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測定・評価

スピントロニクス材料における表面不活性層の深さ分析に成功

 奈良先端科学技術大学院大学は2017年7月18日,同大学物質創成科学研究科 田口 宗孝 特任助教,大門 寛教授,国立研究開発法人 理化学研究所 放射光科学総合研究センター 大浦正樹 ユニットリーダーが,イタリアIstituto Officina dei Materiali CNR Laboratorio,英国Diamond Light Sourceとの国際共同研究により,放射光施設Diamond(英国)と大型放射光施設SPring-8(日本)のX線光電子分光実験と理論解析を組み合せて,スピントロニクス材料でデバイスを作る際に妨げとなる表面不活性層の深さ分布を,定量的に評価することに成功したと発表した.本研究成果は,Phys.orgなどの海外科学ニュースサイトが報じ,英国科学誌Nature Communicationsで公開された(注).

 電子の属性の一つである電荷を用いる半導体エレクトロニクスが微細化による性能向上に限界が見えている中で,もう一つの属性であるスピンを用いるスピントロ二クスへの期待が高まり,中でも巨大磁気抵抗効果(GMR)は,すでに磁気ディスク装置(HDD)の性能向上に貢献している.その一方,20年前のスピントロニクスの研究当初からスピントロニクスデバイス材料においては,表面における電子の移動度と磁性が内部より低く活性が低いことが知られていたが,これまでは極表面の電子構造しか調べられなかったため,その不活性な表面層がどれだけ深くまで存在してデバイス特性に影響しているか明らかでなかった.

 国際共同研究チームは,硬X線光電子分光(HAXPES)という実験手法と理論解析を組み合わせ,材料表面から内部の電子構造解明に挑戦した.X線光電子分光は,X線を照射した試料から放出される光電子の個数とエネルギーの関係から,物質内の電子状態を調べる実験手法である.X線のエネルギーが高いほど電子放出が内部から起り,X線エネルギーを変えると深さ方向の電子状態変化が分る.X線源にはDiamondの109ビームライン,Spring-8のBL19LXUを用い,前者でHAXPESのX線エネルギーと温度依存性,後者で偏光依存性を調べた.試料には,分子線エピタキシ(MBE)で成膜した希薄磁性半導体(Ga0.87Mn0.13)As(厚さ約20nm)およびペロブスカイト酸化物La0.67Sr0.33MnO3(厚さ約40nm)薄膜を用いた.

 実験条件を様々に変えてHAXPESの測定を行うと,X線エネルギーが高くなると,光電子エネルギースペクトルには常時見えている主ピークに加えて,内部の電導度が高く金属的かつ強磁性的領域からの電子放出によるピークaが観察できた.ピークaと主ピークの強度比は理論からX線エネルギーの指数関数になると予測され,実験結果とのフィッティングで表面の電導度の低い半導体的かつ非磁性的な不活性領域の厚さを求めた.不活性厚さは(Ga0.87Mn0.13)Asで1.2nm,La0.67Sr0.33MnO3では4.0nmであり,デバイスで用いられる電導層の厚さとほぼ等しく,デバイス開発に深刻な影響を与えていることを示している.

 研究グループは,不活性層の層構造を非破壊で定量的に測定できるようになったことで,デバイス設計・材料開発の指針が得られ,スピントロニクスデバイスの開発研究が大幅に促進されることを期待している.

(注)T. Pincelli, V. Lollobrigida, F. Borgatti, A. Regoutz, B. Gobaut, C. Schlueter, T. -L. Lee, D. J. Payne, M. Oura, K. Tamasaku, A. Y. Petrov, P. Graziosi, F. Miletto Granozio, M. Cavallini, G. Vinai, R. Ciprian, C. H. Back, G. Rossi, M. Taguchi, H. Daimon, G. van der Laan, and G. Panaccione, "Quantifying the critical thickness of electron hybridization in spintronics materials", Nature Communications, Vol. 8, Article number: 16051 (2017), doi: 10.1038/ncomms16051; Published online: 17 July 2017