希土類単酸化物におけるトポロジカル磁気状態の制御

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19F19347
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 福村 知昭 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (90333880)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): AMRILLAH TAHTA 東北大学, 材料科学高等研究所, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2019-11-08 – 2022-03-31
• Keywords: 希土類単酸化物 / 酸化物エレクトロニクス / スピントロニクス / エピタキシャル薄膜

Outline of Annual Research Achievements

希土類単酸化物のバルク多結晶体の合成は過去にいくつか報告があるが、いずれも原子番号の小さい軽希土類（4f電子が7個以下）の単酸化物がほとんどである。一方、重希土類単酸化物の合成は、我々の最近の研究も含めてイッテルビウムとルテチウムの単酸化物のみである。そのうち、イッテルビウム単酸化物の基礎物性およびルテチウム単酸化物の合成は我々のグループからのみ報告されている。本研究では、当初、パルスレーザー堆積法による重希土類ディスプロシウムの単酸化物薄膜の作製を計画していたが、薄膜の作製条件が少し広いと考えられる、周期表ではディスプロシウムの右隣の元素であるホロミウムの単酸化物の薄膜作製を行うことにした。ディスプロシウム単酸化物と同様に、ホロミウム単酸化物固相の合成は、これらの2価の希土類イオンが化学的に不安定であるため、まだ報告がない。ホロミウムセスキ酸化物（Ho2O3）の安定性が高いため、広い温度範囲と酸素分圧でセスキ酸化物相が生じ、酸素分圧を可能な限り低くするとホロミウム金属が生じた。一方で、比較的低温の成長温度で酸素分圧を少し高く設定すると、ホロミウム単酸化物の多結晶膜を得ることができた。今後、薄膜作製のためのパルスレーザーの強度やターゲットの種類を変えることで、単相のホロミウム単酸化物のエピタキシャル薄膜が得られる可能性がある。ホロミウム単酸化物は良好な電気伝導性をもつことを示唆する結果が得られている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

初年度は、研究者の来日が11月末と当初の予定より大幅に遅れてしまったにもかかわらず、実質４ヶ月の期間で、ホロミウム単酸化物多結晶膜の合成を確認できるまで研究が進んだ。試料が電気伝導性をもつことから、今後、電気伝導や磁気伝導について様々なデータが得られることが期待できる。

Strategy for Future Research Activity

現在、コロナウイルスの影響で、大学での研究活動がほとんどストップしており、早くても5月の連休明けからの実験のスタートになってしまうが、活動の再開後、ホロミウム単酸化物エピタキシャル薄膜を合成するために、これまで条件をあまりふっていなかった、パルスレーザーの強度やターゲットの種類の作製パラメーターを変えて、品質を最適化する。そして、化学的安定性や薄膜の表面平坦性を確認する。また、ホロミウム単酸化物の電気伝導性や磁気特性を調べ、すでに得られた希土類単酸化物との比較を行う。酸素欠損量と電気伝導の関係を調べ、ガドリニウム単酸化物のように絶縁体に近い半導体か金属的な電気伝導か調べる。そして、高い電気伝導性を示す場合はスピン軌道相互作用の強さの指標である弱反局在性の大きさ、等を、調べる。また、光電子分光を用いてホロミウム単酸化物の電子状態を調べる。これらの結果について、国内学会での学会発表を行い、論文執筆も早めにとりかかれるように努める。