| 研究課題/領域番号 |
20K05336
|
|---|
| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
|---|
研究代表者 |
上田 茂典 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (20360505)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| キーワード | 硬X線光電子分光 / スピン分解電子状態 / ハーフメタル / バルク / 界面 / 温度依存性 |
|---|
| 研究実績の概要 |
バルクに敏感な硬X線光電子分光を用いて、絶縁体/強磁性体の埋もれた強磁性槽のスピン分解電子状態測定をハーフメタル候補物質であるCo2MnSiに対して行った。励起光を5.95keV, エネルギー分解能は0.65 eVに設定し、20 Kおよび300 Kでの温度依存性と併せて実施した。測定結果を詳細に解析した結果、フェルミ準位近傍でのスピン偏極度は100％に近く、温度にほとんど依存しないことが明らかとなった。これは、少数スピン状態がギャップを形成し、フェルミ準位に状態密度がないことに由来する。一方で、少数スピン状態の価電子帯の上端位置は、20 Kと比べて300 Kでは0.1 eVフェルミ準位側にシフトすることが実験的に初めて明らかとなった。加えて、多数スピンおよび少数スピン状態ともに光電子スペクトルの形状に温度依存性が現れることも明らかとなった。スピン揺らぎを考慮した有限温度に対して行った第一原理計算との比較から、光電子スペクトルの形状変化は、Co t2gならびにeg状態の温度依存性として説明できることが分かった。一方で、少数スピン状態のシフトは計算から説明することができないことも明らかとなった。Co2MnSiの価電子帯光電子スペクトルの温度依存性は先行研究ではほとんどないものとされていたが、スピン積分での高分解能硬X線光電子分光測定(エネルギー分解能0.15 eV)の温度依存性測定を行った結果、価電子帯スペクトルに明瞭な温度依存性が見られた。この温度依存性は、良質なエピタキシャルCo2MnSiを用いたことで、遷移行列要素の影響が露わとなった結果として観測されたものと考えられる、また、AlOxとの界面においては、バルクよりも顕著な価電子帯スペクトルの温度依存性が現れることも明らかとなった。
|
| 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
本研究課題にて、ハーフメタル候補物質であるCo2MnSiのバルク領域では、ハーフメタル性が低温から300 Kの温度領域において維持されることを初めて明らかとした。また、有限温度を考慮した第一原理計算との比較を行い、価電子帯領域の硬X線光電子スペクトルに見られる温度変化は、遷移行列要素により露わとなったCo t2gとeg状態の温度依存性を観測していることを明らかにすることができた。この温度依存性は、先行研究からは知ることのできない重要な知見である。また、X線全反射と硬X線光電子分光を組み合わせることで、AlOxとの界面近傍に敏感な電子状態測定を行い、埋もれたバルクCo2MnSi層に比べて価電子帯光電子スペクトルの温度依存性が顕著であることも明らかにすることができた。また、磁気円二色性硬X線光電子分光によるCo, Mn 2p内殻スペクトルによる界面とバルク領域のCo2MnSiの磁気情報を300 Kにおいて得ることができた。AlOxとの界面近傍では、バルク領域にくらべてCoとMnの磁化は約20％低下することが明らかとなった。また、20 Kでの測定についても完了しており、現在解析中である。加えて、ハーフメタルではないとされるCo2FeSiについても同様に磁気円二色性硬X線光電子分光測定を20 K, 300 Kにて行っており、界面近傍とバルク領域の磁気的な情報をハーフメタルであるCo2MnSiとの違いを含めて現在解析を進めている。
|
| 今後の研究の推進方策 |
Co2MnSiのバルク領域の電子状態が温度依存性を示し、加えて絶縁体界面では電子状態の温度依存性が顕著となることが本研究から明らかとなった。この現象がハーフメタルに特有であるのかどうかを実験的に明らかにすることが、強磁性体を用いた磁気抵抗素子の高性能化の鍵になるものと考えられる。そこで、バルク領域ではハーフメタルであるCo2MnSi、ハーフメタルではないとされるCo2FeSi、典型的な強磁性体であるFeに対して、AlOxとの界面ならびにバルク領域の価電子帯の電子状態について、硬X線光電子分光を用いた詳細な温度依存性測定から明らかにしていく。また、界面近傍の電子状態については、軟X線角度分解光電子分光によるバンド分散の温度依存性についても測定を行う。界面での電子状態の温度依存性はトンネル磁気抵抗素子の高性能化に関する知見を与えるものと期待される。これらの温度依存性を有限温度における第一原理計算と比較を行い、有限温度の効果がどのように電子状態や磁気状態に影響を及ぼすのかについて明らかにしていく。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
学会がオンライン開催となったため旅費の支出が少なくなった。現在投稿中の論文が掲載に至っていないため、論文掲載費の使用に至らなかった。2022年度の前半は、SPring-8で採択された課題の実施のため、3回のマシンタイム分の消耗品負担(ビームタイム消耗品費と寒剤の使用量)と旅費、これに加えて後半に少なくとも1回のマシンタイムを実施したいと考えている。また、現在投稿中の論文1報と投稿準備中の論文1報のopen access 掲載費に使用する予定である。SPring-8でのマシンタイム数が前年度よりも少なくとも2回分増加する予定であること、並びに前年度に掲載に至らなかった論文掲載費への使用で、次年度使用額とほぼ同じとなる予定である。
|
