反強磁性金属を用いた反射器を有する静磁波共振子の研究開発

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K04937
• Research Institution: Fukuoka Institute of Technology
• Principal Investigator: 家形 諭 福岡工業大学, 工学部, 助教 (00585929)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 静磁波 / 反強磁性 / 強磁性

Outline of Annual Research Achievements

本研究は反強磁性/強磁性材料界面に生じるバイアス磁界を利用し、静磁波の反射、屈折の制御を実現することを目的とする。従来同様、強磁性材料および反強磁性材料としてNiFe合金およびIrMnを採用した。これまでVSMやESRを用いて石英基板上にNiFe/IrMnを成膜し、その磁気特性の評価を行ってきており、IrMnを起因とするバイアス磁界がNiFeに付与されていることを確認した。
IrMnストライプを有する静磁波反射試料の設計を行った。NiFe強磁性金属材料上に形成される実際の静磁波は磁気特性に加えて、厚みや幅に依存して異なる振る舞いを示す。またIrMnストライプの幅、厚さ、作製条件によっても静磁波の振る舞いは変化する。そのため、静磁波反射試料の作成を実施する前に、設計条件を検討することが要求される。実際の磁性材料は有限のサイズであるため、端面の反射による波の干渉の影響およびreciplocal spin waveとよばれる、静磁波が磁界に対して非対称に伝搬する現象に注目して静磁波シミュレーションを行った。
静磁波伝搬シミュレーションにおいてはマイクロメートルオーダのNiFe材料を仮定し、厚さ、および幅を変えて行った。またNiFe上にIrMnを配置していると仮定し、IrMnがある場合、ない場合においての比較も行った。NiFe膜厚が変わるに従い、静磁波の波の伝搬速度が変化すること、静磁波の励起条件が変化することを見出した。NiFe幅の変化による影響は特に見られなかった。IrMnによるバイアス磁界によって静磁波の反射率が変化する様子はこれまでと同様に見られた。今回はこれに加えて、静磁波速度がある一定の値以上かつバイアス磁界がある値を超えると急峻に静磁波反射率が増大する条件が存在することを見出した。またバイアス磁界のしきい値は静磁波の速度に依存して変化することがわかった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では以下の項目を順に達成することを研究計画としている。A、反強磁性/強磁性積層膜、および強磁性/Pt膜の構造評価および磁気特性評価B、反強磁性/強磁性積層膜の静磁波反射特性評価C、反強磁性/強磁性積層膜の静磁波反射特性評価D-1、強磁性/Pt積層膜の静磁波吸収特性評価D-2、静磁波屈折を利用した静磁波吸収器の形成
現在はA、およびBの一部磁気特性評価が完了している。昨年同様本研究における障壁は主に試料作製および、試料の加工および評価の３つである。試料作製においては成膜装置の立ち上げ試料作製、磁気特性の評価を完了している。試料加工にはリソグラフィや電子線描画など、北九州産業学術推進機構 微細加工ナノプラットフォームにおける共同研究施設を利用する。同施設を利用することで、微細加工を実現することがであると考えられるが、研究をより効率的に進めるためには、手当たり次第に試料を加工作製するのではなく、どのような試料を作製し、評価すればより効率的に研究を推進できるかを検討する必要がある。そのため、試料の設計およびシミュレーションを今回行った。以上より本研究推進は差し当たって大きな障壁はなく、実現へ向けて十分達成可能であると考えている。

Strategy for Future Research Activity

昨年同様B、反強磁性/強磁性積層膜の静磁波反射特性評価の実現へ向けて研究を推進させる。加えてreciplocal spin waveによる特性を考慮した設計を行う。反射特性評価にはESRを用いる。NiFe薄膜上にIrMnストライプを微細加工で形成し、バイアス磁界による局所的に異なる内部磁界をNiFe内に生じさせる。ESRによって印加されるマイクロ波はNiFe上に静磁波を励起させるが、IrMnストライプ直下のNiFeで内部磁界が異なるため、周囲のNiFeとは異なる磁界で静磁波が励起される。その結果、局所的に静磁波を励起することが可能となる。IrMnストライプの幅を励起させる静磁波の半波長の定数倍で構成すれば、IrMn直下でのみ生じる静磁波の定在波が生じるため、ESRにおいてマイクロ波吸収によるスペクトルが観測されるはずである。スペクトルが観測された時点でこれはIrMnによる静磁波反射を示す世界初の結果であり、かつその反射特性をスペクトルから知ることができる。
本研究で使用する試料は研究代表者所有の超高真空マグネトロンスパッタ装置で成膜し、北九州産業学術推進機構 微細加工ナノプラットフォームにおいてIrMnストライプを形成する。ESR測定は福岡工業大学所有のESRを用いて実現する。

Causes of Carryover

次年度使用額が生じた理由は初年度に必要な予算が当初の予定より少なくすんだこと、および研究推進に伴い、次年度に必要な予算が増加したことが原因である。当初購入を予定していた真空計は真空装置の改良および工夫により、必要数が減少した。加えて研究を進めるために改良した真空装置により、これらを制御する電子機器に必要な予算が増加した。より効率的な研究推進が可能になった一方で消耗品を含む予算が増加した。次年度の予算計画は当初のものと同様、基板やガスの消耗品に加え、真空機器および電子機器に充てる予定である。
当初の研究計画である反強磁性/強磁性材料界面に生じるバイアス磁界を利用し、静磁波の反射、屈折の制御に変更はない。