酸化物磁性体とスピンエレクトロニクスおよび磁気光学

これまでの半導体工学では電子と正孔の電荷のみに着目して種々のデバイスがつくられてきた。また、磁気工学においては電子のスピンのみを利用してメモリなどへの応用が図られてきた。最近、電子のスピンの性質を積極的に利用するトランジスタや磁気メモリが考案されている。この分野はスピンエレクトロニクスとよばれ、世界的な規模で活発な研究が始まっている。

スピン(磁性)と電気伝導をあわせ持つ材料の探索には、大きく2つの方向が考えられる。まず、半導体に磁性イオンをドープし、スピンを有する半導体を得る方法がある。この方針で得られた材料は希薄磁性半導体とよばれ、よく知られているものにMnドープGaAsがある。しかしMnドープGaAsはキュリー温度(強磁性体になる温度)が約120Kと室温以下であるため、実用化のためにキュリー温度の上昇が望まれている。また、MnドープZnO、CoドープTiO2などで室温以上の強磁性が報告されているが、磁性の起源は明らかになっておらず、電気伝導性と磁性の相関は定かでない。
 もう一つの方向にもともと磁性を持っている物質にイオンの置換などで電気伝導性を付与する方法がある。この方法は希薄磁性半導体に比べると研究例が少ない。
本研究室では上記2つのアプローチで、スピンエレクトロニクスの発展に寄与する材料の創製に取り組んでいる。

Zn-Mn-O系酸化物における室温強磁性の起源

MnドープZnOの室温強磁性に関して非常に多くの研究があるが、いまだその起源は明確ではない。本研究では、固相反応法によりMnドープZnOを作製し、室温強磁性の起源を探る中で、ZnOとMnO2をボールミルで粉砕・混合するだけで室温強磁性が生じることを見出した。

熱処理をおこなわない(ボールミルしただけの)試料の室温における磁化曲線は上図に示すように磁気ヒステリシスを示し、同試料が室温で強磁性的に振舞うことがわかる。強磁性の起源については現在検討中であるが、Zn2+のMnO2への拡散に伴い磁気的相互作用の変化が生じているのではないかと考えている。

xFeTiO3-(1-x)Fe2O3固溶体の磁性(平尾研・北條元氏との共同研究

FeTiO3(イルメナイト)とα-Fe2O3(ヘマタイト)は、ともに酸化物イオンの六方最密充填構造からなり、八面体サイトの2/3がカチオンによって占められている。両者とも反強磁性体(ネール温度:イルメナイト 55K、ヘマタイト 950K)であるが、両者の固溶体はフェリ磁性を示す半導体であることが知られている。また、組成によってキャリアタイプ(p型・n型)が制御可能であることが報告されている。本研究では、レーザーアブレーション法によりイルメナイト-ヘマタイト薄膜を作製し、磁性および電気特性の制御されたエピタキシャル膜の作製を試みた。最終的には薄膜でpn接合を実現し、スピントンネルデバイスを構築することを視野にいれ研究を進めている。

イルメナイト-ヘマタイト固溶体はc軸に沿ってTi4+、Fe2+、およびFe3+がランダムに分布する無秩序相と、Ti4+がB層にのみ存在する秩序相の2つをとり、そのうち秩序相がフェリ磁性体となる。したがって、成膜条件を検討し、秩序相薄膜を得ることが必要となる。

上図にレーザーアブレーションの装置を示す。エキシマレーザー(写真右奥、赤色のBOX)をチャンバー(写真左手前)に導入し、チャンバー内のターゲットに照射する。レーザー照射により蒸発したターゲットが、基板に蒸着し薄膜となる。レーザーのエネルギー、チャンバー内の雰囲気、基板温度などを制御することでさまざまな薄膜を得ることができる。

上図は70FeTiO3・30Fe2O3に対する結果である。室温における磁化曲線より、秩序相の試料で磁気ヒステリシスが観測された。また、秩序相薄膜をさらに加熱すると磁化の増大が見られるが、これは加熱に伴うFeイオンの価数変化に起因する。また、電気抵抗は温度の上昇に伴い減少し、半導体的な挙動を示した。Hall測定によるとこの固溶体薄膜は真性半導体であった。

不規則亜鉛フェライト薄膜のフェリ磁性とファラデー効果(平尾研・中嶋聖介氏との共同研究)

亜鉛フェライトは四面体サイトをZn2+、八面体サイトをFe3+が占める正スピネル構造をとり、10K以下で隣接する八面体サイトのFe3+の磁気モーメント同士が反平行に整列する反強磁性体である。しかしながら、超急冷法など非平衡なプロセスで作製した亜鉛フェライトは室温でも磁化を持つ。これは、一部のFe3+Zn2+がサイト交換を起こした結果、四面体サイトと八面体サイトのFe3+間に大きな超交換相互作用が働くためと考えられている。
 本研究では、構造に不規則性を導入するためにスパッタ法を用いて亜鉛フェライト薄膜を作製し、その磁気および磁気光学特性を調べた。

XRD測定より、スパッタ膜は亜鉛フェライト単相であり、またScherrerの式より結晶の粒径は10 nm程度であることが見積もられた。室温における磁化曲線は磁気ヒステリシスを示し、薄膜が室温で強磁性的に振舞うことがわかった。

薄膜のファラデー回転角を測定した。ファラデー回転とは、磁性体に入射した光の偏光面が回転する現象で、これをうまく利用することで、光信号を制御することができる。スパッタ法により作製した薄膜は390 nm付近に大きな負のファラデー回転を示した。これはFe3+の3d5→3d44s1遷移に起因する。今回作製した薄膜は現在有力な候補が提案されていない青色の波長域で動作するファラデー回転素子材料として期待される。