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2016 Fiscal Year Annual Research Report

原子間力/走査型トンネル顕微鏡によるスピンデバイス電極の磁化容易制御条件の解明

Research Project

Project/Area Number 16H03872
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

阿部 真之  大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (00362666)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 浜屋 宏平  大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90401281)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords原子間力顕微鏡 / 走査型トンネル顕微鏡 / スピンデバイス / 分子線エピタキシー法
Outline of Annual Research Achievements

シリコン(Si)よりも移動度が高い半導体ゲルマニウム(Ge)と高性能・高品質な磁性材料を融合し、次世代のスピンデバイス(スピントランジスタなど)を創成しようという研究が盛んになっている。一方で、磁気抵抗変化(スピン信号)は未だ小さく、理想的な矩形のスピン信号を十分な信号強度で得られていない。これは、スピン注入/検出電極に相当するエピタキシャル磁性合金の磁化容易軸を上手く制御できていないためである予想されている。
スピンデバイスの高性能化のためには、原子層レベルの急峻なヘテロ接合界面の形成を実証するのみならず、半導体表面に形成された磁性薄膜面内方向の物性に関して詳細な検討が必要であることを意味している。
そこで本研究では、周波数変調方式原子間力顕微鏡/走査型トンネル顕微鏡(FM-AFM/STM)と、スピンデバイス用電極作製に用いている分子線エピタキシー装置(MBE)を組み合わせ、性能向上に不可欠な電極材料の磁気異方性を原子レベルで解明することを目的とし研究を進めた。具体的には、Co2FeSi薄膜とGe(111)基板のヘテロ接合界面の作製を行い、磁化容易軸測定や磁気抵抗効果測定のようなマクロレベルな測定結果と、FM-AFM/STM測定で得られたCo、Fe、Si原子の配列状態や局所電子状態といったナノ~原子レベルの結果にはどのような関係があるのかを明らかにするための、MBE/FM-AFM/STMの真空一貫装置の開発を行った。2年目からは半導体/電極界面の物理と、スピンデバイスの性能向上という関係性を明らかにすることで、ナノとマクロを繋げる新しい研究分野を拓いていく。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

・FM-AFM/STM/MBE複合システムの構築が完了したため
スピンデバイス用電極材料(Co_2FeSiの(マクロな)特性を評価しながら、同じ条件で作製した\mathrm{Co_2FeSi薄膜の表面を原子分解能で観察し、マクロとナノの関係性を見出す実験環境を整備した。具体的には、阿部所有の室温超高真空原子分解能FM-AFM/STMに、浜屋がスピンデバイス用電極材料作製に実際に使用している分子線エピタキシー法(MBE)装置と同等のものを組み込んだ。MBEチャンバーを始めとするすべての装置は自身で設計し組み上げた。MBEチャンバーの他に試料を処理しながら交換もできるロードロックチャンバーも組み込んだ。

Strategy for Future Research Activity

(1)磁性合金薄膜成長過程におけるFM-AFM/STM原子分解能測定手法の確立
Ge(111)基板上のCo2FeSi磁性合金を原子分解能で測定し、原子配列や電子状態を測定するための手法を確立する。そのためには、Ge(111)基板上に少量の磁性合金を蒸着した状態でFM-AFM/STM測定を行い、さらに蒸着料を増やしながら測定を行う方法が適切であると考えている。
実際のCo_2FeSi薄膜作製では、Ge(111)基板にMBE蒸着したSiおよびCo、Fe原子は蒸着後のポストアニールを用いない低温プロセス($\sim 300\ \mathrm{K}$)を用いている。そのため、1ML以下の蒸着量では、Co、Fe、Si原子は、ステップ近傍に集まっているか、テラス上でクラスタになっていると考えられる。このような実験を行うには、蒸着量を1ML以下で制御できるように精密な調整を行う必要がある。また、磁性体金属のFM-AFMの測定条件はわかっていないため、FM-AFM/STM同時測定に最適な測定条件(カンチレバーの振動振幅や印加電圧等)を見出す必要がある。

(2)磁性合金の蒸着方向の違いによる原子配列状態および局所電子状態測定
これまでの予備検討からは、Ge基板の結晶方位に対する磁性金属の蒸着方向によって磁化容易軸の方向が決まっているような傾向が得られている。具体的には、Fe3Siという磁性合金の場合、Ge基板の結晶方位に関係なく、SiとFeの蒸着方向の間の方位に磁化容易軸ができているようなデータが得られている。上述したとおり、本研究における磁性合金蒸着プロセスでは、蒸着後にアニールをしない低温プロセスである。Co、Fe、Si原子の蒸着方向の違いと磁化容易軸の関係をFM-AFM/STMによる直接観察によって明らかにする。

  • Research Products

    (15 results)

All 2017 2016

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Book (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Local electronic properties of individual Pt atoms adsorbed on TiO2(110) studied with Kelvin probe force microscopy and first-principles simulations2017

    • Author(s)
      Ayhan Yurtsever, Delia Fernandez-Torre, Jo Onoda, Masayuki Abe, Seizo Morita, Yoshiaki Sugimoto and Ruben Perez
    • Journal Title

      Nanoscale

      Volume: 1 Pages: 1-10

    • DOI

      DOI: 10.1039/c6nr07550a

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Effects of Pb Intercalation on the Structural and Electronic Properties of Epitaxial Graphene on SiC2016

    • Author(s)
      Ayhan Yurtsever, Jo Onoda, Takushi Iimori, Kohei Niki, Toshio Miyamachi, Masayuki Abe, Seigi Mizuno, Satoru Tanaka, Fumio Komori, Yoshiaki Sugimoto
    • Journal Title

      Smal

      Volume: 12 Pages: 3956-3966

    • DOI

      10.1002/smll.201600666

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 隣接する Si4原子スイッチの相互作用2017

    • Author(s)
      山崎詩郎、前田 圭亮、杉本宜昭、阿部真之、P. Pou、L. Rodrigo、R. Perez、P. Mutombo、P. Jelinek、森田 清三
    • Organizer
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] パルスレーザー堆積/非接触原子間力顕微鏡複合装置によるLaAlO3(100)表面の観察2017

    • Author(s)
      勝部大樹 、山下隼人 、阿保智、若家冨士男、阿部真之
    • Organizer
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] SrTiO3(100)-(√13×√13)-R33.7o再構成表面の NC-AFM 観察2017

    • Author(s)
      清水亮太、杉本宜昭、赤木和人、阿部真之、森田清三、一杉太郎
    • Organizer
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] PLD/AFM複合装置の開発と金属酸化物表面の原子分解能測定2017

    • Author(s)
      阿部真之
    • Organizer
      日本顕微鏡学会走査型プローブ顕微鏡分科会研究会
    • Place of Presentation
      産業技術総合研究所臨海副都心センター
    • Year and Date
      2017-02-03 – 2017-02-03
  • [Presentation] Development of Combined System of Pulsed Laser Deposition and Non-Contact Atomic Force Microscopy and High Resolution Imaging of Anatase-TiO2(001) Reconstructed Surface2016

    • Author(s)
      D. Katsube, H. Yamashita, S. Abo, F. Wakaya, M.Abe
    • Organizer
      International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2016)
    • Place of Presentation
      ANA Crown Plaza Kyoto
    • Year and Date
      2016-11-08 – 2016-11-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] パルスレーザー堆積/非接触原子間力顕微鏡によるアナターゼ型TiO2(001)表面の観察2016

    • Author(s)
      勝部 大樹、山下 隼人、阿保 智、若家 冨士男、阿部 真之
    • Organizer
      日本表面科学会関東支部 第4回関東支部セミナー 表面・薄膜分析シリーズVol.2 走査型プローブ顕微鏡のフロンティア
    • Place of Presentation
      東京大学本郷キャンパス
    • Year and Date
      2016-10-18 – 2016-10-18
  • [Presentation] アナターゼ型TiO2(001)表面の非接触原子間力顕微鏡測定2016

    • Author(s)
      勝部 大樹、山下 隼人、阿保 智、若家 冨士男、阿部 真之
    • Organizer
      日本金属学会2016年秋季(第159回)講演会
    • Place of Presentation
      大阪大学(大阪府豊中市)
    • Year and Date
      2016-09-21 – 2016-09-23
  • [Presentation] アナターゼ型TiO2(001)表面のフォースカーブ測定2016

    • Author(s)
      勝部 大樹、山下 隼人、阿保 智、若家 冨士男、阿部 真之
    • Organizer
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ(新潟市)
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] TiO2(011)-(2×1)表面のAFM/STMによる研究2016

    • Author(s)
      小野田 穣、Yurtsever Ayhan、阿部 真之、Pang Chi Lun、杉本 宜昭
    • Organizer
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ(新潟市)
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] 走査プローブ顕微鏡を用いた原子スイッチの組立と制御2016

    • Author(s)
      稲見栄一、浜田幾太郎、上田啓一、阿部真之、森田清三、杉本宜昭
    • Organizer
      日本物理学会2016年秋季大会
    • Place of Presentation
      金沢大学(石川県金沢市)
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] Development of Combined System of Pulsed Laser Deposition and Non-Contact Atomic Force Microscopy and Imaging of Anatase-TiO2(001) (1×4) Reconstructed Surface Reconstructed Surface2016

    • Author(s)
      Daiki Katsube, Hayato Ymashita, Satoshi Abo, Fujio Wakaya, Masayuki Abe
    • Organizer
      20th International Vacuum Congress (IVC-20)
    • Place of Presentation
      BEXCO, BUSAN, KOREA
    • Year and Date
      2016-08-22 – 2016-08-26
    • Int'l Joint Research
  • [Book] ナノ材料解析の実際(編著:米澤徹, 朝倉清高, 幾原雄), 第14章 “原子間力顕微鏡(AFM)”2016

    • Author(s)
      阿部真之
    • Total Pages
      11
    • Publisher
      講談社
  • [Patent(Industrial Property Rights)] キャナ及び走査型プローブ顕微鏡2017

    • Inventor(s)
      山下隼人,阿部真之
    • Industrial Property Rights Holder
      大阪大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2017-002183
    • Filing Date
      2017-01-10

URL: 

Published: 2018-01-16  

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