【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.04.23】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23NU0235

利用課題名 / Title

LNO 基板上に成膜した Co 薄膜の面内一軸磁気異方性の基板加熱温度依存性

利用した実施機関 / Support Institute

名古屋大学 / Nagoya Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

ニオブ酸リチウム, 面内一軸磁気異方性,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,スパッタリング/ Sputtering,スピントロニクス/ Spintronics

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

山田 啓介

所属名 / Affiliation

岐阜大学工学部 化学・生命工学科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

鹿野 早希

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

加藤 剛志,大島 大輝

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NU-205：3元マグネトロンスパッタ装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

近年、スピントロニクス分野において、単結晶強誘電体基板であるニオブ酸リチウム(128° Y-cut LiNbO₃：LNO)の歪みを活かした研究が盛んに行われている。特に、LNO基板/強磁性体/非磁性体薄膜において誘起されるスピン軌道トルク(SOT)に関する評価やLNO基板に電圧を印可しスピン流との相互作用を観測する研究が実施されている。私達の研究チームでは以前の報告で、LNO基板上に強磁性薄膜(ニッケルや鉄)をスパッタ成膜し、LNO基板によって強磁性体薄膜に誘起された面内一軸磁気異方性(K_u)の磁気特性評価や結晶構造解析を行い、K_uの大きさや発現機構を明らかにした。加えて、磁歪定数の大きい強磁性体のコバルト(Co)を用いて、薄膜作製時の膜厚を変化させ、K_uと結晶配向との関係を調べた。本研究では、Co薄膜作製時の基板加熱温度条件を変化させ、大きいK_uを有する薄膜作製条件を調べ、その起源を明らかにすることを目的とした。

実験 / Experimental

マグネトロンスパッタ装置を用いて、LNO基板上にCo薄膜を作製した。基板サイズは10 mm角とした。スパッタ条件は、到達真空度が~4.7×10^-4 Pa、基板加熱温度(T_h)を100, 200, 300 ℃とし、As depo.（室温下）により成膜した試料と比較した。Coの膜厚t は、接触段差計で測定を行い、t = 7.2 nmとした。作製した試料の結晶構造は、薄膜X線回折装置を用いてθ/2θ測定を行なった(X線入射角度w = 0.4 度で測定した)。磁気特性は、室温下で振動試料型磁力計を用いて膜面内方向の磁化曲線を測定し、その磁化曲線を解析することでK_uを算出した。

結果と考察 / Results and Discussion

Fig. 1(a)は、LNO の (01.2) 面に垂直な方向でXRD測定を行ったT_hの異なるCo薄膜試料の結果を示す。As depo.の試料は、hcp (112) 面が配向したCo膜の形成が確認できたが、その他の試料では、(112) 面に関連した回折ピークは明瞭に確認できなかった。この理由としては、（112）面に由来した結晶が形成されていない可能性が考えられる。また全ての試料において、Co酸化物の形成は確認できなかったため、スパッタ成膜時のCo酸化物は形成されていないことはわかった。T_h = 300 ℃の試料においては、hcp (002)面の結晶が確認できた。これはSi基板に成膜したCo薄膜と同様の結果となった。Fig. 1(b)は、VSMを用いてT_h = 200 ℃のCo薄膜の磁化曲線を示した結果である。面内方向の印加磁場(H)は、LNOの(01.2)面に対して 0°, 30°, 45°, 60°および 90°の角度(c)で行い、磁化曲線を測定した。cの変化に伴い、磁化曲線の形状が変化しており、角形比M_r/M_sや飽和磁場H_SAT の値は、cによって変化した。LNO の (01.2) 面に平行方向が、Co薄膜の磁化容易軸であることがわかった。測定した磁化曲線からそれぞれのT_hのCo薄膜のK_u値を算出した結果をFig. 2に示す。As depo.の試料のK_u値が、1.41×10⁵ erg/cm³と最大値となり、T_h上昇とともにK_u値は減少した。この理由は、Coの磁歪定数が負であることが起因していると考えられる。CoはT_h上昇とともにCoは縮むが、LNOはT_h上昇とともに格子が伸びるため、Coは基板との整合性が取れず、K_u値が減少したと考えられる。先行研究では、この傾向はFe薄膜と同様であり、Fe薄膜の場合もT_h上昇とともにK_u値は減少した。一方、Ni薄膜とは逆の傾向があり、Ni薄膜の場合はT_h上昇とともにK_u値は増加した。この理由からも磁歪定数とLNO基板の格子の伸縮方向の整合性がK_u値に影響を与えていることがわかる。
本研究では、LNO/CoにおけるK_uの基板加熱温度条件を調べた。その結果、As depo.の試料が一番大きなK_u値を有することがわかった。Co金属の磁歪定数とLNO基板の格子の伸縮方向の整合性がK_uに影響を与えていることがわかった。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig. 1. (a) XRD patterns of Co films with t = 7.2 nm on LNO substrate at various T_h. The X-ray direction is perpendicular to the (01.2) plane of LNO. The black bars at the bottom represent the reference data for hcp-Co [JCPDS Card No. 01-071-4238, ICCD]. (b) Magnetic hysteresis loops of Co film on LNO at T_h = 200 ℃.

Fig. 2. K_u as a function of T_h.

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

本研究は、名大、加藤剛志教授、大島大輝助教のご協力のもと、研究が行われました。

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. S. Shikano, S. Ono, A. Yamaguchi, M. Shima and K. Yamada “Induced in-plane uniaxial magnetic anisotropy in Co thin films sputtered onto a single-crystal 128° Y-cut LiNbO3 substrate” IEEE International Magnetics Conference 2023 (Sendai) , 令和5年5月18日
2. 鹿野早希, 小野頌太, 山口明啓, 嶋睦宏, 山田啓介, ”128°Y-cut LiNbO3基板にスパッタ成膜した Co 薄膜の面内一軸磁気異方性の基板加熱温度依存性”, 第47回日本磁気学会学術講演会 (大阪大学) , 令和5年9月27日
3. 鹿野早希, 小野頌太, 山口明啓, 嶋睦宏, 山田啓介, ”128°Y-cut LiNbO3基板にスパッタ成膜した Co 薄膜の面内一軸磁気異方性の発現機構の解明”, IEEE Magnetics Society Nagoya Chapter 若手研究会 (下呂) , 令和6年1月31日

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件