スピン偏極ＳＴＭとＸＭＣＤによる窒化鉄ナノ磁性体の磁気異方性の解明

• 研究課題/領域番号: 15J10476
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: ナノ構造物理
• 研究機関: 東京大学
• 特別研究員: 高橋 文雄 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 1,700千円 (直接経費: 1,700千円); 2016年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2015年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 鉄窒化物 / 磁性 / 電子状態 / X線吸収/磁気円二色性 / 走査トンネル顕微鏡/分光法 / 磁気異方性 / スピン偏極走査トンネル顕微鏡/分光法

研究実績の概要

Cu(001)基板上に作製された原子層鉄窒化物Fe4Nにおける構造と電子・磁気状態および磁気異方性との関係を探るため、まずは過去に例のない良質な単原子層膜の作製法確立を目指した。放射光施設UVSOR BL-4BにおいてX線吸収/磁気円二色性(XAS/XMCD)測定を行い、アニール温度と試料磁化の大きさとの関係を調べた結果、アニール温度が低い試料においては、それが高い試料に比べてFe原子のスピン磁気モーメント(Mspin)が半分程度に低下することが分かった。さらに走査トンネル顕微鏡/分光法(STM/STS)を用いてアニール温度差による表面構造および電子状態の違いを原子分解能で詳細に調べると、アニール温度が低い試料の表面にはFe原子点欠陥が少量見られ、またその欠陥周りでは欠陥の大きさの何倍もの領域に渡って電子状態が変調されていることが分かり、試料の平均的磁性の大幅な低下との関連性が示唆された。
複数原子層Fe4N/Cu(001)の成長様式と、その構造・次元性と電子・磁気状態との関係を探った研究では、STM実験から単原子層の次に安定かつ表面に大面積でできるFe4Nは三原子層であることが分かった。さらなるXMCD測定により、Fe原子のMspinは単原子層から三原子層Fe4Nへと膜厚を増やすと大きく増加することが分かった。その物理的起源を探るため、Cu(001)基板上の単原子層および三原子層Fe4Nに対して、原子サイトごとの局所状態密度計算および磁気モーメント計算を行った。その結果、Fe原子の磁気モーメントは原子サイトの配位および環境に非常に敏感であることが分かり、実験結果をよく説明した。
以上の結果、今まで良質な試料が得られてこなかった原子層膜Fe4N/Cu(001)の初めての作製に成功し、そのミクロな構造とマクロな電子・磁気状態との関係解明に至った。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] MPI Halle(Germany)
• [雑誌論文] Thickness-dependent electronic and magnetic properties of γ’-Fe4N atomic layers on Cu(001) (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Takahashi, T. Miyamachi, S. Nakashima, N. Kawamura, Y. Takagi, M. Uozumi, V. Antonov, T. Yokoyama, A. Ernst, F. Komori
  • 雑誌名: arXiv 巻: arXiv:1702.01509 ページ: 1-9
  • オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Orbital Selectivity in Scanning Tunneling Microscopy: Distance-Dependent Tunneling Process Observed in Iron Nitride (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Takahashi, T. Miyamachi, K. Ienaga, N. Kawamura, A. Ernst, and F. Komori
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 116 ページ: 0568021-5
  • DOI: 10.1103/physrevlett.116.056802
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Room-temperature local ferromagnetism and its nanoscale expansion in the ferromagnetic semiconductor Ge1-xFex (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. K. Wakabayashi, S. Sakamoto, Y. Takeda, K. Ishigami, Y. Takahashi, Y. Saitoh, H. Yamagami, A. Fujimori, M. Tanaka, and S. Ohya
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1038/srep23295
  • NAID: 120006502155
  • URL: http://arxiv.org/abs/1502.00118
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Magnetization Process of the n-type Ferromagnetic Semiconductor (In,Fe)As:Be Studied by X-ray Magnetic Circular Dichroism (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Sakamoto, L. D. Anh, P. N. Hai, G. Shibata, Y. Takeda, M. Kobayashi, Y. Takahashi, T. Koide, M. Tanaka, and A. Fujimori
  • 雑誌名: Phys. Rev. 巻: 93 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.035203
  • NAID: 120006502175
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thickness-dependent magnetic properties and strain-induced orbital magnetic moment in SrRuO3 thin films (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Ishigami, K. Yoshimatsu, D. Toyota, M. Takizawa, T. Yoshida, G. Shibata, T. Harano, Y. Takahashi, T. Kadono, V. K. Verma, V. R. Singh, Y. Takeda, T. Okane, Y. Saitoh, H. Yamagami, T. Koide, M. Oshima, H. Kumigashira, and A. Fujimori
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.064402
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Photoemission and x-ray absorption studies of the isostructural to Fe-based superconductors diluted magnetic semiconductor Ba1-xKx(Zn1-yMny)2As2 (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Suzuki, K. Zhao, G. Shibata, Y. Takahashi, S. Sakamoto, K. Yoshimatsu, B. J. Chen, H. Kumigashira, F.-H. Chang, H.-J. Lin, D. J. Huang, C. T. Chen, Bo Gu, S. Maekawa, Y. J. Uemura, C. Q. Jin, and A. Fujimori
  • 雑誌名: Physical Review B (Rapid communications) 巻: 91 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.91.140401
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [学会発表] Layer-dependent electronic and magnetic structures in iron-nitride multilayers (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Takahashi, T. Miyamachi, S. Nakashima, Y. Takagi, M. Uozumi, T. Yokoyama, V. Antonov, A. Ernst, F. Komori
  • 学会等名: JPS 2017 Annual meeting
  • 発表場所: Osaka Univ. (Toyonaka, Osaka)
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] Impact of atomic defects on macroscopic ferromagnetism of mon atomic-layer iron nitride (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Takahashi, T. Miyamachi, S. Nakashima, V. Antonov, Y. Takagi, M. Uozumi, T. Yokoyama, A. Ernst, F. Komori
  • 学会等名: SSSJ's 36th Annual Meeting and VSJ's 57th Annual Symposium
  • 発表場所: Nagoya Congress Center (Nagoya, Aichi)
  • 年月日: 2016-11-29
• [学会発表] Influence of atomic defects on macroscopic ferromagnetism of monatomic-layer iron nitride (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Takahashi, T. Miyamachi, S. Nakashima, V. Antonov, Y. Takagi, M. Uozumi, T. Yokoyama, A. Ernst, F. Komori
  • 学会等名: JPS 2016 Autumn meeting
  • 発表場所: Kanazawa Univ. (Kanazawa, Ishikawa)
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Influence of atomic-scale disorder on ferromagnetism of monatomic-layer iron nitride (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Takahashi, T. Miyamachi, V. Antonov, Y. Takagi, M. Uozumi, T. Yokoyama, A. Ernst, F. Komor
  • 学会等名: European Conference on Surface Science (ECOSS32)
  • 発表場所: Grenoble, France
  • 年月日: 2016-08-28
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] 鉄窒化物数原子層薄膜の磁性および電子状態 (2016)
  • 著者名/発表者名: 高橋文雄, 宮町俊生, Antonov Victor, 高木康多, 魚住まどか, 横山利彦, Ernst Arthur, 小森文夫
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-03-22
• [学会発表] 走査トンネル顕微鏡法における軌道選択的トンネル現象 (2015)
  • 著者名/発表者名: 高橋文雄, 宮町俊生, 家永紘一郎, 河村紀一, Ernst Arthur, 小森文夫
  • 学会等名: 2015年真空・表面科学合同講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2015-12-02
• [学会発表] 化合物系での走査トンネル顕微鏡測定における軌道選択的トンネル現象 (2015)
  • 著者名/発表者名: 高橋文雄, 宮町俊生, 家永紘一郎, 河村紀一, Ernst Arthur, 小森文夫
  • 学会等名: 表面・界面スペクトロスコピー2015
  • 発表場所: 国立女性教育会館（埼玉県比企郡嵐山町）
  • 年月日: 2015-11-27
• [学会発表] 鉄窒化物薄膜の構造と磁性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 高橋文雄, 宮町俊生, 高木康多, 魚住まどか, 家永紘一郎, 河村紀一, Ernst Arthur, 横山利彦, 小森文夫
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2015-09-19
• [学会発表] Inherent orbital-selective tunneling in a STM measurement (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Takahashi, K. Ienaga, N. Kawamura, T. Miyamachi, A. Ernst, F. Komori
  • 学会等名: The 20th International Conference on Magnetism(ICM2015)
  • 発表場所: Palau de Congressos de Catalunya, Pl. Europa, L' Hospitalet del Llobregat, Barcelona, Spain
  • 年月日: 2015-07-10
  • 国際共著/国際学会である