研究課題
本研究では反強磁性/強磁性超薄膜ヘテロ構造の磁気結合状態が、その界面構造や接合面方位および容易磁化方向の違いから受ける影響を、原子分解能での構造と電子・磁気状態の実空間観測が可能なスピン偏極走査トンネル顕微鏡(STM)に埋もれた界面の電子・磁気状態を評価可能な放射光X線吸収分光/X線磁気円二色性(XAS/XMCD)測定を組み合わせた相補的な研究手法によって原子スケールで明らかにすることを目的とする。本年度は強磁性層である銅単結晶基板Cu(001)上の強磁性fcc Fe超薄膜の構造と電子状態、およびその上に反強磁性Mn超薄膜を積層して作製したMn/Fe超薄膜ヘテロ構造の構造制御法の確立に重点的に取り組んだ。Cu(001)基板上のFe薄膜は膜厚が増加するにつれ結晶構造がfct相、fcc相、bcc相と変化し、それに伴い電子・磁気状態の大きな変化を示すことが知られている。本研究では複雑な磁気構造を示すことで知られるfcc相のFe超薄膜に着目し、その表面構造と電子状態をSTM原子分解能観察により調べた。結果、原子ステップ近傍ではステップ端からの歪み緩和が効果的に働き、Fe超薄膜のfcc構造は維持されていた。一方、原子ステップから遠い領域では格子歪みの影響でfcc構造の他にbcc構造や表面再配列構造が観測された。得られた結果より、Fe超薄膜のfcc構造を維持させるための原子ステップ密度の重要性が示された。その後、構造制御した強磁性fcc Fe超薄膜に反強磁性Mn超薄膜を積層し、ヘテロ接合界面の構造およびMn超薄膜の成長過程を調べた。結果、Mn超薄膜を室温成長させた場合、接合界面でFeとMn原子が混ざり合って合金化し、Mn蒸着量によってその構造が異なることがわかった。Mn超薄膜の膜厚が4原子層以上になると合金化は抑制され、fct Mn超薄膜固有の表面再配列構造が観測された。
2: おおむね順調に進展している
本年度の研究計画の中心である反強磁性(Mn)/強磁性(Fe)超薄膜ヘテロ構造の成長様式を明らかにする過程で多くの研究成果を挙げることができた。まず、強磁性層Cu(001)上のfcc Fe超薄膜の極低温STM観察を行い、その構造と電子状態を原子分解能で調べた。結果、マクロな構造評価手法ではわからない原子ステップ端からの格子緩和によるfcc Fe超薄膜の構造安定性に関する新しい知見を得ることができた。これらの研究成果については国内、国際学会で発表を行い、学術雑誌Physical Review B誌に論文発表した。本測定で得られた結果を基に、次年度の研究計画の中心であるスピン偏極STMによる反強磁性(Mn)/強磁性(Fe)超薄膜ヘテロ構造の磁気状態の原子分解能観察およびXAS/XMCD測定によるヘテロ接合界面のマクロな磁気結合状態観測を円滑に進めることができると考える。得られた結果については国内、国際学会で多数発表を行い、現在学術雑誌に論文投稿中である。一方、今年度および来年度にかけて建設・整備を進める極低温・強磁場中スピン偏極STM装置については、設計したSTMと強磁場極低温クライオスタットの性能シミュレーションを行った結果、STMの探針交換機構および強磁場極低温クライオスタット冷却機構の不具合が明らかとなり、反強磁性(Mn)/強磁性(Fe)超薄膜ヘテロ構造の極低温・強磁場下（T = 1.0 K, B = 5 T）でのスピン偏極STM測定を行うには不十分であると判明した。そこでSTM、強磁場極低温クライオスタットの再設計・再性能シミュレーションを行う必要が生じたが、当初の予定どおり、来年度中に装置を導入する目処がついた。
次年度（平成29年度）は当初の研究計画に従い、極低温スピン偏極STMによる反強磁性(Mn)/強磁性(Fe)超薄膜ヘテロ構造の原子スケール磁気状態観測に取り組む。スピン偏極STM測定を遂行するのに必要な反強磁性(Mn)/強磁性(Fe)超薄膜ヘテロ構造の構造に関する情報および、強磁性Fe超薄膜、ヘテロ接合界面と反強磁性Mn超薄膜のスピン偏極電子状態は、本年度に行った極低温STM分光測定により明らかになっている。また、スピン偏極STM磁性探針を作製するのに必要な反強磁性(Mn)/強磁性(Fe)超薄膜ヘテロ構造の容易磁化方向およびキュリー温度に関する情報はXAS/XMCD測定により今後明らかにしていく。スピン偏極STM測定ではSTM像を取りながらスピン偏極準位でのコンダクタンスマップを得ることにより、試料表面の磁気構造を原子分解能で観測可能である。本研究では反強磁性Mn超薄膜の膜厚を系統的に変えながらスピン偏極STM測定を行い、ヘテロ接合界面の形成過程における構造と電子・磁気状態の相関を原子スケールで解明し、強磁性Fe超薄膜と反強磁性Mn超薄膜間の磁気結合状態を包括的に理解する。スピン偏極STMと並行してXAS/XMCD測定を行い、両者の結果を比較から磁気結合によって反強磁性(Mn)/強磁性(Fe)超薄膜ヘテロ構造に新たに発現するミクロな磁気特性がマクロな磁気特性にどのように反映されているかを検証する。極低温・強磁場中スピン偏極STM装置（STM本体、強磁場極低温クライオスタット）に関しては、開発が終わり次第、早急に性能評価を行い建設・整備を進めていく。STM本体ついては分解能およびノイズレベルの評価、強磁場対応極低温クライオスタットについては超高真空リークテストと最低到達温度を評価する。
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すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件) 学会発表 (17件) (うち招待講演 3件)
The Journal of Chemical Physics
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