磁性体ドットを埋め込んだ半導体薄膜と光変調磁性

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12450007
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 宗片 比呂夫 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (60270922)
• キーワード: 磁性体・半導体融合構造 / GaAs / Fe / 超常磁性 / ナノクラスター / 光誘起磁性 / 分子線エピタキシー / 光磁気記録

研究概要

平成12年度の研究で、GaAs(100)基板上にGaAsとFeとを交互に堆積して得られるGaAs-Feグラニュラー構造試料で、光照射により試料の磁化率が可逆的に変化する光変調磁性を室温において見出したが、試料の微視的構造が複雑であったために、この現象を担う微小構造の同定とその発現機構が不明であった。平成13年度は、透過電子顕微鏡(TEM)による試料断面観察と超常磁性モデルによる詳細な解析とを組み合わせてこれらの課題を精密に検討した結果、1nm以下の極微小な強磁性微粒子が光磁性に関与していることを確定した。
この結果を受けて、制御性のより優れた試料の作製方法を研究した結果、Ga、Fe、およびAsビームを同時にGaAs(100)基板に堆積させる「混晶形成プロセス」においてFe濃度が約10%を超えると、Fe系強磁性微粒子が膜中で自己形成され、このような手法を用いると比較的簡便に光変調磁性を示す試料を作製できることを見出した。具体的にはFeビーム強度と基板温度(摂氏300-600度)を系統的に変化させて作製した一連の試料の磁性を調べた結果、その基板温度が摂氏300度前後では反強磁性FeAs-likeな結晶の析出が効果的に抑制でき、かつ、Feビーム強度の変化にともなって微粒子の大きさと分布状況が異なる様々な試料を作製できることがわかった。また、粒径が比較的おおきな(3nm以上)微粒子が少ない試料においては、0.5テスラという比較的低い印加磁場においても光変調磁化が明りように観測された。また、粒子の平均距離や平均サイズが1-2nn1以下と減少するにつれて、磁化変化が増大することを見出した。このサイズは金属の量子サイズ効果が顕われ始める領域であり、次年度はこの効果を取り入れた光変調磁性の定量的モデルの構築と磁化変化の更なる増大に関する実験を行うことを計画している。さらに、もう一つの複合素材としてGaN-Mn系の分子線エピタキシーの研究を開始し、作製条件を制御することで、混晶系素材と複合系素材の両者を得ることができることを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] S.Haneda, S.Koshihara, H.Munekata: "Formation of FeAs and Fe crystallites in GaAs -Fe composite structures and their roles in light -enhanced magnetization"Physica E.. 10. 437-441 (2001)
• [文献書誌] Y.L.Soo, G.Kioseoglou, S.Huang, S.Kim, Y.H.Kao, Y.Takatani, S.Haneda, H.Munekata: "Local structures around Fe in diluted magnetic semiconductors Ga_<1-x>Fe_xAs studied by x -ray absorption fine stiructure"Phys. Rev. B.. 63. 195209-195212 (2001)
• [文献書誌] P.Fumagalli, G.Sommer, H.Lippitz, S.Haneda, H.Munekata: "Observation of reversed hysteresis loops and negative coercivity in granular GaAs -Fe hybrid structures"J.Appl. Phys.. 89. 7015-7017 (2001)
• [文献書誌] H.Munekata: "Photoinduced Magnetism in Senilconductor -Based Structures"Journal of Superconductivity, Incorporating Novel Magnetism. 14. 205-210 (2001)
• [文献書誌] Y.Kuwabara, T.Kondo, T. Chkyow, P.Ahmet, H.Munekata: "Molecular Beam Epitaxy of Wurtzite GaN -Based Magnetic Alloy Semiconductors"Jpn. J. Appl. Phys.. 40. L724-L727 (2001)
• [文献書誌] Y.L.Soo, G.Kioseoglou, S.Kim, S.Huang, Y.H.Kao, S.Kuwabara, S.Owa, T.Kondo, H.Munekata: "Local Structure and Chemical Valency of Mn Impurities in Wide -Baudgap III-V Magnetic Alloy Semiconductors Ga_<1-x>Mn_xN"Appl. Phys. Lett.. 79. 3926-3928 (2001)