2017 Fiscal Year Annual Research Report
Study of atomic level magnetization of spin device electrode by atomic force / scanning tunneling microscopy
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16H03872
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
阿部 真之 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (00362666)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
浜屋 宏平 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90401281)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | スピンデバイス / 原子間力顕微鏡 / 走査型トンネル顕微鏡 / 分子線エピタキシー法 |
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| 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。半導体もしくは金属酸化物とスピン電極界面の物理と、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。
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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
（１）原子レベルでフラットな金属酸化物表面の実現と評価
本研究当初はSiおよびGe表面上にスピンデバイス電極を実現する予定であったが、最新の研究においてSrTiO3のような金属酸化物基板上に作成したスピン電極が非常に高い移動度を示すことがわかり、本研究の実験用基板として用いることにした。基板加熱温度および加熱時間等をちょうせいすることで、走査型トンネル顕微鏡を用いてSrTiO3の(2x2)構造の画像を得ることに成功した。
（２）FM-AFM/STM/MBE複合システムの構築
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）装置の蒸着源を組み込み、H30年度に実験研究を進める体制を整えた。
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| 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。したがって、磁化容易軸の違いは、磁性原子の配列やクラスタリングなどの影響を予想させる結果である。この仮定を基に、Co2FeSiでは、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。
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