2019 Fiscal Year Annual Research Report
強い磁化をもつ室温強磁性酸化物半導体を用いた希土類酸化物スピントロニクスの開拓
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18H03872
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
福村 知昭 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (90333880)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡 大地 東北大学, 理学研究科, 助教 (20756514)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 酸化物エレクトロニクス / 薄膜新材料 / 超伝導体 / エピタキシャル成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に初めて作製したネオジミウム単酸化物のエピタキシャル薄膜の磁性と電気伝導性を調べた結果、キュリー温度が19 Kで大きな異常ホール効果を示す遍歴強磁性体であることがわかり、この結果について、Phys. Rev. Mater.誌に論文を発表した。また、イッテルビウム単酸化物エピタキシャル薄膜が室温で高い電子移動度をもつことをAppl. Phys. Lett.誌に論文を発表した。くわえて、2018年に発表した新超伝導体ランタン単酸化物と強磁性半導体として知られるユーロピウム単酸化物のヘテロエピタキシャル構造の作製に取り組んだ結果、初めて岩塩構造の超伝導体／強磁性体ヘテロエピタキシャル接合を実現した。その結果、わずか数ナノメーターの厚さのユーロピウム単酸化物薄膜が、ランタン単酸化物の超伝導秩序を破壊することがわかった。これは良質なヘテロエピタキシャル接合では、非常に薄い強磁性体薄膜でも、隣接する超伝導体に大きな影響を与えることができることを示しており、超伝導スピントロニクスのプラットフォームとしても活用可能であることを示唆している。
他の希土類単酸化物の薄膜合成においては、プラセオジウム単酸化物、セリウム単酸化物、ガドリニウム単酸化物の合成に成功し、学会発表を行った。また、超高真空プロセスのパルスレーザー堆積法で作製したプラセオジウム金属薄膜が高圧相プラセオジウムであることがわかり、本研究の新しい展開となる結果が得られた。また、希土類酸化物の安定相であるセスキ酸化物についても、福井大学の牧野研究室との共同研究により、イッテルビウムやルテチウムのセスキ酸化物エピタキシャル薄膜の誘電関数の温度依存性について、Jpn. J. Appl. Phys.誌に論文を発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
前期ランタノイド単酸化物の薄膜合成は、放射性元素のプロメチウムを除いてすべて成功し、今後基礎物性を解明する段階にある。今後の薄膜合成については、後期ランタノイド単酸化物の薄膜合成にシフトしていく予定である。予備的結果から、後期ランタノイド単酸化物のいくつかについては、合成可能であることを示唆する結果が得られはじめている。希土類単酸化物の物性は希土類元素の種類に応じて非常にバリエーションがある、というこれまでの知見は今後の新単酸化物でも同様であると期待できる。また、ヘテロ構造の作製についても、技術的な困難もある程度予想されるが、興味深い物性が生じることがわかってきた。一方、超高真空プロセスで合成できた高圧相のプラセオジウム金属薄膜というのは、当初は予期していなかった成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
薄膜合成については、後期ランタノイドであるテルビウムやホロミウムの単酸化物薄膜の合成に取り組む。ガドリニウム単酸化物は絶縁性を示しているため、後期ランタノイドの単酸化物については、電気伝導性を向上させる化学ドープについても酸素欠損の導入や水素ドープ等の手法を検討する。そして、薄膜合成に成功したプラセオジウム、ガドリニウム、セリウムの単酸化物については、主に磁性と電子物性を明らかにして、成果をまとめる。すでに、遍歴強磁性体であることがわかったネオジミウム単酸化物では、強磁性と膜厚の間に非自明な関係があることがわかりはじめてきており、強磁性の膜厚依存性を詳細に調べる。
ユーロピウム単酸化物とランタン単酸化物のヘテロエピタキシャル接合については、スピンホール抵抗も調べ、最近さかんに研究されている鉄ガーネットと白金の非エピタキシャルヘテロ接合との違いを明らかにする。また、ネオジミウム単酸化物の超薄膜の磁性を明らかにしたうえで、ネオジミウム単酸化物とユーロピウム単酸化物で、強磁性金属／強磁性絶縁体のヘテロエピタキシャル接合を作製し、磁気伝導特性を調べる。
予期せず合成できた高圧相プラセオジウム薄膜については、磁性や電気伝導性を調べ、走査型トンネル顕微鏡を用いたその場観察やトンネル分光を行い、あまり調べられていないランタノイド金属の表面物性を明らかにする。
今年度は、研究代表者の福村が研究を統括して希土類単酸化物の物質設計・ヘテロ構造設計と物性解析を行い、研究分担者の岡大地が薄膜作製とバッファー層・化学ドープ法の開発、研究協力者の岡博文が薄膜の原子分解能表面観察およびトンネル分光を担当する。
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Research Products
(25 results)
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[Presentation] Novel rare earth monoxides: fundamental properties and electronic states2020
Author(s)
K. Kaminaga, H. Shimizu, N. Abe, T. Yamamoto, D. Saito, D. Oka, D. Shiga, M. Kitamura, H. Horiba, H. Kumigashira, T. Fukumura
Organizer
The 3rd Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
Int'l Joint Research
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