2016 Fiscal Year Annual Research Report
量子井戸構造に基づく2次元金属薄膜への磁気機能の誘導とその応用展開
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15H01998
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
佐藤 徹哉 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (20162448)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
沢田 正博 広島大学, 放射光科学研究センター, 准教授 (00335697)
島田 賢也 広島大学, 放射光科学研究センター, 教授 (10284225)
谷山 智康 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (10302960)
神原 陽一 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (50524055)
影島 博之 島根大学, 総合理工学研究科, 教授 (70374072)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 量子井戸 / 非磁性遷移金属超薄膜 / 強磁性発現 / 磁性制御 / 磁気異方性制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
放射光を用いてPd(100)超薄膜の構造解析を行い、Pd薄膜が強磁性を示す膜厚で膜構造の一様性が増し、膜厚方向の格子定数が増大した。第一原理計算を基にこの結果に対する解釈を与えた。Cu上に堆積したPd(100)ウェッジ膜のX線吸収クペクトル(XAS)には量子井戸の形成に伴うホール数の変化に対応する膜厚に対する振動的変化が見られた。
(100)Pd表面に自己組織化分子膜(SAM)を修飾するとSAMの種類によらず磁化の膜厚依存性が0.5原子層厚分ずれた。これは、Pdへの酸素吸着に伴う電子引き抜きの効果に起因するものと推測される。チタン酸バリウム(BTO)上にチタン酸ストロンチウム(STO)膜を堆積し、その上にPd(100)超薄膜を形成して磁気測定を行った。BTOの構造相転移が生じる温度において磁化の飛びが観測された。第一原理計算よりBTOの構造相転移に伴ってPdに歪みが加わることで磁化が変化するとの解釈を得た。半導体基板とPdの間のショットキー接合を用いて電場により界面における位相シフトを変化させることで磁性変化を誘導することを目指した。しかし、基板としてNbドープSTOを用いると熱処理過程で基板表面が変化して膜質が劣化するため目的を達成できなかった。
Fe/(100)Pd２層膜を作製し、鉄の磁気異方性とPd膜厚の関係を調べ、Pdが強磁性を示す膜厚において面内磁気異方性が増大することが分かった。放射光を用いたX線磁気円二色性(XMCD)測定により求めたFeのスピン磁気モンーメントと軌道磁気モーメントの解析はこの結果を支持するものであった。さらにSTO基板に酸素欠陥を導入して半導体化させてPdとの界面にショットキー接合を作製し、電場によるFeの磁気異方性制御を目指した。
Pt薄膜の磁化と磁気異方性を評価することを目的としてPt(100)超薄膜を作製できる環境を構築した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Pd薄膜は量子井戸状態に誘導されて強磁性が発現するとエネルギー利得が生じて強磁性を発現する膜厚が優先的に形成されること、その際交換分裂に伴って生じる電子の運動エネルギーの増大を抑制するように格子を膨張させることが分かった。これは金属磁性体に関する重要な知見を与える結果である。また、光電子分光によりPd薄膜にd 電子由来の量子井戸準位の形成が確認され、理論的予測の確証が得られた。Pd薄膜の磁性の基礎に関しては想定以上の成果が得られた。
外的手法によるPd薄膜の磁性制御に関しては、有機物修飾で見られる磁性変調が酸素吸着によるものであり、酸素吸着量を制御して電子数密度と磁性の関係を定量的に議論できる見通しを得た。基板界面のショットキー接合を利用した電場による磁性制御に関しては、用いたNbドープSTO基板に問題が生じ、STO中に酸素欠陥を導入して半導体化する方法が適当であるとの見通しを得た。BTOの歪みを用いたPd薄膜の磁性制御に関しては、歪みに伴う磁化の変化を検出し、理論的解釈も行なった。電場印加で歪みを制御してPd薄膜の磁性を制御する道筋が拓けた。この課題に関してはまだ結果は不十分であるが、進展すべき道筋が明らかになった。
Pd上に堆積したFeの磁気異方性を制御する研究では、Pdが強磁性を示す膜厚においてFeの面内磁気異方性が大きくなることが分かり、この結果がXMCDによっても裏付けられた。酸素欠陥を導入したSTO基板上にPdを堆積すると、界面にショットキー接合が形成され、これにより電場印加を用いたFeの磁気異方性を制御する手法に目処が立った。試料作製のためのMBE装置の改良が終わり、今後の研究環境が整備された。
予定していたPt(100)の磁性に関する研究は、作製環境が整ったことで研究を進めることが可能な状況になった。
以上より、研究はおおむね順調に進展していると評価される。
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| Strategy for Future Research Activity |
膜厚の異なる(100)Pd薄膜の角度分解光電子分光測定を行う。この測定により、膜厚に依存した量子井戸状態の変化を調べ、Pd薄膜の強磁性発現機構の詳細を特定する。
Pd薄膜の電子数密度変化に伴う磁性の変化を検討するため、これまでSAMを用いて電子引き抜きまたは注入による磁性を調べてきたが、酸素付着による電子引き抜き効果の影響が大きいことがわかった。そのため酸素を試料作成装置に導入し、酸素付着に伴う電子数密度変化と磁性変調の関係を定量的に調べる。
BTO上の(100)Pd膜の磁性がBTOの構造相転移に伴って変化することから、電場印加に伴うBTOの歪みと磁性の関係を明らかにし、歪みによる磁性制御を実現する。さらに、電子構造計算により歪みが及ぼす磁性変化の機構を調べる。
これまでNbドープSTOとPdの間のショットキー接合を用いて電場により磁性変化を誘導することを目指してきたが、熱処理過程での膜質劣化のため目的を達成できなかった。基板を熱処理して酸素欠陥を形成することで基板を半導体化させて、これによりショットキー接合の形成し、磁性変調を実現する。
MBE装置を用いてFe/(100)Pd２層膜を作成し、Feの磁気異方性をPdの量子井戸構造を用いて変化させる。Pdウェッジ膜/Fe２層膜に対してFeのXMCD測定を行い、磁気異方性のPd膜厚依存性を評価する。その機構を電子構造の観点から第一原理計算により評価する。さらに、STO基板に酸素欠陥を導入してPd/Fe２層膜を堆積した試料を作成し、Pdと基板間に生じるショットキー障壁を電場で変化させて界面磁気異方性の制御を行う。
Pt(100)薄膜を作製する環境が整ったため、Pt(100)薄膜の磁化と磁気異方性の膜厚依存性を調べる。さらに、XMCD測定を用いて、軌道とスピン角運動量の磁性に対する寄与を検討する。
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