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2018 年度 実施状況報告書

高スピン軌道相互作用酸化物ヘテロ構造での磁気スキルミオンの創出とナノスケール観察

研究課題

研究課題/領域番号 18K18935
研究機関東北大学

研究代表者

福村 知昭  東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (90333880)

研究分担者 岡 博文  東北大学, 材料科学高等研究所, 助教 (70374600)
研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2020-03-31
キーワードスピントロニクス / 走査型プローブ顕微鏡 / 酸化物エレクトロニクス / エピタキシャル成長 / スキルミオン
研究実績の概要

パルスレーザー堆積法(PLD)-低温走査型トンネル顕微鏡(STM)システムを用いて、電気伝導性をもつSrTiO3基板にSrVO3薄膜を作製し、低温STMによるin-situ観察を行った。その結果、膜厚4 nm以下の超薄膜において、原子構造と電子状態の異なる2つの表面が共存していることを発見した。この実験を通じて、PLD-STMシステムによる薄膜作製から低温STM観察に至る一連の実験フローの確立に成功した。
絶縁体であるLaAlO3基板にアナターゼTiO2をPLDで作製し、低温STM観察を試みた。まず、抵抗加熱法を用いて、これまでのような導電性基板でなく、絶縁体基板を高温加熱する方法を開発した。その結果、TiO2薄膜のエピタキシャル成長には成功したものの、薄膜の電気伝導率が低く、STM観察を行うことができなかった。これは、TiO2薄膜作製時の酸素分圧が高く、十分な酸素欠損を薄膜中に導入できなかったからだと考えられる。そこで、酸素分圧を下げてTiO2薄膜を作製したところ、低温STM観察が可能な薄膜の作製に成功し、薄膜表面が(1×4)再構成構造をもつことを確認した。この結果は先行研究と一致する。希土類単酸化物薄膜の作製には薄膜作製中の酸素分圧が重要なパラメータとなるため、四重極型質量分析計を導入し、酸素分圧を精密に制御した上で作製する必要があることがわかった。
PLD-STMシステムでスピン偏極STMを行うため、強磁性材料を探針先端に蒸着する機構を組み上げ、システムに取り付ける準備が完了した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究で要求される要素技術「PLDによる薄膜作製から低温STM観察に至る一連の実験フローの確立」、「絶縁基板にPLDで作製した薄膜の低温STM観察」、「PLD-STMシステムにおける強磁性材料の蒸着機構の準備」を達成することができ、希土類単酸化物薄膜の実験とスピン偏極STM観察が可能になったため。

今後の研究の推進方策

PLD-STMシステムを用いて、絶縁体であるYAlO3基板上に強磁性半導体EuOエピタキシャル薄膜を作製し、低温STMによるin-situ観察を行う。STMによる表面構造の評価、X線回折法による結晶構造評価から、原子レベルで平坦かつ幅の広いテラスをもつEuO薄膜が得られるように、薄膜作製条件(基板温度、酸素分圧など)を最適化する。酸素分圧に関しては、購入した四重極型質量分析計を用いて精密に測定を行う。
PLD-STMシステムにおいて強磁性体探針を作製し、スピン偏極STM観察を行う。まず、すでに実績のある強磁性Coナノ構造やCoドープTiO2を用いて、スピン偏極信号の検出を確認する。その後、EuOエピタキシャル薄膜のスピン偏極STM観察を行い、磁気スキルミオンの観察を試みる。さらに、ホール抵抗測定において磁気スキルミオンの生成を示唆する結果が得られている希土類単酸化物ヘテロ構造のスピン偏極STMへと展開する。くわえて、EuO/LaO強磁性・超伝導へテロ接合を作製し、磁気伝導特性に加え、ミクロスケールにおける磁性と超伝導の共存状態の観察に取り組む。

次年度使用額が生じた理由

直線導入機構の新規購入を予定していたが、現有品でも実験可能であることがわかったため、購入を取りやめた。一方で、薄膜作製に酸素量の精密制御が必要であることがわかったため、質量分析計を購入した。また、本研究で要求される要素技術の確立に向けて低温STM観察を行った際に、寒剤として液体ヘリウムではなく主に液体窒素を用いた。それにより必要な寒剤費を抑えることができた。以上の理由から、次年度使用額が生じた。
次年度では、スピン偏極STM観察を行うため、熱ドリフトのさらなる抑制や探針先端の磁化状態の安定化が必須となり、液体ヘリウム温度での実験がメインとなる。そこで、次年度使用額を液体ヘリウムの使用料金に充て、十分な液体ヘリウム温度での実験回数を確保する。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 5件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Two distinct surface terminations of SrVO3 (001) ultrathin films as an influential factor on metallicity2018

    • 著者名/発表者名
      Oka Hirofumi、Okada Yoshinori、Hitosugi Taro、Fukumura Tomoteru
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 113 ページ: 171601-1~4

    • DOI

      10.1063/1.5051434

    • 査読あり
  • [学会発表] Magnetization and Magnetotransport Studies of an Itinerant Ferromagnet Rocksalt NdO Epitaxial Thin Films2019

    • 著者名/発表者名
      D. Saito, K. Kaminaga, D. Oka, T. Fukumura
    • 学会等名
      Tohoku University GP-Spin seminar 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Carrier and epitaxial strain control of superconductivity in LaO thin film2019

    • 著者名/発表者名
      K. Kaminaga, D. Oka, T. Hasegawa, T. Fukumura
    • 学会等名
      APS 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] New functional rare earth binary oxides2019

    • 著者名/発表者名
      T. Fukumura
    • 学会等名
      Second Workshop of SG-SPIN
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Oxide electronics: converting insulators into electronic materials2019

    • 著者名/発表者名
      T. Fukumura
    • 学会等名
      JSPS San Fransisco's 15-Year Anniversary Event: World Premier Research in Japan
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 岩塩型超伝導/強磁性ヘテロエピタキシャル薄膜:LaO/EuO2019

    • 著者名/発表者名
      神永 健一, 岡 大地, 岡 博文, 福村 知昭
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Coナノ磁石の磁気特性:スピン偏極STMによる研究2019

    • 著者名/発表者名
      岡 博文
    • 学会等名
      顕微鏡学会研究会「超高空間分解能SPMの最前線」
    • 招待講演
  • [学会発表] Spatially resolved magnetic anisotropy of Co islands on Au(111)2018

    • 著者名/発表者名
      H. Oka, P. Mishra, Z.-K. Qi, T. Komeda
    • 学会等名
      2018 International Conference on Nanoscience + Technology (ICN+T)
    • 国際学会
  • [学会発表] Spatially resolved magnetic anisotropy of Co islands on Au(111)2018

    • 著者名/発表者名
      H. Oka, P. Mishra, Z.-K. Qi, T. Komeda
    • 学会等名
      SPSTM-7 & LTSPM-1 International Conference 2018
  • [学会発表] 電気伝導性希土類単酸化物とBi 正方格子超伝導体の開拓2018

    • 著者名/発表者名
      山本 卓, 松本倖太, 齋藤大地, 寺門恭兵, 神永健一, 河底秀幸, 岡 大地, 福村知昭
    • 学会等名
      第12回 物性科学領域横断研究会(領域合同研究会)
  • [学会発表] 異常原子価NdOエピタキシャル薄膜の強磁性と異常ホール効果2018

    • 著者名/発表者名
      齋藤 大地、神永 健一、岡 大地、福村 知昭
    • 学会等名
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Co アイランドの磁気異方性エネルギーの膜厚依存性2018

    • 著者名/発表者名
      岡 博文、Mishra Puneet、Qi Zhi-Kun、米田忠弘
    • 学会等名
      2018年日本表面真空学会学術講演会

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公開日: 2019-12-27  

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