PF 研究会磁性薄膜 多層膜を究めるキャラクタリゼーションから新奇材料の創製へ スピネルフェライトエピタキシャル薄膜の垂直磁気異方性 + マグネタイト /Fe 界面における反強磁性結合 筑波大学 柳原英人 喜多英治
0/0/5 マグネタイト コバルトフェライト Fe 3 O 4 と CoFe O 4 B サイトの Fe が Co に置き換わる a=8.4å, cubic Fe 3+ [Fe 3+,Fe + ]O 4 Fe 3 O 4 マグネタイト Fe 3+ [Fe 3+,Co + ]O 4 CoFeF O 4 コバルトフェライト Co + :L~ Fcc 構造 高い対称性
0/0/5 CoFe O 4 ( バルク ) の磁気異方性 d Free ion dγ dε 緑色はB 位置 (Fe 3+ とCo + ) 桃色は酸素酸素の6 配位に加えて最近接 Bが3 回軸 Cubic field trigonal field Splitting of E level in crystal field Fe 3+ :3d 5 S=5/, L=0 Co + :3d 7 L = スピン軌道相互作用と結びついて強い K を生じる
0/0/5 CoFe O 4 の特徴 スピネル構造 格子定数 :a=8.38a 飽和磁化 :M S =45 (emu/cm 3 ) ( バルク値 ) 磁気異方性定数 : K =3 0 6 (erg/cm 3 ) K u ではなくK ( 立方対称性 ) <00> 容易軸 ( 薄膜での磁気特性 ) 飽和磁化の減少 一軸異方性の発現 強い垂直磁気異方性の可能性 基板との格子不整合 + 磁気弾性結合格子ひずみによる垂直磁化膜 ( 計算上 )MgO(00) 基板の場合 最大でK u =.4 0 7 (erg/cm 3 ) [] H (koe) [] Lisfi et al., Phys. Rev. B 76, 054405 (007) Huang et al. Appl. Phys. Lett. 006
0/0/5 試料作製と評価 反応性蒸着法により作製 MBE 装置を使用 Co と Fe の 元同時蒸着 到達真空度 =4 0-9 Torr 酸化源 : 純オゾン 純オゾン供給装置により生成 O 3 ガス圧力 =3 0-6 Torr O 3 純度 =95% 以上 基板 =MgO(00) Sapphire-C CoFe O 4 との格子整合性が良い 蒸着前に 700 hour 熱処理 蒸着時の基板温度 =0 各成長レート Co + Fe = 0.06A /s 程度となるように比率を調整 CoとFeの組成評価 XRF 膜厚評価 小角反射率 結晶性評価 RHEED 微細構造評価 CEMS 磁化過程評価 VSM
0/0/5 M( (emu/cm 3 ) 膜厚依存性 (Co.5 Fe.5 O 4 6.5nm~3nm) 400 400 00 0.5.5 4 3 nm 6.5 nm H M (emu/cm 3 ) 00 0 H -00 400 M s = 50 (emu/cm 3 ) H c = 0 (T) -400-0 -5 0 5 0 Magnetic Filed (T) u/cm 3 ) M (em 00 0-00 9 nm -00 M s = 50 (emu/cm 3 ) H c =.5 (T) Ku = 3.8 0 6 (erg/cm 3 ) -400-0 -5 0 5 0 H M s = 50 (emu/cm 3 ) H c =.9 (T) () Magnetic Field (T) -400-0 -5 0 5 0 Magnetic Field (T)
0/0/5 膜厚依存性 6.5 nm にて保磁力.5 (T) を観測 MnBi 薄膜と同様に 薄くすると保磁力の増加が認められた薄くすると保磁力の増加が認められた 保磁力の膜厚依存は反転核の生成がポイント 飽和磁化はバルクに比べて小さい (50emu/cm 3 ) 65 6.5nmにおける結果で異方性定数を一斉回転モデルで見積 もると K u =/ MsHc = 3.8 0 6 (erg/cm 3 ) u
0/0/5 垂直磁気異方性の原因 ( 微視的考察 ) material MgO CoFe O 4 crystal structure NaCl fcc (Fd3m) lattice parameter a = 4.Å a = 8.38Å lattice misfit 0 % -0.7% Co + ( バルク ) Co + ( 薄膜 CoFe O 4 /MgO(00)) dγ dγ d d Free ion dε Free ion dε Cubic field trigonal field Cubic field L = L 00 = tetragonal field スピン起動相互作用と結びついて強い K を生じる歪なし スピン起動相互作用と結びついて強い K u を生じる正方晶 (c<a)
0/0/5 まとめ (Co,Fe) O 4 良質な結晶成長成長方位によって 磁気特性が変化 (00) 配向では垂直磁化膜 保磁力は膜厚に依存し 薄くすると保磁力が増加 Co.5 Fe.5 O 4 6.5nmのとき.5(T) の保磁力 K u =3.8 0 6 (erg/cm 3 ) を観測 飽和磁化はバルクに比べ 減少 一軸性の異方性が <> と <00> の間? 格子不整合 成長面の選択 dεの縮退度で異方性の制御が可能
0/0/5 Fe 3 O 4 /Fe(00) 界面における AF 的交換結合 Ma agnetic mome ent (x0-4 em mu).0 5.5.0 0.5 0-0.5 -.0 -.5 expected value for the film H // <0> H // <00> H // <00> -.0-40 -0 0 0 40 Magnetic field (x0 3 Oe) 高い飽和磁場 強い AF 結合 磁化の著しい減少はない 界面で生じる AF 結合 成膜の順番を替えると現れない! 界面構造に敏感 非線形な磁化過程 90 結合 (J ) の影響か? Au(00) Fe (00) Fe 3 O 4 (00) MgO(00) [00] [00] a: MgO(00) substrate b: 3nm thick Fe 3 O 4 (00) c: 3nm thick Fe(00) J = -½ H S M S t= - dm H(M)t -.0 erg/cm d: nm thick Au(00) Yanagihara et al., APEX(008)
0/0/5 界面構造観察 断面TEM Fe3+[Fe3+,Fe+]O4 Fe3O4 F Fe a = 8.4Å Å Fe3O4 急峻な界面 Fe3O4(00) もFe(00)もエピタキシャル成長 Fe3O4の界面構造 A層終端/B層終端? Fe F 3O4(00) 上のFe(00)の積み上がり方 上のF (00)の積み上がり方
0/0/5 第一原理計算 ( 界面積層モデル ) A 面終端 /B 面終端のそれぞれを仮定 特殊な界面構造 電子状態は仮定しない Fe 3 O 4 と Fe との距離をパラメータとして計算 A 終端 /B 終端を問わず 平行結合が現れる 結合エネルギーは 数十 ~ 百 erg/cm AF 結合は現れない! Kida et al. PRB 0
0/0/5 bccfe 層界面の不純物的 Fe 原子の効果 One-dimensional model τ t m Fe Imp. Fe 3 O 4 Stability of magnetic moments m (/atom orb.), ΔE E.0 0.5 0.0-0.5 m <0 ΔE > 0 ΔE < 0 n m >0 -.0.0...3.4.5 n (/atom orb.) or Model density of states ε F ε = 0 R L Vimp Δ 4t0 +spini spin V imp + - State with reversed m can be stable when number of electrons on impurity is reduced. - Oxidized bcc Fe atoms may be impurity like Fe 側界面に不純物状態があると その軌道占有率によって 結合の符号 強度が変わる! U=t 0 ΔEE = E E AP Fe Mn:AF 結合が安定 Fe Co:F 結合が安定 P Kida et al. PRB 0
0/0/5 層間結合系の最小 乗フィット一斉回転モデル 単位面積当たりの自由エネルギー f ( H ) = tmh cosψ tmh cosφ J cos( ψ φ) J cos ( ψ φ) t : Fe の膜厚 9 nm t : Fe 3 O 4 の膜厚 3 nm m : Feの磁化 700 emu/cm3 m : Fe 3 O 4 の磁化 400 emu/cm3 J : 80 結合定数 -.3±0. erg/cm J : 90 結合定数 -.0±0. erg/cm 磁気異方性は無視 Φ ψ H M (x0-3 em mu/cm ).5.5 0.5 0 exp. fit t Mn = 0.0 AA 0 30 40 H(x0 3 Oe) 角が出る 0
0/0/5 層間結合系の最小 乗フィット本河の漸化式 ( 強磁性層内での磁化のねじれを取り込んだモデル ) f ( H ) = H M A M N i= {cosψ + cosψ A M i N i= N i= cos( ψ + ψ )} + M cosφ AM M i i {cosφ + cos( ψ + N i= N i= cos( φ + φi )} ψ + φ + i N i= φ ) i (Motokawa and Dohnomae, JPSJ 99) N : Fe の膜厚 ( 層数 ) 6 N : Fe 3 O 4 の膜厚 ( 層数 ) 6 M : Feの 層あたりの磁化.4x0-5 emu/cm /(.4x0-8 cm) M : Fe 3 O 4 の 層あたりの磁化 8.4x0-6 emu/cm /(.x0-8 cm) A : 最近接 Fe 層間交換結合 T C 4.4x0 Oe erg - cm (.4x0-8 cm) A : 最近接 Fe 3 O 4 層間交換結合 TT C 7 7.x00 Oe erg - cm (.x0 0 cm) A: Fe/Fe3O4 間層間結合 A = J/M M 磁気異方性は無視 A J <0 >0 A >0 H M M 極小条件 sin ψ = sin ψ sinφ = sinφ n n φ n n + f + = ψ H A M H A M f = sin( i( ψ sin( φ + f = φ i ψ i n + + ψ i ) i= n i= φ ) i f = 0 ψ, φ より が決まればねじれが決まる
0/0/5 on (x0-3 emu/c cm ) Magnetizati 層間結合系の最小 乗フィット本河の漸化式 ( 強磁性層内での磁化のねじれを取り込んだモデル ) 3 0 - - -3 π Fe 3 O 4 (3 nm) / Fe(9nm) J AF = - erg/cm T C_Fe = 043 K T C_Fe3 O 4 = 858 K M S_Fe = 700 emu /cm 3 simulation M (x0-3 emu/cm ).5 M S_Fe3 O 4 = 400 emu / cm 3.5 0.5 (Motokawa and Dohnomae, JPSJ 99) exp. fit t Mn = 0.0 AA An ngle (rad.) 3π/4 π/ π/4 M Fe3O4@i.f. M Fe3O4@top M Fe@i.f. 0-0 -0 0 0 0 Field (x0 3 Oe) 0 M Fe@bottom H(x0 3 Oe) 3.0 J ナシでも丸い磁化過程が再現できる Fe 層内の磁化のねじれは小さい Fe 3O 4 層内のねじれが大きい 高磁場でのなかなか飽和しない磁化過程は Fe 3 O 4 層内のねじれが原因 0 /cm ) -J (erg/ 0.5.0.5.0 0.5 30 0.0 0.0 40 J (twisted).0.0 Mn thickness (Å) 3.0
0/0/5 まとめ Fe 3 O 4 /Fe 界面で生じる AF 結合の物理的機構を明らかにするために Fe/Fe 3 O 4 界面構造を仮定し 第一原理計算 すべての界面構造で F 結 合が現れた 界面不純物を仮定した結合モデルを構築 Fe/Fe 3 O 4 界面 領域にある遷移金属の電子数変化に伴って層間結合の符号 が変化することが示唆された 非線形な磁化過程を再現するにあたり 90 結合は不要