鉄薄膜界面の電子状態変化による界面磁気構造・相転移の制御

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K05261
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 河内 泰三 東京大学, 生産技術研究所, 技術専門職員 (80401280)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 三浦 良雄 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, グループリーダー (10361198)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 表面磁性 / 表面フェルベー転移

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、界面磁気構造・相転移の制御を鉄薄膜の電子状態変化によって制御することを念頭に、まず初めに、電荷秩序の相転移としてフェルベー転移の名で知られる金属―絶縁体転移を伴うフェリ磁性体として知られるマグネタイト（四酸化三鉄）（１１１）表面における電子状態変化と磁性との相関を、５７Ｆｅ同位体をプローブとする放射光核共鳴散乱法を用いて調べた。
マグネタイト中の鉄は四面体サイト状的に酸素に囲まれるＡサイトにＦｅ３＋と八面体的に８個の酸素に囲まれるＢサイトにＦｅ２＋及びＦｅ３＋があり、フェルベー転移温度の１２２Ｋを境として、低温では、ＢサイトにおけるＦｅ２＋とＦｅ３＋が電荷秩序状態をとり、転移温度以上では、Ｂサイトにおける鉄の価数が無秩序化して平均してＦｅ２．５＋（２＋／３＋）をとると考えられている。
表面を、試料温度５００、２９７、８５Ｋで観測した結果、フェルベー転移温度１２２Ｋ以上では、ＢサイトＦｅ（２＋／３＋）成分とＡサイトＦｅ３＋成分が観測されていたのに対し、８５Ｋでは、Ｂサイト２＋に相当する成分とＢサイトＦｅ３＋及びＡサイトＦｅ３＋に相当する成分に相当する成分が観測され、表面においてもフェルベー転移を示唆する結果となった。一方、フェリ磁性を呈してるＦｅ３＋サイトおよびＦｅ２＋サイトの内部磁場の大きさ及び比率を解析した結果は、フェルベー転移におけるバルクで観測された変化とと同様な温度変化を示すという結果が得られた。
表面における鉄の電子状態変化に伴う異なる鉄原子サイトの磁性変化の観測可能とできたことにより、界面に５７Ｆｅプローブ層を挿入することにより、界面の電子状態制御にともなう、界面磁気構造制御の観測可能量とできることを確認することができた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

ウクライナ戦争のため、表面磁性測定のためのメスバウアー分光に必要な、５７コバルト放射性同位体の入手が困難となり、２０２２年度では、日本国内で２つしか輸入されず、そのうちの一つを、発注手続きに成功し９月に購入がようやくできた。装置の再始動の際に、分光装置の制御集積回路が故障し、代替え機の準備と再立ち上げの為、メスバウアー分光装置の再起動が年末となったしまったため、研究進捗に遅れが生じた。研究課題の試料基板であるBaTiO3は、購入し成膜準備は完了したが、基板に鉄を成膜後すぐに、メスバウアー分光装置での測定に移行したかったため、成膜は２０２２年度末をまたがざるをえなかった。
並行して、鉄薄膜の電子状態を実験結果と比較するために、第一原理計算を行うために、スーパーコンピューターの利用が不可欠であったが、２０２２年度で既存システムの運用停止と新システムへの更新があり、２０２３年度に電子状態計算を延期せざるを得なかった。

Strategy for Future Research Activity

鉄薄膜をBaTiO3基板にエピタキシャル成膜試料を準備し、内部転換電子メスバウアー分光法を用いて、鉄の磁性を観測する。内部転換電子メスバウアー分光法で測定しながら、その場観測で、基板に鉄薄膜面直方向及び面内方向に電圧を印加し、基板表面に分極を生じさせつつ、鉄薄膜の磁気構造、電荷状態への影響を観測する。
続いてＦｅ／ＢａＴｉＯ３界面に、成膜条件として、５７Ｆｅ同位体を挿入し、上には５６Ｆｅ同位体をエピタキシャル成膜させた５６Ｆｅ／５７Ｆｅ／ＢａＴｉＯ３を準備し、同様の条件で内部転換電子メスバウアー分光法で界面鉄層の磁気構造、磁性、荷電状態の影響を観測し、前者の試料と比較し、基板分極に伴う薄膜磁性及び界面磁性の制御過程を実験的に解明する。
続いて、発現した鉄薄膜及び鉄界面の磁性、電子状態の変化を第一原理計算を用いて計算し、実験結果を検証する。

Causes of Carryover

ウクライナ戦争に伴い、メスバウアー分光用線源の納品が大幅遅延したため、メスバウアー分光再開が遅れたため、試料成膜後測定を行わなければならいので、試料成膜用に用いる酸化しやすい蒸着用57Fe,56Fe同位体の購入を次年度に遅らさざるを得なかった。試料基板についても、基板が長期安定保管が難しいため購入納品後、間を置かずに測定しなければならなかったので、基板の購入も大半次年度へ持越しをしなければならなかった。ガスケット等消耗品に関しても、成膜試料作製が遅れたため、次年度へ持ち越さざるを得なかった。