2017 Fiscal Year Annual Research Report
Atomic scale characterizations of the exchange coupling in ferromagnetic/antiferromagnetic heterostructures by spin-polarized STM
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16H05963
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
宮町 俊生 東京大学, 物性研究所, 助教 (10437361)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | スピン偏極走査トンネル顕微鏡 / X線吸収分光 / X線磁気円二色性 / 磁性超薄膜ヘテロ構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では反強磁性/強磁性超薄膜ヘテロ構造の接合界面における構造と電子・磁気状態のミクロな違いがマクロな電気・磁気特性に及ぼす影響を、原子分解能での構造と電子・磁気状態の実空間観測が可能なスピン偏極走査トンネル顕微鏡(STM)に埋もれた界面の電子・磁気状態を元素選択的に定量評価可能な放射光X線吸収分光/X線磁気円二色性(XAS/XMCD)測定を組み合わせた相補的な研究手法によって明らかにすることを目的としている。
本年度は、Mn/Fe超薄膜ヘテロ構造のXAS/XMCD測定を行い、マクロな電子・磁気状態の解明に取り組んだ。測定はUVSOR BL4BのXAS/XMCD装置を用いて行った。試料温度は80 K、印加磁場は0-5 Tである。まず、超高真空中でCu(001)清浄表面へ7原子層のFeを室温蒸着し、強磁性Fe超薄膜を作製した。その後、Mn室温蒸着により反強磁性Mn超薄膜を0-5原子層積層し、Mn/Fe超薄膜ヘテロ構造を作製した。強磁性Fe超薄膜のXAS/XMCD測定の結果、残留磁場下でより大きなXMCDシグナルが面直配置で観測され、先行研究同様に面直容易磁化を確認した。しかし、Mn超薄膜を積層することによってFe超薄膜の面直XMCDシグナルは徐々に減少し、容易磁化方向が面内方向に変化するスピン再配列転移を起こすことが明らかになった。対応する界面構造のSTM観察の結果との比較により、界面のFe原子とMn原子が混じり合って表面合金化し、さらに、その組成や構造は膜厚の増大に伴い変化していくことがわかった。Mn超薄膜が3原子層以上になると純粋なMn層が表面に現れ、Fe超薄膜の磁気特性も変化は無かった。XAS/XMCD測定およびSTM観察の結果より、反強磁性/強磁性超薄膜ヘテロ構造の磁気特性は数原子層から構成される界面合金層によって決定づけられると結論付けた。
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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
本年度の研究計画の中心である反強磁性/強磁性Mn/Fe超薄膜ヘテロ構造のXAS/XMCD測定を行い、その電子・磁気状態を調べた。STMによる原子分解能での構造評価とXAS/XMCD測定結果を組み合わせることにより、Mn積層数の増大に伴うMn/Fe超薄膜ヘテロ構造の磁気モーメントや磁気異方性の変化が接合界面におけるFeMn合金の組成変化（不規則合金・規則合金）に起因することを明らかにした。これらの研究成果については国内、国際学会で発表を行い、学術雑誌に論文投稿中である。さらに、本研究で確立したSTM観察と放射光分光測定を相補的に組み合わせた研究手法を用いて原子層等、関連物質の研究を発展させ、国内外での学会発表や学術雑誌に論文発表することができた。
また、建設・整備を進めている極低温・強磁場中スピン偏極STM装置（STM本体、極低温クライオスタット）については初年度にSTMの探針交換機構および強磁場極低温クライオスタット冷却機構の不具合が明らかとなり、再設計・再性能シミュレーションを行う必要が生じたが、今年度は開発を終えることができた。その後、各装置の組み立て、STM本体の動作確認、極低温クライオスタットの超高真空リークテストおよび最低到達温度（液体窒素・液体ヘリウム使用）の評価等、立ち上げ作業を進めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
XAS/XMCD測定で得られた結果を基に、最終年度（平成30年度）は研究計画の中心であるスピン偏極STMによるMn/Fe超薄膜ヘテロ構造の表面磁気状態の原子分解能観察を行い、表面（Mn薄膜）、ヘテロ接合界面（FeMn合金）および埋もれた界面（Fe薄膜）を網羅した一連の表面・界面磁性研究を展開していく。XAS/XMCD測定からMn積層によってFe超薄膜のスピン再配列転移が起こり、容易磁化方向が面直方向から面内方向に変化し、さらに面内磁気異方性が大幅に増大することが明らかになった。そこで、スピン偏極STM観察に必要なスピン偏極STM磁性探針には面内磁化に敏感な強磁性Fe探針を使用する。また、参照資料であるバルクFe単結晶上に成長したMn超薄膜のスピン偏極STM観察の結果との比較により、磁気異方性の増大がMn超薄膜の磁気構造に及ぼす影響を原子分解能で明らかにする。XAS/XMCD測定およびスピン偏極STM観察の結果を併せてMn/Fe超薄膜ヘテロ構造界面における磁気結合の包括的な理解を得る。
極低温・強磁場中スピン偏極STM装置については、STM本体を極低温に維持し、さらに液体ヘリウム消費量を低減するための輻射シールド（液体窒素シールド、液体ヘリウムシールド、ジュールトムソンシールド）を作製して極低温クライオスタットへの取り付けを行う。その後、極低温クライオスタット用の超高真空チェンバーのデザイン・作製を進め、極低温・強磁場中スピン偏極STM装置全体の整備を行っていく。
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[Presentation] 6H-SiC(0001)表面上のナノファセットに形成したグラフェンの電子 フォノン相互作用2017
Author(s)
飯盛拓嗣, 家永紘一郎, 宮町俊生, 中島脩平, 高橋文雄, 矢治光一郎, 中辻寛, 間瀬一彦, 福間洸平, 林真吾, 梶原隆司, Anton Visikovsliy, 田中悟, 小森文夫
Organizer
日本物理学会 2017年秋季大会
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