonov, Y. Takagi, M. Uozumi, T. Yokoyama, A. Ernst, F. Komor
  • Organizer: European Conference on Surface Science (ECOSS32)
  • Place of Presentation: Grenoble, France
  • Year and Date: 2016-08-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 鉄窒化物数原子層薄膜の磁性および電子状態 (2016)
  • Author(s): 高橋文雄, 宮町俊生, Antonov Victor, 高木康多, 魚住まどか, 横山利彦, Ernst Arthur, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] 走査トンネル顕微鏡法における軌道選択的トンネル現象 (2015)
  • Author(s): 高橋文雄, 宮町俊生, 家永紘一郎, 河村紀一, Ernst Arthur, 小森文夫
  • Organizer: 2015年真空・表面科学合同講演会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2015-12-02
• [Presentation] 化合物系での走査トンネル顕微鏡測定における軌道選択的トンネル現象 (2015)
  • Author(s): 高橋文雄, 宮町俊生, 家永紘一郎, 河村紀一, Ernst Arthur, 小森文夫
  • Organizer: 表面・界面スペクトロスコピー2015
  • Place of Presentation: 国立女性教育会館（埼玉県比企郡嵐山町）
  • Year and Date: 2015-11-27
• [Presentation] 鉄窒化物薄膜の構造と磁性 (2015)
  • Author(s): 高橋文雄, 宮町俊生, 高木康多, 魚住まどか, 家永紘一郎, 河村紀一, Ernst Arthur, 横山利彦, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-19
• [Presentation] Inherent orbital-selective tunneling in a STM measurement (2015)
  • Author(s): Y. Takahashi, K. Ienaga, N. Kawamura, T. Miyamachi, A. Ernst, F. Komori
  • Organizer: The 20th International Conference on Magnetism(ICM2015)
  • Place of Presentation: Palau de Congressos de Catalunya, Pl. Europa, L' Hospitalet del Llobregat, Barcelona, Spain
  • Year and Date: 2015-07-10
  • Int'l Joint Research