光電子分光法による磁性半導体の物性研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14076209
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 藤森 淳 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 教授 (10209108)
• 研究分担者: 溝川 貴司 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 助教授 (90251397)
• キーワード: 磁性半導体 / 光電子分光 / 磁気伝導 / 室温強磁性 / 軌道混成

研究概要

最近、室温を越える強磁性キューリー温度が報告され話題となっているZn_<1-x>Co_xN、Zn_<1-x>V_xO、Ga_<1-x>Mn_xNの基本的な電子構造と、磁性を担う遷移金属元素の状態を、光電子分光および内殻X線吸収磁気円二色性(MCD)の測定により調べた。放射光を用いた光電子分光は高エネ研フォトンファクトリー物性研ビームラインで、MCDはSpring-8原研専用ビームラインにおいて行った。試料の磁性は、光電子分光、MCD測定の前後で、SQUIDを用いた磁化測定により確認した。
内殻X線吸収スペクトルとMCDスペクトルの形状を多重項理論と比較し、Co、V、Mnのいずれも四面体配置の陽イオンZnまたはGaを置換し、2価にイオン化されていることが確認された。MCDの大きさは、強磁性を示すZn_<1-x>Co_xN、Zn_<1-x>V_xOについては強磁性磁化の大きさと矛盾のないもので、常磁性を示すGa_<1-x>Mn_xNについても、常磁性帯磁率と磁場から期待される大きさであった。
光電子分光の結果からは、Zn_<1-x>V_xO、Zn_<1-x>Co_xOにおいては、フェルミ準位は伝導帯の底付近に位置し、ドープされたキャリアーがn型であることが示された。遍歴電子がVあるいはCoの間の強磁性的相互作用を媒介する機構が示唆された。Ga_<1-x>Mn_xNについては、Mn置換によりフェルミ準位が伝導体の底から価電子帯の頂上付近にシフトし、ドープされたキャリアーがp型であることが示された。しかし、Mn置換で生じたアクセプタ準位はほぼ電子に占有されており。Mn置換で導入されたp型キャリアが補償されてしまっていることが示された。この補償が、Ga_<1-x>Mn_xNが強磁性になりにくい原因であると考えらる。

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-doped chalcopyrites"J.Phys.Chem.Solids. 64. 1461-1468 (2003)
• [文献書誌] Y.Ishida, D.D.Sarma, K.Okazaki, J.Okabayashi, J.I.Hwang, H.Ott, A.Fujimori, G.A.Medvedkin T.Ishibashi, K.Sato: "in situ photoemission study of the room-temperature ferromagnet ZnGeP_2:Mn""Phys.Rev.Lett.. 91. 107202-1-107202-4 (2003)
• [文献書誌] O.Rader, C.Pampuch, A.M.Shikin, W.Gudat, I.Okabayashi, T.Mizokawa, A.Fujimori, T.Hayashi, M.Tanaka, A.Tanaka, A.Kimura: "Resonant photoemission of Ga_<1-x>Mn_xAs at the Mn L-edge"Phys.Rev.B. 69. 075202-1-075202-7 (2004)
• [文献書誌] Y.Ishida, J.I.Hwang, M.Kobayashi, A.Fujimori, H.Saeki, H.Tabata, T.Kawai: "Photoemission study of the ferromagnetic diluted magnetic semiconductor Zn_<1-x>V_xO""Physica B. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] J.Okabayashi, K.Ono, M.Mizuguchi, M.Oshima, T.Mizokawa, A.Fujimori, S.Sen Gupta, D.D.Sarma, M.Yuri, C.T.Chen, T.Fukumura, M.Kawasaki: "X-ray absorption spectroscopy of transition-metal-doped dulited magnetic semiconductors Zn_<1-x>Mn_xO"J.Appl.Phys.. (印刷中). (2004)