カルコパイライト系室温強磁性半導体の物性評価

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13305003
• 研究機関: 東京農工大学
• 研究代表者: 佐藤 勝昭 東京農工大学, 工学部, 教授 (50170733)
• 研究分担者: 浅野 肇 筑波大学, 物質工学系, 教授 (90005934) ; 佐藤 英行 東京都立大学, 理学研究科, 教授 (80106608) ; 高梨 弘毅 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (00187981) ; 今田 真 大阪大学, 基礎工学研究科, 講師 (90240837) ; 赤井 久純 大阪大学, 理学研究科, 教授 (70124873)
• キーワード: 有機金属ガスソースMBE法 / カルコパイライト型半導体 / 光電子スペクトル / SQUID磁化測定 / 第1原理計算 / 空孔 / 置換欠陥 / 強磁性

研究概要

II-IV-V_2族カルコパイライト系磁性半導体のエピタキシャル薄膜を作製するため、MOMBE装置の整備を行った。この装置を用い、Cdソースとしてトリエチルカドミウム(TECd)、Geソースとしてテトラメチルゲルマニウム(TMGe)、Pソースとしてターシャリーブチルフォスフィン(TBP)を用い、GaAs基板上にCdGeP_2薄膜の低圧MOMBE成長を試みた。ガス流量、基板温度等の多様な組み合わせで成膜実験を行ったが、基板表面が荒れるだけで、何らの薄膜も成長しなかった。原因を調べたところ、TMGeおよびTBPの分解が起きていないことが明らかになった。このため、CdおよびGeのソースを固体ソースに代えるとともに、TBPのクラッキングを行うこととした。このため、Cd, GeのK-セルおよびクラッキングセルを自作した。新しい成膜装置が完成し、成膜実験を開始した。
ZnGeP_2単結晶を基板としMnを堆積・拡散したのち、アルゴン・スパッタエッチングで深さ方向に掘り進めながら光電子スペクトルをその場観察した。この結果、表面にはMnを含む金属的な層が形成されているが、掘り進むと、Mn^<2+>による信号が現れ、磁性半導体層が形成されていることがわかった。また、SQUID測定の結果、室温において明瞭なヒステリシスを示す強磁性が観測され、その磁化の大きさは、表面の金属層を除去してもほとんど減少せず、磁性半導体層に,起因していることが明らかになった。
第1原理計算によって、カルコパイライト系において強磁性が発現する条件を検討した。その結果、MnがII族サイトを置換する場合の生成エンタルピーは低いが、スピングラス層が安定で強磁性が発現しないが、II族サイトに空孔や置換欠陥が存在すると強磁性相が安定化することが示された。

研究成果

• [文献書誌] K.Sato, G.A.Medvedkin, T.Ishibashi, S.Mitani, K.Takanashi, Y.Ishida, D.D.Sarma, J.Okabayashi, A.Fujimori, T.Kamatani, H.Akai: "Novel Mn-deped Chalcopyrites"J.Phys.Chem.Solids. (to be published).
• [文献書誌] K.Sato, G.A.Medvedkin, T.Ishibashi: "Room temperature ferromagnetism in novel magnetic semiconductor based on the II-IV-V2 chalcopyrite compounds"J.Crystal Growth. 237-239. 1363-1369 (2002)
• [文献書誌] K.Hirose, G.A.Medvedkin, T.Ishibashi, T.Nishi, K.Sato: "Growth of (Cd, Mn)GeP_2 ferromagnetic semiconductor"J.Cryst.Growth. 237-239. 1370-1373 (2002)
• [文献書誌] G.A.Medvedkin, K.Hirose, T.Ishibashi, T.Nishi, V.G.Voevodin, K.Sato: "New Magnetic Materials in ZnGeP_2-Mn Chalcopyrite System"J.Cryst.Growth. 236. 609-612 (2002)
• [文献書誌] P.G.Baranov, S.I.Goloshchapov, G.A.Medvedkinl, T.Ishibashi, K.Sato: "Magnetic Resonance in ZnGeP_2 and (Zn,Mn)GeP_2"J. Superconductivity : Incorporating Novel Magnetism (JOSC). 16[1]. 131-133 (2003)