鉄をドープした強磁性半導体の電子構造と強磁性発現機構の解明

• 研究課題/領域番号: 17J04651
• 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: 物性Ⅱ(実験)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 坂本 祥哉 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2017-04-26 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 2,100千円 (直接経費: 2,100千円); 2017年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
• キーワード: 強磁性半導体 / スピントロ二クス / X線磁気円二色性 / 光電子分光 / 第一原理計算 / 放射光 / 磁性 / 半導体

研究実績の概要

本研究では、Feをドープした新しい強磁性半導体の電子構造と強磁性発現の機構を解明することを目的とした。従来までのMnをベースとした強磁性半導体は、p型の電気伝導しか実現できないことや、強磁性転移温度が室温より低いという問題を抱えていた。Feをドープした系では、p型だけでなく、n型や絶縁的な強磁性半導体が実現できる。また、(Ga,Fe)Sbや(In,Fe)Sbといった物質で、室温より高い強磁性転移温度が報告され注目を集めている。
2017年度は、これまでに研究してきた(In,Fe)As:Be、Ge:Feに加え、(Ga,Fe)Sbと(Al,Fe)Sbに対してX線磁気円二色性(XMCD)、共鳴光電子分光実験を行った。さらに第一原理計算も系統的に行った。
共鳴光電子分光の実験では、Feの2p-3d吸収端において大きなオージェピークが観測され、Feの3d電子が遍歴性を持つことがわかった。またフェルミ準位においても、光電子スペクトルの共鳴増大が観測され、Feの3d状態がフェルミ準位に存在することがわかった。XMCD実験では、Feの2p-3d吸収端において大きなXMCD信号が観測され、この物質の磁性がFeに由来することが確認された。XMCDから求めた磁化は強磁性転移温度以上でも磁場に強く応答し、高温でもナノスケールの強磁性領域が存在することが明らかになった。この原因はFe原子が空間的に不均一に分布しているためと考えられる。第一原理計算からは、Feが3価であるという当初の予想に反し、Feの3d電子数が6であることが示唆された。これは、Sb系の半導体の価電子帯のエネルギーが高いために、電子が価電子帯に存在するより、3d軌道を占有した方がエネルギー的に安定であるためと考えらえる。また、このような状況で特に高い強磁性転移温度が実現していることから、この6つ目の電子が強磁性発現の鍵であると結論した。

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Western Digital(米国)
• [国際共同研究] 中国科学院(中国)
• [国際共同研究] コロンビア大学(米国)
• [雑誌論文] Anisotropic spin-density distribution and magnetic anisotropy of strained La1-xSrxMnO3 thin films: Angle-dependent x-ray magnetic circular dichroism (2018)
  • 著者名/発表者名: G. Shibata, M. Kitamura, M. Minohara, K. Yoshimatsu, T. Kadono, K. Ishigami, T. Harano, Y. Takahashi, S. Sakamoto, Y. Nonaka, K. Ikeda, Z. Chi, M. Furuse, S. Fuchino, M. Okano, J. Fujihira, A. Uchida, K. Watanabe, H. Fujihira, S. Fujihira, A. Tanaka, H. Kumigashira, T. Koide, and A. Fujimori
  • 雑誌名: npj Quantum Materials 巻: VOL. 3 号: 1 ページ: 3-3
  • DOI: 10.1038/s41535-018-0077-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of cobalt substitution in L10-(Fe,Co)Pt thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Sakamoto, K. Srinivasan, R. Zhang, O. Krupin, K. Ikeda, G. Shibata, Y. Nonaka, Z. Chi, M. Sakamaki, K. Amemiya, A. Fujimori, and A. Ajan
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: VOL. 96 号: 14
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.144437
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electronic structure and magnetic properties of magnetically dead layers in epitaxial CoFe2O4/Al2O3/Si(111) films studied by x-ray magnetic circular dichroism (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. K. Wakabayashi, Y. Nonaka, Y. Takeda, S. Sakamoto, K. Ikeda, Z. Chi, G. Shibata, A. Tanaka, Y. Saitoh, H. Yamagami, M. Tanaka, A. Fujimori, and R. Nakane
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: VOL. 96 号: 10 ページ: 104410-104410
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.104410
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic anisotropy of L10-ordered FePt thin films studied by Fe and Pt L2,3-edges x-ray magnetic circular dichroism (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Ikeda, T. Seki, G. Shibata, T. Kadono, K. Ishigami, Y. Takahashi, M. Horio, S. Sakamoto, Y. Nonaka, M. Sakamaki, K. Amemiya, N. Kawamura, M. Suzuki, K. Takanashi, and A. Fujimori
  • 雑誌名: APPLIED PHYSICS LETTERS 巻: 111 号: 14 ページ: 142402-142402
  • DOI: 10.1063/1.4993077
  • 査読あり
• [学会発表] XMCDによるFeドープ強磁性半導体の磁化過程の研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 坂本祥哉
  • 学会等名: スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワークシンポジウム
• [学会発表] XMCD studies of the magnetization process of the Fe-doped ferromagnetic semiconductors (2018)
  • 著者名/発表者名: 坂本祥哉
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Large perpendicular magnetic anisotropy of the new ferromagnetic semiconductor (Ba,K)(Zn,Mn)2As2 single crystal (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂本祥哉
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] XMCD study on large perpendicular magnetic anisotropy of the new ferromagnetic semiconductor (Ba,K)(Zn,Mn)2As2 single crystal (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂本祥哉
  • 学会等名: Junjiro Kanamori Memorial International Symposium
• [学会発表] 光電子分光、XMCD、第一原理計算から見たFeドープ強磁性半導体 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂本祥哉
  • 学会等名: 第１回CSRN-Tokyo Workshop 2017
  • 招待講演
• [学会発表] Soft x-ray spectroscopy and first-principles calculation studies of the electronic structure of the novel high-TC ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂本祥哉
  • 学会等名: INTERMAG 2017
  • 国際学会