コンビナトリアル手法による強相関磁性薄膜・超格子の高速合成と高速物性評価

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12046233
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 川崎 雅司 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (90211862)
• キーワード: コンビナトリアル手法 / 薄膜・超格子 / 強相関 / 磁性 / コンポジションスプレッド薄膜 / 酸化物 / 高速合成 / 高速評価

研究概要

本研究では、酸化物薄膜技術をフルに生かしたコンビナトリアルレーザーMBE法を用いて高速にかつ系統的に磁性薄膜および超格子を作製してその構造評価や物性評価を行うことにより、遷移金属酸化物の薄膜・物性研究に対するガイドラインを提案し、新規物性を探索することを目的としている。
薄膜作製に関して、(1)基板温度傾斜法(薄膜作製の最適化や成長モードの温度制御を高速に行う)、(2)コンポジションスプレッド薄膜作製(単一基板上に組成を連続的に変化させた化合物薄膜を作製)、(3)パラレル超格子作製(単一基板上に周期が異なる超格子群を作製)、といったコンビナトリアル手法の要素技術を開発し、Mn酸化物、Ti酸化物、Cu酸化物といった強相関材料に適用した。特に、巨大な第三次非線形光学効果を示すSr_2CuO_3薄膜とCa_2CuO_3薄膜のコンポジションスプレッド薄膜の作製に対しては、基板温度傾斜法を用いて、各組成での最適温度に合うように薄膜作製温度に傾斜をつけ、さらに、格子定数の異なる全ての組成域においてCu-O鎖が薄膜面内に配列しているエピタキシャル配向が実現するように、格子定数を連続的に変化させたバッファー層を開発し、実際に全組成域でのエピタキシャル成長に成功した。その結果、全組成領域で巨大な非線形光学効果を発現させることに成功した。
物性評価法に関しては、磁性評価には磁場感度が非常に高く空間分解能も高い走査型スクイッド顕微鏡を適用し、非線形光学特性評価には第三次非線形光学効果を局所的に評価できる非線形光学効果テスターを理研と共同で開発し、上述のCu酸化物のコンポジションスプレッド薄膜の非線形光学効果の組成依存性を高速評価することに成功した。また、一括XRD装置の開発により、結晶構造評価を高速に行い、電気特性評価では、各試料の電気的絶縁をとるためのリソグラフィー技術や高速ボンディング技術を確立して、試料の測定速度を高速化した。

研究成果

• [文献書誌] M.Ohtani, T.Fukumura, M.Kawasaki, K.Omote, T.Kikuchi, J.Harada, H.Koinuma: "Concurrent evaluation of strain in heteroepitaxial thin films with continuous lattice mismatch spread"Appl.Phys.Lett.. (in press).
• [文献書誌] Y.Okimoto, Y.Ogimoto, M Matsubara, Y.Tomioka, T.Kageyama, T.Hasegawa, H.Koinuma, M.Kawasaki, Y.Tokura: "Direct observation of photoinduced magnetization in a relaxor ferromagnet"Appl.Phys.Lett.. 80. 1031-1032 (2002)
• [文献書誌] H.Yamada, M.Kawasaki, Y.Tokura: "Epitaxial Growth and Valence Control of Strained Perovskite SrFeO_3 Films"Appl.Phys.Lett.. 80. 622-624 (2002)
• [文献書誌] S.Shinomori, M.Kawasaki, Y.Tokura: "Orientation-controlled epitaxy and anisotropic properties of La_<2-X>Sr_xNiO_4 with 0.5<x< 1.5 covering the doping-induced insulator-metal transition"Appl.Phys.Lett.. 80. 574-576 (2002)
• [文献書誌] T.Koida, D.Komiyama, H.Koinuma, M.Ohtani, M.Lippmaa, M.Kawasaki: "Temperature-Gradient Epitaxy Under in situ Growth Mode Diagnostics by Scanning Reflection High-Energy Electron Diffraction"Appl.Phys.Lett.. 80. 565-567 (2002)
• [文献書誌] S.Shinomori, Y.Okimoto, M.Kawasaki, Y.Tokura: "Insulator-Metal Transition in La_<2-X>Sr_XNiO_4"J.Phys.Soc.Jpn.. 71. 705-708 (2002)
• [文献書誌] Y.Okimoto, Y.Konishi, M.Izuini, T.Manako, M.Kawasaki, Y.Tokura: "Orbital-driven Variation of Electronic Structures in Tetragonal La_<1/2>Sr_<1/2>MnO_3 as Investigated by Optical Spectroscopy"J.Phys.Soc.Jpn.. 71. 613-617 (2002)
• [文献書誌] N.Nakagawa, M.Lippmaa, K.Shibuya, H.Koinuma, M.Kawasaki: "Magnetic and Transport Properties of Mn-Based Fractional-layer Oxide Superlattices"Jpn.J.Appl.Phys.. Pt-2Vol.41. L302-L304 (2002)
• [文献書誌] H.Kishida, M.Ono, K.Miura, H.Okamoto, M.Izumi, T.Manako, M.Kawasaki, Y.Taguchi, Y.Tokura, T.Tohyama, K.Tsutsui, S.Maekawa: "Large Third-Order Optical Nonlinearity of Cu-O Chains Investigated by Third-Harmonic Generation Spectroscopy"Phys.Rev.Lett.. 87. 177401 (2001)
• [文献書誌] M.Ohtani, T.Fukumura, M.Kawasaki, K.Omote, T.Kikuchi, J.Harada, A.Ohtomo, M.Lippmaa, T.Ohnishi, D.Komiyama, R.Takahashi, Y Matsumoto, H.Koinuma: "Concurrent x-ray diffractometer for high throughput structural diagnosis of epitaxial thin films"Appl.Phys.Lett.. 79. 3594-3596 (2001)
• [文献書誌] T.Manako, Y.Okimoto, M.Izumi, S.Shinomori, M.Kawasaki, H.Kishida, H.Okamoto, T.Fukumura, M.Ohtani, Y.Tokura: "Orientation-controlled epitaxy of A_2CuO_3 (A : Sr, Ca) films with large optical nonlinearity"Appl.Phys.Lett.. 79. 1754-1756 (2001)
• [文献書誌] K.S.Takahashi, M.Kawasaki, Y.Tokura: "Interface ferromagnetism in oxide superlattices of CaMnO_3/CaRuO_3"Appl.Phys.Lett.. 79. 1324-1326 (2001)
• [文献書誌] T.Ohnishi, D.Komiyama, T.Koida, S.Ohashi, C.Stauter, H.Koinuma, A.Ohtomo, M.Lippmaa, N.Nakagawa, M.Kawasaki, T.Kikuchi, K.Omote: "Parallel integration and characterization of nanoscaled epitaxial lattices by concurrent molecular layer epitaxy and diffractometry"Appl.Phys.Lett.. 79. 536-538 (2001)
• [文献書誌] M.Izurni, Y.Ogimoto, Y.Okimoto, T.Manako, P.Ahmet, K.Nakajima, T.Chikyow, M.Kawasaki, Y.Tokura: "Insulator-metal transition induced by interlayer coupling in La_<0.6>Sr_<0.4>MnO_3/SrTiO_3 superlattices"Phys.Rev.B. 64. 064429 (2001)
• [文献書誌] Y.K.Yoo, F.Duewer, T.Fukumura, H.Yang, D.Yi, S.Liu, H.Chang, T.Hasegawa, M.Kawasaki, H.Koinuma, X.-D.Xiang: "Strong correlation between high -temperature electronic and low -temperature magnetic ordering in La_<1-x>Ca_xMnO_3 continuous phase diagram"Phys.Rev.B. 63. 224421 (2001)
• [文献書誌] T.Kageyama, T.Hasegawa, T.Koida, M.Ohtani, T.Fukumura, M.Kawasaki, H.Koinuma: "Local magnetic measurements of composition-spread manganese oxide thin films with a scanning SQUID microscope"Appl. Phys. A. 72. S273-S276 (2001)
• [文献書誌] T.Fukumura, M.Ohtani, J.Nishimura, T.Kageyama, T.Koida, M.Lippmaa, M.Kawasaki, T.Hasegawa, H.Koinuma: "Temperature-gradient and composition-spread deposition of epitaxial oxide films and high throughput characterization"Proc.SPIE. 4281. 17-26 (2001)
• [文献書誌] 川崎雅司, 牧野哲征, 瀬川勇三郎, 鯉沼秀臣: "コンビナトリアル酸化亜鉛超格子研究"応用物理. 70. 523-529 (2001)
• [文献書誌] 福村知昭, 川崎雅司, 鯉沼秀臣: "透明希薄磁性酸化物:コンビナトリアル技術による探索"応用磁気学会誌. 5. 1573-1579 (2001)
• [文献書誌] 川崎雅司(分担執筆): "酸化物エレクトロニクス"培風館. 64 (2001)