2013 Fiscal Year Annual Research Report
マグネタイト薄膜表面スピン状態の原子スケールでの可視化と制御
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13J01853
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
池内 昭朗 北海道大学, 大学院情報科学研究科, 特別研究員(DC2)
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| Keywords | 走査トンネル顕微鏡 / マグネタイト / 酸化物薄膜 / 表面電子状態 / 磁性体 |
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| Research Abstract |
本研究の目的は、MgO (001)基板上に成膜した膜厚20nmのマグネタイト薄膜における逆位相境界(APB)周辺での局所的な磁性と電気伝導を測定し、APBが磁性や電気伝導特性に与える影響と、その原子構造、磁気特性の関係性を明らかにすることである。本年度は走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて試料表面の原子配列を明らかにし、走査トンネル分光(STS)、を用いてAPBの導入により逆位相領域(APD)が異なる電子状態密度分布をとることを明らかにした。1. MgO (001)基板上にエピタキシャル成長した化学量論組成のマグネタイト薄膜を作製した。成長温度は250℃、酸素分圧は7×10-5Pa、成長レートは1.9Å/minに制御し、薄膜試料の成長状態はRHEEDとXPSによって評価をおこなった。2. APBを含む試料表面の結晶構造の観察としてマグネタイト薄膜試料表面をSTMによって観察した。STMでは、マグネタイト表面はB面で終端しており、膜厚20nmではAPDのサイズは数十nmであることを観察した。さらにAPB周辺を詳細に観察することで、マグネタイトの原子配列から3種類存在すると考えられる1/2 [100]、1/4 [110]、1/4 [101]シフト型APBの原子配列を原子分解能で観察することに成功し、各APBの原子配列を明らかにすることに成功した。このSTMによる3種類のAPBの実空間観察結果はこれまでに報告にない結果である。3. STMによりAPBの原子構造を観察するとともに、STSをおこなうことでAPB周辺の表面電子状態密度分布の測定をおこなった。測定の結果、1/4 [101]シフト型APBによって隔てられたAPDの内、異なる表面電子状態密度分布を示すAPDが観察されたが、1/2 [100]、1/4 [110]シフト型APBではこの現象はみられなかった。これらの結果から、1/4 [101]シフト型APBがマグネタイト薄膜の電気伝導特性に大きな影響を与えていると考えられる。更に、1/4 [101]シフト型APBはその原子配列から反強磁性的な磁気結合の割合を増加させることが予測されており、1/4 [101]シフト型APBがマグネタイト薄膜の磁気特性に大きな影響を与える可能性を示唆する結果を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、STMの応用であるスピン偏極STM/STSによるマグネタイト表面の磁気特性に向けて、MgO(001)基板上に成膜したマグネタイト薄膜表面のAPB周辺における詳細な原子構造と電子状態を調べる計画であった。STS/STSにより原子分解能でのAPB周辺の構造観察と、APB周辺における異なる電子状態密度分布の測定に成功した。それらの成果は2件の国際学会、1件の国内学会において発表されており、最終的な研究目的の達成に向けて、研究はおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は当初の研究計画に則り、マグネタイト薄膜に導入されるAPB周辺における磁気特性を、スピン偏極STM/STSにより測定する。スピンに依存したトンネル電流の測定をおこなうため、STM/STSで用いた探針の先端に磁性体を成膜し、先端がスピン偏極した探針を作製することによりこれをおこなう。現在までに、探針先端に強磁性体である鉄を蒸着することで、試料に対して水平方向に磁化した探針の作製に成功しているが、測定装置に磁場印加機構がないため探針の磁化方向が決定できないという問題がある。そこで、探針先端にクロムを蒸着することで、試料に対して垂直方向に磁化した探針を作製し、水平磁化探針、垂直磁化探針の両方を用いてマグネタイト薄膜のスピン状態を測定することで、APB周辺での詳細なスピン状態の測定をおこなう予定である。
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Research Products
(3 results)
