非平衡マルチフェロイックス界面の超軌道分裂による新奇巨大界面応答

計画研究

研究領域	超軌道分裂による新奇巨大界面応答
研究課題/領域番号	23H03803
研究種目	学術変革領域研究(B)
配分区分	補助金
審査区分	学術変革領域研究区分(Ⅱ)
研究機関	名古屋大学
研究代表者	永沼博名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 特任准教授 (60434023)
研究期間 (年度)	2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス	交付 (2024年度)
配分額 *注記	55,900千円 (直接経費: 43,000千円、間接経費: 12,900千円) 2024年度: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円) 2023年度: 19,370千円 (直接経費: 14,900千円、間接経費: 4,470千円)
キーワード	マルチフェロイックス / 超軌道分裂 / 界面マルチフェロイックス / 薄膜 / 二次元界面 / 非平衡マルチフェロイックス界面 / 新奇巨大界面応答 / 走査電子顕微鏡 / 第一原理計算
研究開始時の研究の概要	界面マルチフェロイックを利用したトンネル接合素子において、室温であらわれたColossal Interfacial Response(CIR)現象について、高度な解析技術と理論的理解の両方を用いて明らかにし、そのCIR効果を最大化させるための学理を構築する。さらに、CIR現象の有効な利用方法として、超高感度トランスデューサー素子が期待されるため、本課題の最終目標は、超微弱な外場(磁場、熱、応力など)を高効率に電気信号にて検出するデバイスを創製することである。
研究実績の概要	界面マルチフェロイックストンネル接合素子において、室温で巨大界面応答(Colossal Interfacial Response: CIR)現象を発見した。このCIRは、界面における電子軌道の特異的な「超軌道分裂」が起源であると推察している。本研究では、[i] この物理現象を理解するため、走査型電子顕微鏡(STEM)により、非平衡マルチフェロイックス界面の微細な原子変位と電子構造を解析し、第一原理計算によりCIR現象の理論的な理解を深める。[ii] これらの知見をもとに、さらに巨大なCIR効果が実現できる界面構造を提案・作製する。[iii] 非平衡界面マルチフェロイックスのCIRを利用して巨大な磁場/電場応答性能を有する磁気センサ/磁気メモリを創製することが最終目的となる。令和5年度は[i]を実施することを計画していた。その結果、走査透過電子顕微鏡により界面構造を観察したところ、高角度散乱暗視野および環状明視野像の両方の像から界面近傍に1 nmの厚さの界面層が形成していることがわかった。そこで、界面層に沿って電子エネルギー損失分光法測定を行い、界面の酸素原子の電子状態を調べた。その結果、界面層では酸素八面体から構造が変化しており、これは酸素が界面層にて欠損していることが推察された。また、界面層に沿ってエネルギー分散型蛍光X線測定を行ったところ、キャップ層のCoの一部がBiFeO3層に侵入して界面層が形成していることがわかった。つまり、界面層はBi(Fe,Co)Oxとなっていることが走査透過電子顕微鏡によりわかってきた。続いて、STEM観察結果を理解するために、スーパーコンピューター富岳を用いて第一原理計算により、酸素欠損とCo置換の影響について包括的に調べた。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 1: 当初の計画以上に進展している理由本研究では、以下の3つの項目の研究を実施することを計画している。 [i]走査型電子顕微鏡(STEM)により、非平衡マルチフェロイックス界面の微細な原子変位と電子構造を解析し、第一原理計算によりCIR現象の理論的な理解を深める。[ii] これらの知見をもとに、さらに巨大なCIR効果が実現できる界面構造を提案・作製する。[iii] 非平衡界面マルチフェロイックスのCIRを利用して巨大な磁場/電場応答性能を有する磁気センサ/磁気メモリを創製する。令和5年度は[i]の研究内容に重点を置くことを研究実施計画に記していた。走査透過型電子顕微鏡観察実験については、界面層について高角度散乱暗視野と環状明視野像を用いて確認し、さらに、電子エネルギー損失分光法測定およびエネルギー分散型蛍光X線測定を用いて、界面層の特異な電子状態および原子拡散状態を明らかにすることができた。これは、当初の実施計画に沿った成果である。また、この界面層の構造解析の結果は理論研究の計算コストを低減させることができた。しかし、それでも酸素欠損のサイトおよびCoのFe置換サイトのパターンは多く、通常の計算機では多くの時間を要する。そこで、スーパーコンピューター富岳を用いて包括的・網羅的な計算を行った。計算手法を適切に選択できたのはA01班とA03班の綿密な連携・相談による結果であるといえる。さらに、高エネルギー加速器研究機構の実験ではX線磁気円二色性(XMCD)に加えて、X線線磁気二色性(XMLD)の測定に成功した。申請当初の計画にはなかったが、深さ分解XMCD測定の解析を進めていく過程において、XMLDが必要であることが判明し、令和5年度中にXMLDピークを測定することに成功した。これは当初の計画以上の成果となる。以上の述べたことから、令和5年度は、実施計画以上の進捗があったと判断して、(1)評価とした。
今後の研究の推進方策	X線磁気円二色性(XMCD)は強磁性の磁気構造においてピークが得られる。一方、令和5年度で新たに取り組んだX線磁気線二色性(XMLD)は反強磁性の磁気構造においてピークを得ることができる。本研究課題の申請に先立つ予備実験として、深さ分解XMCD測定を行っている。その結果、界面付近に強磁性のような磁気秩序に起因したXMCDピークを観測することができた。しかし、深さ分解XMCDのピーク強度はなだらかに減少しているようであり、走査透過電子顕微鏡による構造解析による結果に定量的な整合性がない。そこで、深さ分解XMCDに加えて、深さ分解XMLD測定を行うことにより、磁気的な測定手法により界面層の厚さを決定する評価を令和6年度に行いたいと考えている。これは、本課題申請当時には計画していなかったが、研究の進捗に合わせて必要不可欠となったため、令和6年度に実施する計画に加えた。深さ分解XMLDにより精度高く磁気構造を理解できることから、超軌道分裂の学理構築に寄与することが期待される。令和6年度は、令和5年度に引き続き、スーパーコンピューター富岳を用いて行われた第一原理計算の解析を進めていく。さらに、第一原理計算の結果と深さ分解XMLDおよび構造解析の実験結果を比較して、さらに大きなCIRが得られる手段を明らかにしていく計画である。これら成果の一部、つまり界面層に関する成果をまとめて、学術論文もしくは学会にて発表し、広く公知する計画にある。