2016 Fiscal Year Research-status Report
スピン偏極STMによる磁性半導体の磁性発現機構の解明と磁性ナノ構造作製への応用
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16K04874
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
金澤 研 筑波大学, 数理物質系, 助教 (60455920)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 磁性半導体 / スピントロニクス / 走査プローブ顕微鏡 / 表面・界面物性 / 分子線エピタキシー法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、半導体スピントロニクスにおけるスピン流注入源等への応用が期待される希薄磁性半導体、主に分子線エピタキシー法によって作製したII-VI族半導体ZnTeにCr、Fe、Mn等の磁性元素をドープした系を対象として、スピン偏極走査トンネル顕微鏡 (SP-STM) を用いて磁性ドーパント周りの局所的なスピン偏極状態を原子スケールで観察することで、その磁気特性の起源を明らかにすることを目的として研究を行っている
1年目に当たる平成28年度は、半導体表面に吸着した磁性原子によって形成されるスピン偏極状態の観察と低次元強磁性ナノ構造の作製とそのに向けた研究に着手した。特にZnTe表面を舞台に、Cr原子を真空蒸着しSTMによるCr原子ペア配列構造の作製を行い、それらの電子状態を明らかにすることを試みた。
まず、ZnTe(110)劈開表面上に電子ビーム蒸着法でCr原子を真空蒸着する際の蒸着条件の最適化を行った。その結果、約20nm×20nmの観察領域にCr原子が30個程度存在するSTM観察に適したCr吸着表面の作製条件を得た。また、STM探針によってCr原子が表面上を移動しCrペアを形成させることに成功した。さらに、このような隣接Cr原子は、孤立原子に比べて明るい輝点として観察され、その明るさは二つのCr原子が隣接する方位および距離によって変化することが観察された。密度汎関数法による理論計算との比較から、これは隣接Cr間にはたらく強磁性相互作用による不純物状態の変化を反映したものであることが示唆された。
これらの結果から、さらに、今後、SP-STMにより、孤立および隣接吸着した磁性ドーパント周りの局所的なスピン偏極状態を原子スケールで観察することで、その磁気特性の起源を明らかにすることができると考えられる。
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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年目に当たる平成28年度は、半導体表面に吸着した磁性原子によって形成されるスピン偏極状態の観察と低次元強磁性ナノ構造の作製とそのに向けた研究に着手した。特にZnTe表面を舞台に、Cr原子を真空蒸着しSTMによるCr原子ペア配列構造の作製を行い、それらの電子状態を明らかにすることを試みた。
その結果、電子ビーム蒸着法でCr原子を真空蒸着する際の蒸着条件の最適化を行い、実際に隣接Crを対象とした原子分解能のSTM観察に成功した。さらに密度汎関数理論に基づいた理論計算結果と実験結果との比較を行うことで、隣接Cr原子間にはたらく強磁性相互作用による不純物状態の変化を反映して、孤立Crと隣接CrとでSTM像におけるCr輝点の明るさが異なることが明らかとなった。
さらに今後、SP-STMにより、このような孤立および隣接吸着した磁性ドーパント周りの局所的なスピン偏極状態を実際に原子スケールで観察することで、その磁気特性の起源を明らかにすることができると考えられる。
このことから当初の目的をほぼ達成できており当課題は概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本課題の目的は、スピン偏極STM (SP-STM) によって希薄磁性半導体 (DMS) 中の磁性ドーパント周りの電子状態を詳細に測定することで未だ明らかになっていないII-VI族DMSの磁性発現のメカニズムを解明し強磁性ナノ構造作製へと応用することである。
これまでの研究で行った、ZnTe(110)劈開表面に真空蒸着した単一Crおよび二原子隣接CrのSTM観察によって、Crが形成する不純物準位およびそれらの間に働く強磁性相互作用について多くのことが明らかになってきた。
これを踏まえ、今後は磁性探針を用いたSP-STMによる観察を本格的に進める。具体的には先行研究の実績があるCr細線を加工することによって作製されるCr探針に加え、タングステン細線に本課題で平成28年度に購入した超高真空金属蒸着用高温エバポレータを用いることによって作製される磁性金属蒸着探針の作製条件を確立し、本系において実際にSP-STM観察を行う。このような孤立および隣接吸着した磁性ドーパント周りの局所的なスピン偏極状態を実際に原子スケールで観察することで、磁性半導体に発現する磁気特性の起源に関する重要な知見が得られると考えられる。
また、半導体ZnTe表面に吸着させた磁性元素(Mn.Cr,Fe等)に対し、STM原子操作によって原子配列を制御することで強磁性ナノ構造を人為的に作製し、その物性を評価することを目標とした研究も併せて進めていく予定である。
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