2017 Fiscal Year Annual Research Report
砒化亜鉛化合物新規磁性半導体の高品位薄膜成長と高機能化
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17H02921
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
生田 博志 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (30231129)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
畑野 敬史 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (00590069)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 磁性半導体 / 砒化亜鉛化合物 / 薄膜成長 / 分子線エピタキシー / 電子構造制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、(Ba,K)(Mn,Zn)2As2などの砒化亜鉛化合物で、キュリー温度TCの高い磁性半導体が相次いで発見された。その強磁性発現機構の解明は基礎物理の観点から重要であるとともに、これらの系は新規スピントロニクス材料として応用上も興味深い。理論的には、AsのSbまたはPへの置換でTCが上昇することが予言されている。そこで、これらの系の薄膜化に取り組むとともに、元素置換効果等を通して、強磁性発現機構に関する知見を得ることを目的とした。
まず、薄膜成長に先行してバルク体で(Ba,K)(Mn,Zn)2Sb2の試料作成に取り組み、成長条件を最適化することで、Snフラックス法による単結晶育成に成功した。磁化率曲線測定の結果、300 Kでも強磁性的な振舞いがみられ、これら新規磁性半導体候補物質では初めて、室温以上の強磁性を観測した。また、この強磁性はキャリア誘起型であること、その振る舞いが磁気ポーラロンで理解できること、などが明らかとなった。ただし、理論予想に反して、電気伝導度は低温以外では金属的な温度依存性を示した。今後は他の元素置換も行い、半導体的に振舞う組成の探索が必要であると考えられる。
一方、Ln(Mn,Zn)AsO (Ln=ランタノイド元素)の薄膜成長に向けた取り組みも行った。同じ結晶構造を有する鉄砒素超伝導体の薄膜成長の知見を活かして、主にLn=Nd系の分子線エピタキシー (MBE) 法での成膜を検討した。蒸気圧等について検討した結果、クヌーセンセルを用いたMBE成長で薄膜を得られる可能性を見出したが、セルヒーターの断線等もあり、成膜条件の最適化には至っていない。そのため、並行してパルスレーザー蒸着(PLD)法での成膜にも取り組むこととした。PLD法での成膜は、Ba(Mn,Zn)Pn (Pn=P, Sb)にまず取り組むこととし、これに必要な多結晶粉末の作製等を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
砒化亜鉛化合物に基づく新規磁性半導体の薄膜成長を目指す取り組みとして、本年度はまず分子線エピタキシー (MBE) 法でのNd(Mn,Zn)AsO成膜を検討した。以前の鉄砒素超伝導体での知見を基に蒸気圧等について検討を行い、MBE成長で薄膜を得られる可能性を見出したが、その過程でセルヒーターの断線等のトラブルが生じたために薄膜成長の進展が遅れた。そのため、成膜条件の最適化を行うまでには至っていない。しかし、この遅れを取り戻すために、並行してパルスレーザー蒸着(PLD)法での成膜にも取り組むこととした。そのためにはまず原料ターゲットの作製が必要であり、それに用いるBa(Mn,Zn)Pの多結晶粉末の作製等を行った。このように、薄膜成長は当初の予定よりやや遅れているものの、新たにPLD法にも取り組むこととするなど、今後の研究を促進するための対応策を施した。
一方、理論的な予想を検証するために(Ba,K)(Mn,Zn)2Sb2のバルク試料作製を試みたところ、予想以上に順調に単結晶の成長に成功した。さらに、磁化測定の結果、この系が室温以上でも強磁性的に振舞うことがわかった。室温以上の高いTCは、これらの亜鉛系新規磁性半導体候補物質では初めてとなる成果である。一方、電気抵抗率は理論的予想とは異なり、低温以外では金属的な温度依存性を示すことも明らかになった。そのため、単にAsをSbに置換するだけでなく、さらに他の元素置換を行い、半導体組成を得ることが必要であることがわかった。また、その他の関連物質について調べた結果、Ca(Mn,Zn)2Bi2が異方的かつ非単調で巨大な磁気抵抗効果を有することを見出し、結晶構造の特異性に起因する複雑な磁気相互作用が関連している可能性を示唆する結果を得た。このように、バルク体を用いた物性探索については想定以上に順調に推移し、様々な知見を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度に取り組んだ研究項目のうち、分子線エピタキシー(MBE)法による薄膜成長については、セルヒーターのトラブル等もあり、予定していたほどには進展しなかった。そのため、MBE法に並行してパルスレーザー蒸着(PLD)法による成膜にも取り組むこととし、ターゲット材料の合成などを開始している。来年度は、引き続きMBE法による成膜を進めるとともに、PLD法での成膜も実際に開始し、それぞれの手法に適した系の薄膜成長を行うことで、なるべく早期に高品位な薄膜成長の実現を目指すこととする。一方、バルク試料を用いた物性測定の結果、高いキュリー温度(TC)が理論的に予言されていた(Ba,K)(Mn,Zn)2Sb2が、実際に室温で強磁性的に振舞うことが明らかになった。しかし、理論予想とは異なり、抵抗率は低温以外では金属的に振舞うことも分かり、より適切な組成を探索する必要があることが分かった。そこで、薄膜化に先立ち、さらに様々な元素置換等を試みて、その物性評価を行うこととする。
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Research Products
(6 results)
