【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.06.21】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23QS0101

利用課題名 / Title

メスバウアー分光法を用いたGdFe合金のミクロな原子構造の解析と磁気異方性発現機構の調査

利用した実施機関 / Support Institute

量子科学技術研究開発機構 / QST

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）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication

【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）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

キーワード / Keywords

スピントロニクスデバイス/ Spintronics device,スピン制御/ Spin control,スパッタリング/ Sputtering,放射光/ Synchrotron radiation,メスバウアー分光/ Mossbauer spectroscopy

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)

首藤 浩文

所属名 / Affiliation

物質・材料研究機構

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

三井 隆也,藤原 孝将

利用形態 / Support Type

（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-

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

QS-111：放射光メスバウアー分光装置

報告書データ / Report

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

GdFe合金は、GdとFeの磁気モーメントが反対方向を向いたフェリ磁性体であり、その構造はアモルファスであると考えられている。GdFe合金は、組成によって磁化の大きさが調整可能、垂直磁気異方性を発現する、という特徴を有しており、スピントロニクスの分野で近年注目を集めている
一方で、GdFe合金に関して、垂直磁気異方性の起源など材料特性の物理的理解は進んでいない。申請者らは、デバイス応用に向けたスパッタ成膜GdFe合金の特性制御に向けた実験を昨年度より開始し、その中で、同様の組成を持つGdFe合金において、スパッタ成膜時のArガス圧に依存して、飽和磁化および垂直磁気異方性が変化することを見出した。成膜時のArガス圧に依存した磁気特性の変化は、作製されたGdFe合金におけるミクロな原子構造の変化に起因していると考えられる。しかしながらアモルファス材料のミクロな構造解析は非常に困難であり、成膜時のArガス圧の変化で何か起きているのかわかってはいない。本申請における研究では、合金の不均一構造解析に適する放射光内部転換電子メスバウアー分光法を用いて、GdFe合金のミクロな構造を明らかにして、構造と磁気特性の関連を明らかにすることを目的とする。直線偏光γ線を用いた⁵⁷Feのメスバウアーパラメーター（内部磁場、アイソマーシフト、電気四極子シフト）の決定に加えて、円偏光γ線を用いた内部磁場の配向状態（GdFeアモルファスフェリ磁性体の中にFe-rich nanoparticleなどが生成すれば外場に対する応答の異なる成分が観測される可能性がある。）を行い、組成の異なるフェリ磁性体（Gd_xFe_1-x、x=0.2、0.25、0.3）の鉄原子の局所磁性、原子配列やナノクラスター生成の可能性などを詳しく調べる。

実験 / Experimental

実験では、Si結晶の高分解能分光器（Si 511 x Si 975）で放射光を⁵⁷Fe核共鳴エネルギー近傍、バンド幅2.5 meVまで単色化する。そのX線を下流の⁵⁷FeBO₃（核分光器）に照射して、Néel温度近傍で電子散乱が禁制で核散乱が許容となる核共鳴散乱核ブラック反射を利用して、バンド幅が約15 neVの直線（π）偏光した放射光メスバウアーγ線を発生させる。この時、核分光器を反射面に平行にドップラー振動することでγ線のエネルギーを速度±12 mm/s領域で変化させる。メスバウアーγ線は、楕円ミラーで縦方向に集光後（ビームサイズ15 μm(V) x 1.6  mm(H)）、内部転換電子と全反射γ線の同時計測装置内に配置したGdFe合金薄膜に入射角1°で照射する。ここで、試料に外場を印加して薄膜を光軸と逆向きに磁化する。この配置で、π偏光したγ線は、核共鳴散乱の偏光選択側に従い、Δm=±1の4つの遷移だけに吸収される。この条件下で、薄膜中の⁵⁷Fe層で核共鳴吸収後、二次的に発生する内部転換電子を信号として散乱スペクトルを測定する

結果と考察 / Results and Discussion

Gd 濃度15.8 at%、膜厚40 nmのサンプルにおける結果を図1に示す、外場580 Oe を光軸方向と逆向きに印加して試料を磁化させて測定したスペクトルには幅の広い4 本（Δm=±1）の散乱ピークが観測された。Gd 15.8%のスペクトルから求めた平均内部磁場は22.7 T であり、特定の内部磁場の値を中心にして比較的一様に分布していることから相分離などは起きていないと考えられる。円偏光で測定したスペクトルを見ると、Δm=-1 の2 本が鋭いピークを示す非対称なスペクトルが観測されていることから、30~15 T の領域に内部磁場分布を示すFeの磁気モーメントが、全て外磁場に平行に整列していることが分かる。仮に、GdFe内部における相分離によって、Gdリッチな相ができているとするとその部分の磁気モーメントは磁場と反平行な成分が現れると予想される。このような信号が測定されていないことは均質なGdFeが形成されていることを示唆している。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1

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

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.

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