利用報告書 / User's Reports | ARIM Japan公式ホームページ

【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.05.29】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23UT0162

利用課題名 / Title

GaAs111B面上の鉄ヒ素化合物薄膜の結晶構造と磁気特性

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

スピントロニクスデバイス/ Spintronics device,X線回折/ X-ray diffraction

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)

青田聖治

所属名 / Affiliation

東京大学　大学院工学系研究科

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

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

府川和弘,飯盛桂子

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

UT-202：高輝度In-plane型X線回折装置
 UT-203：粉末X線回折装置

報告書データ / Report

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

III-V族半導体上にエピタキシャル成長ができ、スピン注入源となる材料はスピントロニクスデバイスへの応用が期待される。閃亜鉛鉱型Fe-Asはこのような材料となる可能性があるが成長例はなく、GaAs(001)基板上に様々な成長条件で成長した先行研究では、既知のFe2As, MnP型のFeAs, FeAs2のみが確認された[1]。本研究では分子線エピタキシー法によりGaAs(111)B基板上にAs/Feのフラックス比を変化させて成膜し、結晶構造と磁気特性を評価した。また、近年反強磁性体でありながらスピン分極をもち、スピン流生成等の実証が期待される材料としてFeSb2に着目し[2]、いくつかのIII-V族半導体基板の(001)面に成長を試みた。

実験 / Experimental

just cutのGaAs 111B基板上に、MBE装置で基板温度TS=590C で100 nmのGaAs bufferを成長したあと、基板温度は330Cに固定しFe-As薄膜をFe:As4のフラックス比を変えながらその上に成長した。それぞれ成膜した結晶構造をX-ray diffraction (XRD)、二次元ディテクタを利用した広域のReciprocal Space Mapping (RSM)で評価した。また、GaSb基板、InSb基板上で同様にホモエピタキシャルバッファーを成長後、FeSbまたはFeSb2の成長を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

Fe:As4のフラックス比を1:4で成長したサンプルでは、高温で存在するNiAs型FeAsの格子定数(a軸3.99Å、c軸5.36Å)と考えられる厚さ5nm層が界面に形成され、その上にDO3構造のFe-As化合物(a=5.23Å)が成長した。広域のRSMの結果をFig. 1に示す。この試料は、TC=400Kの強磁性を示し、鉄原子あたり約2.0μBの高い飽和磁化を示した。磁性デバイスへの応用が期待できる。また、GaSb基板上、InSb基板上に成長したFeSb2ではそれぞれ(001)配向、(101)配向の薄膜が得られた。後者は基板との対称性の関係を考えると最低でも二つのドメインが存在しており、前者は他に(011)のピークが見られることなど、あまり良い結晶性の薄膜を得られていない。アニールや成長温度を変えて結晶性を評価する予定である。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig. 1 成長したサンプルの広域の逆格子マップ文字 a, b, sはそれぞれ、新たに得られたcubicの結晶、NiAs型のFeAs、基板のGaAsの回折に対応

Fig. 2 成長したFe-Sb化合物のθ-2θ測定結果

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

[1] A. T. M. K. Jamil, H. Noguchi and H. Munekata, Thin Solid Films, 516(10), 3015–3019. (2008). [2] I. I. Mazin, K. Koepernik, M. D. Johannes, R. González-Hernández, and L. Šmejkal, Prediction of unconventional magnetism in doped FeSb2 , PNAS 118, e2108924118 (2021).

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)

Seiji Aota, Growth, crystal structures, and magnetic properties of Fe–As films grown on GaAs (111)B substrates by molecular beam epitaxy, Journal of Applied Physics, 134, (2023).
DOI: 10.1063/5.0177679

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

Seiji Aota, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka; Growth, crystal structures, and magnetic properties of Fe–As films grown on GaAs (111)B substrates by molecular beam epitaxy. J. Appl. Phys. 21 December 2023; 134 (23): 235104. https://doi.org/10.1063/5.0177679

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