金属磁性体と半導体の原子層制御界面の磁性と光スピン機能性

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15360002
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 村山 明宏 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教授 (00333906)
• 研究分担者: 富田 卓朗 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (90359547)
• キーワード: 磁性半導体ナノ構造 / 半導体・磁性体原子層制御界面 / 半導体・磁性体ハイブリッド構造 / 光スピン機能性

研究概要

本研究では、CoやMnなどの金属磁性体と、ZnSe系化合物半導体、特に"巨大磁気光学効果"を示すZnMnSeなどの磁性半導体の原子層制御積層構造や微細複合ナノ構造を作製する。両者の界面構造や界面における磁気的相互作用、あるいは微細複合ナノ構造における磁気光学機能性などを研究し、新しい光スピン機能性を持つ磁性体・半導体ハイブリッド材料の創製を目指す。
平成15年度は、主として、良好な磁性体・半導体界面の作製と微細構造加工に注力した。
1,分子線エピタキシーによりZnCdSe量子井戸を原子層成長させつつ、意図した位置に反強磁性体であるMnSe単原子層を作り込んだ磁性ディジタルドープ構造を作製した。このような半導体磁性量子構造中における原子層制御磁性超薄膜の磁気特性、磁性スピンと光生成励起子の相関などを、励起子発光の磁場依存性により明らかにした。
2,電子ビームリソグラフィーにより、CoとZnCdMnSe量子井戸のサブミクロン複合微細構造の作製に成功した。Coの磁気特性をスピン波ブリルアン散乱で評価し、またZnCdMnSeのMnイオンのスピンフリップ光散乱を測定した。その結果、微細複合構造における強磁性体Coの有効磁場とその分布を高い精度で求めることが出来た。
3,電子ビームリソグラフーにより、ZnCdMnSe磁性半導体の規則配列量子細線やドット構造を作製した。
このような磁性半導体量子構造中に光生成した励起子に対するMnスピンの影響を励起子発光とその時間特性の磁場依存性により研究し、巨大磁気光学効果の発現を明らかにした。
4,分子線エピタキシー装置の改造を行い、金属強磁性体積層用の高温セル、および高感度膜厚計の設置を行った。

研究成果

• [文献書誌] M.Sakuma, K.Hyomi, I.Souma, A.Murayama, Y.Oka: "Sub-micron scale hybrid structures of diluted magnetic semiconductor quantum wells with ferromagnetic Co wires"J.Appl.Phys.. 94. 6423-6429 (2003)
• [文献書誌] M.Sakuma, K.Hyomi, I.Souma, A.Murayama, Y.Oka: "Light scattering study on hybrid structures of Zn_<1-x-y>Cd_xMn_ySe quantum wells with ferromagnetic Co wires"Phys.Stat.Sol.(b). 241. 664-667 (2004)
• [文献書誌] S.Shirotori, K.Kayanuma, I.Souma, T.Tomita, A.Murayama, Y.Oka: "Magnetic-field-induced switching of spin injection in Zn_<1-x>Mn_xTe/ZnTe double quantum wells"Phys.Stat.Sol.(c). 1. 945-948 (2004)
• [文献書誌] A.Uetake, T.Tomita, A.Murayama, Y.Oka, et al.: "Exciton dynamics in quantum nano-structures of II-VI diluted magnetic semiconductors fabricated by electron-beam lithography"Phys.Stat.Sol.(c). 1. 941-944 (2004)
• [文献書誌] E.Nakayama, T.Tomita, A.Murayama.Y.Oka, et al.: "Dynamics in magneto-optical properties of digital magnetic Zn_<1-x>Cd_xSe quantum wells"Physica E. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] Y.Oka, A.Murayama, et al.: "Spin-Dependent Optical Processes in II-VI Diluted Magnetic Semiconductor Nanostructures"2003 MRS Fall Meeting Symposium Proceedings. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] Z.H.Chen, T.Tomita, A.Murayama, Y.Oka, et al.: "Subpicosecond dynamical renormalization of spin-polarized electron-hole plasma in Cd_<1-x>Mn_xTe"Physica E. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] Z.H.Chen, T.Tomita, A.Murayama, Y.Oka, et al.: "Spin dynamics of excitons and magnetic ions in Cd_<1-x>Mn_xTe/Cd_<1-y>Mg_yTe quantum wells"Physica B. 340-342. 890-894 (2003)
• [文献書誌] K.Kayanuma, T.Tomita, A.Murayama, Y.Oka, et al.: "Spin injection and spin switching of excitons in coupled quantum wells of diluted magnetic semiconductors"Physica B. 340-342. 882-885 (2003)
• [文献書誌] A.Murayama, et al.: "Interface magnetic properties of MnSe digitally doped in ZnSe-based quantum wells"J.Appl.Phys.. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] A.Murayama, et al.: "Dynamic magnetic properties of epitaxial MnAs thin films studied by spin-wave Brillouin scattering"J.Appl.Phys.. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] 村山明宏, 岡泰夫: "磁性半導体ナノ量子ドットの光学機能性"NEW GLASS. Vol.18,No.4. 45-49 (2003)
• [文献書誌] 村山明宏: "日本表面科学会編「新訂版・表面科学基礎と応用」(分担執筆)"株式会社エヌ・ティー・エス(印刷中). (2004)