鉄をドープした強磁性半導体の電子構造と強磁性発現機構の解明

• Project/Area Number: 17J04651
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Condensed matter physics II
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 坂本 祥哉 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2017: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 強磁性半導体 / スピントロ二クス / X線磁気円二色性 / 光電子分光 / 第一原理計算 / 放射光 / 磁性 / 半導体

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、Feをドープした新しい強磁性半導体の電子構造と強磁性発現の機構を解明することを目的とした。従来までのMnをベースとした強磁性半導体は、p型の電気伝導しか実現できないことや、強磁性転移温度が室温より低いという問題を抱えていた。Feをドープした系では、p型だけでなく、n型や絶縁的な強磁性半導体が実現できる。また、(Ga,Fe)Sbや(In,Fe)Sbといった物質で、室温より高い強磁性転移温度が報告され注目を集めている。
2017年度は、これまでに研究してきた(In,Fe)As:Be、Ge:Feに加え、(Ga,Fe)Sbと(Al,Fe)Sbに対してX線磁気円二色性(XMCD)、共鳴光電子分光実験を行った。さらに第一原理計算も系統的に行った。
共鳴光電子分光の実験では、Feの2p-3d吸収端において大きなオージェピークが観測され、Feの3d電子が遍歴性を持つことがわかった。またフェルミ準位においても、光電子スペクトルの共鳴増大が観測され、Feの3d状態がフェルミ準位に存在することがわかった。XMCD実験では、Feの2p-3d吸収端において大きなXMCD信号が観測され、この物質の磁性がFeに由来することが確認された。XMCDから求めた磁化は強磁性転移温度以上でも磁場に強く応答し、高温でもナノスケールの強磁性領域が存在することが明らかになった。この原因はFe原子が空間的に不均一に分布しているためと考えられる。第一原理計算からは、Feが3価であるという当初の予想に反し、Feの3d電子数が6であることが示唆された。これは、Sb系の半導体の価電子帯のエネルギーが高いために、電子が価電子帯に存在するより、3d軌道を占有した方がエネルギー的に安定であるためと考えらえる。また、このような状況で特に高い強磁性転移温度が実現していることから、この6つ目の電子が強磁性発現の鍵であると結論した。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Western Digital(米国)
• [Int'l Joint Research] 中国科学院(中国)
• [Int'l Joint Research] コロンビア大学(米国)
• [Journal Article] Anisotropic spin-density distribution and magnetic anisotropy of strained La1-xSrxMnO3 thin films: Angle-dependent x-ray magnetic circular dichroism (2018)
  • Author(s): G. Shibata, M. Kitamura, M. Minohara, K. Yoshimatsu, T. Kadono, K. Ishigami, T. Harano, Y. Takahashi, S. Sakamoto, Y. Nonaka, K. Ikeda, Z. Chi, M. Furuse, S. Fuchino, M. Okano, J. Fujihira, A. Uchida, K. Watanabe, H. Fujihira, S. Fujihira, A. Tanaka, H. Kumigashira, T. Koide, and A. Fujimori
  • Journal Title: npj Quantum Materials Volume: VOL. 3 Issue: 1 Pages: 3-3
  • DOI: 10.1038/s41535-018-0077-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of cobalt substitution in L10-(Fe,Co)Pt thin films (2017)
  • Author(s): S. Sakamoto, K. Srinivasan, R. Zhang, O. Krupin, K. Ikeda, G. Shibata, Y. Nonaka, Z. Chi, M. Sakamaki, K. Amemiya, A. Fujimori, and A. Ajan
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: VOL. 96 Issue: 14
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.144437
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electronic structure and magnetic properties of magnetically dead layers in epitaxial CoFe2O4/Al2O3/Si(111) films studied by x-ray magnetic circular dichroism (2017)
  • Author(s): Y. K. Wakabayashi, Y. Nonaka, Y. Takeda, S. Sakamoto, K. Ikeda, Z. Chi, G. Shibata, A. Tanaka, Y. Saitoh, H. Yamagami, M. Tanaka, A. Fujimori, and R. Nakane
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: VOL. 96 Issue: 10 Pages: 104410-104410
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.104410
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic anisotropy of L10-ordered FePt thin films studied by Fe and Pt L2,3-edges x-ray magnetic circular dichroism (2017)
  • Author(s): K. Ikeda, T. Seki, G. Shibata, T. Kadono, K. Ishigami, Y. Takahashi, M. Horio, S. Sakamoto, Y. Nonaka, M. Sakamaki, K. Amemiya, N. Kawamura, M. Suzuki, K. Takanashi, and A. Fujimori
  • Journal Title: APPLIED PHYSICS LETTERS Volume: 111 Issue: 14 Pages: 142402-142402
  • DOI: 10.1063/1.4993077
  • Peer Reviewed
• [Presentation] XMCDによるFeドープ強磁性半導体の磁化過程の研究 (2018)
  • Author(s): 坂本祥哉
  • Organizer: スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワークシンポジウム
• [Presentation] XMCD studies of the magnetization process of the Fe-doped ferromagnetic semiconductors (2018)
  • Author(s): 坂本祥哉
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Large perpendicular magnetic anisotropy of the new ferromagnetic semiconductor (Ba,K)(Zn,Mn)2As2 single crystal (2017)
  • Author(s): 坂本祥哉
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] XMCD study on large perpendicular magnetic anisotropy of the new ferromagnetic semiconductor (Ba,K)(Zn,Mn)2As2 single crystal (2017)
  • Author(s): 坂本祥哉
  • Organizer: Junjiro Kanamori Memorial International Symposium
• [Presentation] 光電子分光、XMCD、第一原理計算から見たFeドープ強磁性半導体 (2017)
  • Author(s): 坂本祥哉
  • Organizer: 第１回CSRN-Tokyo Workshop 2017
  • Invited
• [Presentation] Soft x-ray spectroscopy and first-principles calculation studies of the electronic structure of the novel high-TC ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb (2017)
  • Author(s): 坂本祥哉
  • Organizer: INTERMAG 2017
  • Int'l Joint Research