単一原子センサよる機能コアのサブオングストロームスケール物性評価

• Project Area: New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores
• Project/Area Number: 20H05179
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 宮町 俊生 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (10437361)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 走査トンネル顕微鏡 / 原子層 / 機能コア / 単一原子センサ / MgO機能コア

Outline of Research at the Start

近年の構造計測・解析技術の進展に伴い、ステップ、転移、欠陥、表面再構成、異種界面相互作用等、表面・界面におけるナノ～原子スケールでの空間変調、即ち「機能コア」を制御することの重要性が明らかになってきた。本研究では、スピントロニクス素子中のトンネル障壁材料に用いられている酸化物材料MgO薄膜に機能コアを創出し、その構造と電子・磁気状態を走査トンネル顕微鏡により軌道・スピン分解して調べる。そして、MgO薄膜表面に吸着した単一原子のスピン状態をセンサとして利用することによりMgO機能コアの機能性発現の起源をサブオングストロームスケールで解明することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は窒化鉄および酸化マグネシウム原子層表面にナノ・原子スケールでの空間変調である「機能コア」を作製し、その機能性を構造と電子・磁気状態の原子分解能観察が可能な走査トンネル顕微鏡(STM)を用いてサブオングストロームスケールで解明することを目的とする。窒化鉄/酸化マグネシウム原子層上に磁性単一原子を作製し、近接効果を考慮した「機能コア+磁性単一原子」の機能性をSTMにより電子軌道分解・スピン分解して明らかにする。本年度は窒化鉄原子層表面上にCo単一原子を作製し、そのSTM観察を行った。また、スピン偏極STM観察に向けて使用するSTM装置の安定性とスピン空間分解能を評価した。

窒化鉄原子層表面上の磁性Co単一原子のSTM構造観察の結果、Co単一原子はp4gmおよび(2×2）の2つのサイト上に吸着していることがわかった。吸着サイトの異なるCo単一原子のSTM分光測定を行った結果、分光スペクトルの形状が大きく異なることが明らかになった。理論計算との比較より窒化鉄原子層との混成状態が異なることに由来してCo単一原子の磁気モーメントが大きく異なることが示唆される。窒化鉄原子層のp4gmサイトとc(2×2）サイトのSTM分光スペクトルの形状には大きな違いが見られなかったが、Co単一原子吸着によりフェルミ準位近傍の3d状態の局在性が増し、その結果、窒化鉄原子層の局所状態密度の微小な違いを検出することに成功した。得られた結果から窒化鉄機能コアの電子・磁気状態の詳細に明らかにするための単一原子センサの有用性・重要性が明らかとなった。並行して、高剛性架台およびアクティブ除振システムを新たに導入し、より低ノイズ環境の測定が可能になったSTM装置を用いてNdFeB磁石のスピン偏極STM観察を行った。結果、サブナノメートル分解能でNdFeB磁石の磁壁幅を評価することに成功した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Karlsruhe Institute of Technology(ドイツ)
• [Journal Article] Structural and electrical characterization of the monolayer Kondo-lattice compound CePt6/Pt(111) (2021)
  • Author(s): Koichiro Ienaga, Sunghun Kim, Toshio Miyamachi, Fumio Komori
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Issue: 16 Pages: 165419-165419
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.165419
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Resolving the spin polarization and magnetic domain wall width of (Nd,Dy)2Fe14B with spin-polarized scanning tunneling microscopy (2021)
  • Author(s): T. Miyamachi, C. Surgers, W. Wulfhekel
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 14 Issue: 11 Pages: 115504-115504
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac2a56
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electronic structure of 3°-twisted bilayer graphene on 4H-SiC(0001) (2021)
  • Author(s): Takushi Iimori, Anton Visikovskiy, Hitoshi Imamura, Toshio Miyamachi, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Kazuhiko Mase, Kan Nakatsuji, Satoru Tanaka, Fumio Komori
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 5 Issue: 5
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.5.l051001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatial Control of Charge Doping in n-Type Topological Insulators (2021)
  • Author(s): Sakamoto Kazuyuki、Ishikawa Hirotaka、Wake Takashi、Ishimoto Chie、Fujii Jun、Bentmann Hendrik、Ohtaka Minoru、Kuroda Kenta、Inoue Natsu、Hattori Takuma、Miyamachi Toshio、Komori Fumio、Yamamoto Isamu、Fan Cheng、Kr?ger Peter、Ota Hiroshi、Matsui Fumihiko、Reinert Friedrich、Avila Jos?、Asensio Maria C.
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 21 Issue: 10 Pages: 4415-4422
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01100
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Subatomic Distortion of Surface Monolayer Lattice Visualized by Moire Pattern (2021)
  • Author(s): T. Hattori, N. Kawamura, T. Iimori, T. Miyamachi, F. Komori
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 6 Issue: 6 Pages: 2406-2406
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04408
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Odd spin frustration in Cr(001) films thinner than three nanometers revealed by spin-polarized scanning tunneling microscopy (2021)
  • Author(s): T. Kawagoe, R. Oka, T. Miyamachi, S. Suga
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 103 Issue: 8 Pages: 085427-085427
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.085427
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Twisted bilayer graphene fabricated by direct bonding in a high vacuum (2020)
  • Author(s): Hitoshi Imamura, Anton Visikovskiy, Ryosuke Uotani, Takashi Kajiwara, Hiroshi Ando, Takushi Iimori, Kota Iwata, Toshio Miyamachi, Kan Nakatsuji, Kazuhiko Mase, Tetsuroh Shirasawa, Fumio Komori, Satoru Tanaka
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 13 Issue: 7 Pages: 075004-075004
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab99d1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Realizing large out-of-plane magnetic anisotropy in L10-FeNi films grown by nitrogen- surfactant epitaxy on Cu(001) (2020)
  • Author(s): K. Kawaguchi, T. Miyamachi, T. Iimori, Y. Takahashi, T. Hattori, T. Yokoyama, M. Kotsugi, F. Komori
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW MATERIALS Volume: 4 Issue: 5 Pages: 054403-054403
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.4.054403
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hexagonal iron nitride monolayer on Cu (001): zigzag-line-in-trough alignment (2020)
  • Author(s): M. Yamada, K. Ienaga, Y. Takahashi, T. Miyamachi, and F. Komori
  • Journal Title: Surface Science Volume: 700 Pages: 121679-121679
  • DOI: 10.1016/j.susc.2020.121679
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Pt(111)上のCePt2単原子層の成長と電子状態 (2022)
  • Author(s): 家永紘一郎, 金聖憲, 宮町俊生, 加藤弘一, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [Presentation] SiC基板上の1度以下のツイスト2層グラフェンの電子状態 (2022)
  • Author(s): 飯盛拓嗣, 今村均, 宮町俊生, 中辻寛, 北村未歩, 堀場弘司, 間瀬一彦, Visikovskiy Anton, 田中悟, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [Presentation] CoPc/γ'-Fe4N 有機-無機ハイブリッド薄膜の界面磁気状態 (2022)
  • Author(s): 小野広喜, 梅田佳孝, 山本航平, 石山修, 横山利彦, 水口将輝, 宮町俊生
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 窒素サーファクタント効果により作製した L10-FeCo 規則合金薄膜の界面磁気結合状態の制御 (2022)
  • Author(s): 梅田佳孝, 小野広喜, 山本航平, 石山修, 横山利彦, 水口将輝, 宮町俊生
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Anomalous Nernst effect in Co/Au/Fe trilayer thin films (2022)
  • Author(s): Hiroki Fukuda, Toshio Miyamachi, Masaki Mizuguchi
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Anomalous Nernst and Hall effects in Ge-doped Co thin films (2022)
  • Author(s): Takuya Tsujimoto, Toshio Miyamachi, Masaki Mizuguchi
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] スピン偏極STMによるNdFeB磁石の磁壁幅の実空間・高分解能観察 (2022)
  • Author(s): 宮町俊生, Wulf Wulfhekel
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 3nm厚のCr(001)薄膜で観測された特異なスピンフラストレーション (2021)
  • Author(s): 川越毅, 宮町俊生, 菅滋正
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] 走査トンネル顕微分光を用いた2次元近藤格子CePt6/Pt(111)の電子状態観測 (2021)
  • Author(s): 家永紘一郎, 金聖憲, 宮町俊生, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] 大面積数度ツイストグラフェンの電子状態 (2021)
  • Author(s): 飯盛拓嗣, 今村均, 宮町俊生, 服部琢磨, 中辻寛, 北村未歩, 堀場弘司, 間瀬一彦, Visikovskiy Anton, 田中悟, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] 単層近藤格子CePt2/Pt(111)の構造と電子状態 (2021)
  • Author(s): 家永紘一郎, 金聖憲, 宮町俊生, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] Resolving the spin polarization and magnetic domain wall width of (Nd, Dy)2Fe14B with spin-polarized scanning tunneling microscopy (2021)
  • Author(s): Toshio Miyamachi, Wulf Wulfhekel
  • Organizer: ICMaSS2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Challenges in the application of spin-polarized STM to materials science (2021)
  • Author(s): Toshio Miyamachi
  • Organizer: The 29th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 窒素サーファクタント効果により作製したFeCo合金超薄膜の構造と磁気状態 (2021)
  • Author(s): 宮町俊生, 高橋優樹, 飯盛拓嗣, 服部卓磨, 山本航平, 小板谷貴典, 横山利彦, 小嗣真人, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] スピン偏極 STM と放射光 X 線磁気円二色性測定による 磁性超薄膜ヘテロ構造の原子スケール表面・界面磁性研究 (2021)
  • Author(s): 宮町俊生
  • Organizer: Nanospec2021
  • Invited
• [Presentation] 構造制御されたSmB6(001)表面の金属的な電子状態 (2020)
  • Author(s): 宮町俊生, 菅滋正, 飯盛拓嗣, 伊賀文俊, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] SiC(0001)上のツイストグラフェンの電子状態のツイスト角度依存性 (2020)
  • Author(s): 飯盛拓嗣, 今村均, 魚谷亮介, 宮町俊生, 服部琢磨, 中辻寛, 北村未歩, 堀場弘司, 間瀬一彦, 梶原隆司, Visikovskiy Anton, 田中悟, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会