2014 Fiscal Year Research-status Report
走査トンネル顕微鏡による希薄磁性半導体の磁性発現機構解明と強磁性ナノ構造作製
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25870103
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
金澤 研 筑波大学, 数理物質系, 助教 (60455920)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 磁性半導体 / スピントロニクス / 走査トンネル顕微鏡 / 表面・界面物性 / 分子線エピタキシー法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、半導体スピントロニクスのスピン注入源材料として期待される希薄磁性半導体中の磁性添加物間に働く磁性相互作用を明らかにし、将来的にはそれらの人為的な制御を実現することを目標とし、磁性元素をドープしたⅡ-Ⅵ族半導体ZnTeを対象に、走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて磁性元素周りの局所電子状態を詳細に調べることを目的として研究を行っている。
2年目に当たる平成26年度は、半導体表面に吸着した磁性原子による低次元強磁性ナノ構造の作製と電荷ドープによる電子物性制御に向けた研究に着手した。特にZnTe表面を舞台に、Cr単原子の真空蒸着およびSTM原子操作による原子スケールの欠陥の作製を行い、それらの電子状態を明らかにすることを行った。
まず、ZnTe(110)劈開表面上に電子ビーム蒸着法でCr原子の真空蒸着を行い、その高分解能STM観察に成功した。平成25年度に行ったMBE作製(Zn,Cr)Teに対する断面STM観察結果との比較から、蒸着されたCrの多くは最表面のZn原子を置換して存在し、母体半導体ZnTeのエネルギーギャップ中に不純物準位を形成していることを明らかにした。
それと平行し、STMによる原子操作によってZnTe(110)表面上に単原子スケールの原子欠損を作製することに成功した。その欠陥周りのSTM観察から、欠陥の中心は正の電荷をもつことを示唆する結果が得られた。
これらの結果は、表面への磁性原子蒸着およびSTM原子操作によって、本表面上に単原子レベルの磁性ナノ構造を作製し、その磁性を表面欠陥によって誘起されるポテンシャルの変調によって人為的に制御できる可能性を示していると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2年目に当たる平成26年度は、半導体表面に吸着した磁性原子による低次元強磁性ナノ構造の作製と電荷ドープによる電子物性制御に向けた研究に着手した。特にZnTe表面を舞台に、Cr単原子の真空蒸着およびSTM原子操作によって原子スケールの欠陥を作製し、それらの電子状態を明らかにすることを行った。
本年度は、本補助金で購入した電子ビーム蒸着装置 (AVC社製 AEV-3) を稼働させ、蒸着時間等の最適化を行うことでZnTe(110)劈開表面に単一Cr原子が蒸着できる実験条件を確立し、その高分解能STM観察に成功した。 また走査トンネル分光 (STS) 測定によって吸着Cr周辺の電子状態を原子スケールで解析することに成功した。
さらに、STM探針からの電子注入によってZnTe(110)表面上に原子スケールの欠陥を作製することに成功し、そのSTM観察から欠陥の影響によってその周囲のポテンシャルが変調されることを明らかにした。
これらの結果は、表面への磁性原子蒸着およびSTM原子操作によって、本表面上に単原子レベルの磁性ナノ構造を作製し、その磁性を表面欠陥によって誘起されるポテンシャルの変調によって人為的に制御できる可能性を示していると考えられる。
このことから当初の目的をほぼ達成できており当課題は概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本課題の目的は、走査トンネル顕微鏡 (STM) によって希薄磁性半導体 (DMS) 中の磁性ドーパント周りの電子状態を詳細に測定することで未だ明らかになっていないII-VI属DMSの磁性発現のメカニズムを解明し強磁性ナノ構造作製へと応用することである。
これまでの研究で行った、分子線エピタキシー法で作製した(Zn,Cr)Teの断面STM観察およびZnTe(110)劈開表面に真空蒸着した単一Cr原子のSTM観察によって、Crが形成する不純物準位およびそれらの間に働く強磁性相互作用について多くのことが明らかになってきた。
これを踏まえ、今後はキャリアドープした(Zn,Cr)Teを対象としてそので不純物状態がどのように変化するかを単一原子スケールで明らかにする。具体的にはアクセプタードープで引き起こされるといわれるCr2+→Cr3+価数変化による不純物準位のエネルギー位置や軌道形状の変化をSTM観察によって調べる。主にZnTe(110)表面に吸着したCrを対象とし、電荷ドープの候補としては平成25年度に研究対象としたSTM電子注入で形成される原子スケールの表面原子欠損を用いることを考えている。さらに、これを応用することで人為的な不純物状態の制御を目指す。
これらの研究でDMSの磁性メカニズムを明らかにした後、半導体ZnTe表面に吸着させた磁性元素(Mn.Cr,Fe等)に対し、STM原子操作によって原子配列を制御することで強磁性ナノ構造を人為的に作製し、その物性を評価することを目標として研究を進めていく予定である。
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[Journal Article] Deposition and characterization of aluminum nitride thin films for a gate insulator2014
Author(s)
H. Oikawa, R. Akiyama, K. Kanazawa, S. Kuroda, I. Harayama, K. agashima, D. Sekiba, Y. Ashizawa, A. Tsukamoto, K. Nakagawa, N. Ota
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Journal Title
Thin Solid Films
Volume: 574
Pages: 110-114
DOI
Peer Reviewed
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