ヘテロ接合界面によって可能となる磁化反転および強誘電性強磁性特性の室温電界制御

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25420295
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: Nihon University
• Principal Investigator: 岩田 展幸 日本大学, 理工学部, 准教授 (20328686)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山本 寛 日本大学, 理工学部, 教授 (90130632) ; 橋本 拓也 日本大学, 文理学部, 教授 (20212136) ; 高瀬 浩一 日本大学, 理工学部, 教授 (10297781)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: Cr2O3 / 電気磁気効果 / 交換バイアス磁場 / スパッタ法 / パルスレーザー堆積法 / 酸化物人工超格子 / ペチーニ法 / 超高密度ターゲット

Research Abstract

c面サファイア基板上に作製した[Pt/Co]/c面配向Cr2O3積層膜の表面強磁性磁気モーメントが電場磁場冷却によって整列することを磁気力顕微鏡にて確認した。また、r面LiNbO3基板およびc面YAlO3基板の表面処理条件を最適化することでステップ-テラス構造を得た。LiNbO3については、アニール時、研磨面を合わせることで劇的に表面形状が改善された。また、YAlO3基板はアルカリ溶液にてAlO2層をエッチングしアニールした。これら二つの基板はCr2O3に対して、サファイア基板より格子整合性が良いが、粒界に深い溝が発生した。成長条件はほぼ同等であった。一方、SrTiO3(STO)(001)基板上の[CaMnO3(CMO)/BiMO3]人工超格子(M=Fe,Fe0.8Mn0.2)のシート抵抗、ホール抵抗の温度および磁場依存特性より室温から強磁性的相互作用が存在している結果を得た。CMOは約5%キャリアが注入されていることがわかり、マグネティックポーラロンの存在を示唆する抵抗温度依存性は超格子界面において反強磁性秩序および強磁性秩序が共存していることを示した。[CaFeO3/BiFe0.8Mn0.2O3]超格子においては、バルクの約4倍の飽和磁化を室温で確認し、強磁性キュリー温度が約450Kであることを確認した。STO(110)上に[CaBO3/BiMO3]人工超格子(B=Fe,Mn M=Fe,Fe0.9Mn0.1)を作製した。[001]方向に短冊状のグレイン形状を持つ異方性の強い表面像を得た。BiMO3単相膜の形状を強く反映していた。また用いたターゲットはペチーニ法で作製した粉末を用いて、焼結させたLaFeO3(98.5%)、BiFeO3(95.2%)、BiFe0.9Mn0.1O3(96.6％)、CaFeOx(96.4％)の超高密度ターゲットである。

Current Status of Research Progress

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

Reason

強磁性/Cr2O3積層膜、LiNbO3およびYAlO3基板上へのr面配向Cr2O3薄膜の作製に成功した。しかしながら、粒界に現れる深い溝の消失、強磁性薄膜作製条件の最適化、下地電極作製を達成していない。一方、SrTiO3(001)および(110)人工超格子作製においては、LaFeO3もしくはSrTiO3をバッファー層として、各層のユニット単位の成膜を試みたが、ユニット数は整数とならず、界面において2ユニット程度の原子の拡散が起こっていると考えている。人工超格子作製に関して新たな問題点が発生したが、同時に解決策も考案済み。また、超高密度ターゲット作製は予定以上に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

サファイア基板上で[Pt/Co]/Cr2O3積層膜を作製し、電磁場冷却によって交換バイアス磁場が発現することを確認する。室温で最大の交換バイアス磁場を得るために、強磁性層の膜厚を変化させることで最適化する。より格子整合性の良いLiNbO3およびYAlO3基板に下地電極を作製し、続けてr面配向Cr2O3薄膜を作製する。この時、Cr2O3にFeをドープし、ドープ量を変化させることで、格子整合度を1-2%以下に抑えながら溝の発生しないr面配向Cr2O3薄膜を成長させる。最適化した強磁性膜を積層し、磁気力顕微鏡およびカー効果を利用して電界による強磁性層の磁化変化を観察する。一方、酸化物人工超格子においては、超格子界面の清浄性が界面での磁気的交換相互作用の大きさに敏感であることが推察できたので、最も結晶性が良く強誘電性の影響の無い[CaFeO3/LaFeO3]人工超格子に注目し原子レベルで平坦な界面を持つ構造作製を達成する。両者とも反強磁性体であるが、界面での強磁性的結合を超格子層数を変化させ最大になるように最適化する。配向面を(100)、(110)、(111)とし、電界印加あり・なしでの磁気モーメントの変化を磁気力顕微鏡およびカー効果によって観測する。強誘電性を付加するために、LaFeO3をBi(FeMn)O3系材料に変更する。Biの蒸気圧が高いため、アブレ-ション後のターゲット表面での組成比を精密に調べた後に、ストイキメトリーなBi(FeMn)O3薄膜を得るために、再度、組成比を微調整し超高密度ターゲットを作製する。同様にBi(FeMn)O3を用いて人工超格子を作製し条件最適化を実施する。電気的磁気的性質を測定した後、電界印加により磁気特性の変化を観測する。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

物品費および旅費が予定していた計上額よりおさえることができたため。
超高密度ターゲット作製用粉末の購入に使用予定

Research Products

• [Journal Article] In-plain electric properties of [CaMnO3/REMO3] (RE=Bi, La M=Fe, Fe0.8Mn0.2) superlattices grown by pulsed laser deposition method (2014)
  • Author(s): Nobuyuki Iwata, Yuta Watabe, Takahiro Oikawa, Kouichi Takase, Mark Huijben, Takaaki Inaba, Keisuke Oshima, Guus Rijnders, and Hiroshi Yamamoto
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 53 Pages: 05FB20-1~4
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.05FB20
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fabrication and Crystal Structure of [ABO3 /REMO3] (A=Ca, La, B=Fe, Mn, RE=Bi, La, M=Fe, Fe0.8Mn0.2) Superlattices Grown by Pulsed Laser Deposition Method (2014)
  • Author(s): Yuta Watabe, Nobuyuki Iwata, Takahiro Oikawa, Takuya Hashimoto, Mark Huijben, Guus Rijnders and Hiroshi Yamamoto
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 53 Pages: 05FB12-1~8
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.05FB12
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis and characterization of intercalated few-layer graphenes (2014)
  • Author(s): Shogo Sato, Hiroaki Ichkawa, Nobuyuki Iwata, and Hiroshi Yamamoto
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 53 Pages: 02BD04-1~4
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.02BD04
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Thin Films Growth of BiMO3 (M=Fe, Fe0.8Mn0.2), CaMnO3, LaMnO3 for Superlattice Preparation
  • Author(s): Takahiro Oikawa, Yuta Watabe, Takuji Kuroda, Nobuyuki Iwata, Takuya Hashimoto, Mark Huijben, Guus Rijnders, Dave H. A. Blank, and Hiroshi Yamamoto
  • Organizer: The 4th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies (EM-NANO 2013)
  • Place of Presentation: Ishikawa Ongakudo,Kanazawa,Ishikawa,Japan
• [Presentation] Electric and Magnetic Properties of [REMO3/ABO3] (RE=Bi, La M=Fe, Fe0.8Mn0.2
  • Author(s): Nobuyuki Iwata, Yuta Watabe, Takahiro Oikawa, Mark Huijben, Guus Rijnders, Takaaki Inaba, Keisuke Oshima, and Hiroshi Yamamoto
  • Organizer: 2013 JSAP-MRS Joint Symposia
  • Place of Presentation: Doshisha University, Kyoto, Japan
• [Presentation] Fabrication of [REMO3/ABO3] (RE=Bi, La M=Fe, Fe0.8Mn0.2
  • Author(s): Yuta Watabe, Takahiro Oikawa, Takaaki Inaba, Keisuke Oshima, Nobuyuki Iwata, Mark Huijben, Guus Rijnders and Hiroshi Yamamoto
  • Organizer: 2013 JSAP-MRS Joint Symposia
  • Place of Presentation: Doshisha University, Kyoto, Japan
• [Presentation] Crystal Structure Analysis and Magnetic Propertiesof Ferromagnetic Metal / c-, r-oriented Cr2O3 Multilayer
  • Author(s): Takuji Kuroda, Takumi Nakamura, Yutaro Hayashi, Takashi Sumida, Nobuyuki Iwata, Hiroshi Yamamoto
  • Organizer: 2013 JSAP-MRS Joint Symposia
  • Place of Presentation: Doshisha University, Kyoto, Japan
• [Presentation] Crystal growth of the Cr2O3 thin films on LiNbO3 substrates
  • Author(s): Takumi Nakamura, Takuji Kuroda, Yutaro Hayashi, Takashi Sumida, Nobuyuki Iwata, Hiroshi Yamamoto
  • Organizer: 2013 JSAP-MRS Joint Symposia
  • Place of Presentation: Doshisha University, Kyoto, Japan
• [Presentation] Synthesis, electric and magnetic properties of perovskite related oxides superlattices
  • Author(s): Nobuyuki Iwata, Yuta Watabe, Takahiro Oikawa, Mark Huijben, Guus Rijnders, Takaaki Inaba, Keisuke Oshima, and Hiroshi Yamamoto
  • Organizer: 12th IUMRS International Conference on advanced Materials (IUMRS-ICAM2013)
  • Place of Presentation: Qingdao International Convention Center, Qingdao, China
  • Invited
• [Presentation] パルスレーザー堆積法によるBi系フェライトを用いた人工超格子の作製
  • Author(s): 岩田展幸 渡部雄太 及川貴大 稲葉隆哲 大島佳祐 山本寛
  • Organizer: 電子情報通信学会 電子部品・材料研究会(CPM)
  • Place of Presentation: 新潟大学 駅南キャンパス 「ときめいと」
• [Presentation] Fabrication and Crystal Structure of [BiFe1-xMnxO3/CaBO3] (B=Fe, Mn) Superlattices Grown on the SrTiO3(100) and STO3(110) Substrate
  • Author(s): Yuta Watabe, Takahiro Oikawa, Takaaki Inaba, Keisuke Oshima, Nobuyuki Iwata, Mark Huijben, Guus Rijnders, Takuya Hashimoto and Hiroshi Yamamoto
  • Organizer: 23rd Annual Meeting of MRS-Japan 2013
  • Place of Presentation: 横浜情報文化センター, 横浜市, 神奈川県
• [Presentation] Growth and Evaluation of CaBOx (B=Fe,Mn) Thin Films Grown on SrTiO3(100) and (110) substrate
  • Author(s): Keisuke Oshima,Yuta Watabe, Takahiro Oikawa, Takaaki Inaba, Nobuyuki Iwata, Mark Huijben, Guus Rijnders, Takuya Hashimoto and Hiroshi Yamamoto
  • Organizer: 23rd Annual Meeting of MRS-Japan 2013
  • Place of Presentation: 横浜情報文化センター, 横浜市, 神奈川県
• [Presentation] Crystal growth of the Cr2O3 thin films on YAlO3 substrate
  • Author(s): Y. Hayashi, T. Kuroda, T. Nakamura, T. Sumida, N. Iwata and H. Yamamoto
  • Organizer: 23rd Annual Meeting of MRS-Japan 2013
  • Place of Presentation: 横浜情報文化センター, 横浜市, 神奈川県
• [Presentation] Crystal growth of the Cr2O3 thin films on LiNbO3 substrates
  • Author(s): T. Nakamura, T. Kuroda, Y. Hayashi, T. Sumida, N. Iwata and H. Yamamoto
  • Organizer: 23rd Annual Meeting of MRS-Japan 2013
  • Place of Presentation: 横浜情報文化センター, 横浜市, 神奈川県
• [Presentation] Preparation and Evaluation of BiMO3/CaBO3 (M=Fe, Fe1-xMnx, B=Fe, Mn) Superlattices Grown on SrTiO3(001) and (110) Substrates
  • Author(s): Nobuyuki Iwata, Yuta Watabe, Takahiro Oikawa, Mark Huijben, Guus Rijnders, Takaaki Inaba, Keisuke Oshima, Kouichi Takase and Hiroshi Yamamoto
  • Organizer: 5th Promotion Center for Global Materials Research (PCGMR), National Cheng Kung University (NCKU) Symposium
  • Place of Presentation: National cheng kung university(NCKU), Tainan, Taiwan
  • Invited
• [Presentation] Crystal growth of Cr2O3 thin film on r-cut surface of sapphire and LiNbO3 single crystal substrates
  • Author(s): Takashi Sumida, Takuji Kuroda, Takumi Nakamura, Yutaro Hayashi, Nobuyuki Iwata and Hiroshi Yamamoto
  • Organizer: 5th Promotion Center for Global Materials Research (PCGMR), National Cheng Kung University (NCKU) Symposium
  • Place of Presentation: National cheng kung university(NCKU), Tainan, Taiwan
• [Presentation] Preparation and Evaluation of BiMO3(M=Fe,Fe1-xMnx)Thin Films Grown by Pulsed Laser Deposition method
  • Author(s): Takaaki Inaba,Yuta Watabe, Takahiro Oikawa,Keisuke Oshima, Nobuyuki Iwata, Mark Huijben, Guus Rijnders, Takuya Hashimoto and Hiroshi Yamamoto
  • Organizer: 23rd Annual Meeting of MRS-Japan 2013
  • Place of Presentation: 横浜情報文化センター, 横浜市, 神奈川県
• [Presentation] SrTiO3(100)基板上における[ABO3/ BiFe1-xMnxO3]人工超格子(A=La, Ca, B=Fe, Mn)の結晶構造および電気的磁気的特性
  • Author(s): 渡部 雄太, 及川貴大, 稲葉隆哲, 大島佳祐, 高瀬浩一, Mark Huijben, Guus Rijnders, 橋本 拓也, 岩田 展幸, 山本 寛
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学相模原キャンパス
• [Presentation] YAlO3単結晶基板の表面処理条件の探索とCr2O3薄膜の結晶成長
  • Author(s): 林佑太郎, 黒田卓司, 中村拓未, 隅田貴士, 岩田展幸, 山本寛
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学相模原キャンパス
• [Presentation] LiNbO3基板上におけるCr2O3薄膜の結晶成長および構造解析
  • Author(s): 中村 拓未，黒田 卓司，林 佑太郎，隅田貴士，岩田 展幸，山本 寛
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学相模原キャンパス
• [Presentation] パルスレーザ堆積法によるSrTiO3(100)および(110)基板上BiMO3(M=Fe,Fe1-xMnx)薄膜の作製と評価
  • Author(s): 稲葉 隆哲，渡部 雄太，大島 佳祐，及川 貴大，橋本 拓也，岩田 展幸，山本 寛
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学相模原キャンパス
• [Presentation] パルスレーザー堆積法による超高密度ターゲットを用いた ABO3(A=Ca,Sr,La B=Mn,Fe)単相薄膜の作製と結晶構造解析
  • Author(s): 大島 佳祐，渡部 雄太，及川 貴大，稲葉 隆哲，橋本 拓也，岩田 展幸，山本 寛
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学相模原キャンパス
• [Remarks] 日本大学理工学部 電子工学科 山本・岩田研究室
  • URL: http://yamanoya.ecs.cst.nihon-u.ac.jp/