Research and control of various magnetic orders in ilmenite-type titanate artificial superlattices

钛铁矿型钛酸盐人工超晶格中各种磁序的研究与控制

基本信息

批准号：
22K14596
负责人：
根岸真通
金额：
$ 2.91万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

イルメナイト型反強磁性体ATiO3 (A = Mn, Fe, Co, Ni)は、同型の結晶構造を持ちながら多様な反強磁性秩序を形成するため、本課題の対象物質に適している。本課題では、始めに、ATiO3の単結晶薄膜試料を実現するために、パルスレーザー堆積法による薄膜堆積実験を実施した。まず、MnTiO3について、基板の温度や蒸着源に照射するレーザー強度などの堆積条件を最適化し、イルメナイト型構造の単結晶薄膜が成長する条件を確立した。次に、MnTiO3で求めた堆積条件のもとで、ATiO3 (A = Fe, Co, Ni)の堆積実験を実施したところ、全ての物質でイルメナイト型構造が成長することが分かった。以上の実験結果により、多様な反強磁性秩序を有するイルメナイト型ATiO3 (A = Mn, Fe, Co, Ni)薄膜の合成方法が確立され、これらの物質を用いて人工超格子やヘテロ構造を作製する準備が整った。また、イルメナイト型構造をもつ新奇量子磁性体候補物質であるMgIrO3の実現を目標に、Mg-Ir-O薄膜の堆積実験を実施した。堆積条件を変調して堆積したMg-Ir-O薄膜を比較したところ、多くの堆積条件で、MgOおよびIr（またはIrO2）からなる混合多結晶薄膜が形成されることが分かった。当初の目標であったイルメナイト型MgIrO3が主相として成長する堆積条件を見つけることはできなかったものの、特定の堆積条件で、先行研究で報告されていない新規Mg-Ir-O結晶相が成長することを発見した。電子顕微鏡での観察や結晶学的考察によって、新規Mg-Ir-O結晶相を、陽イオン秩序が乱れた逆スピネル型Mg2IrO4と推定した。

Ilmenite型抗铁磁ATIO3（A = Mn，Fe，Co，Ni）具有相同类型的晶体结构，并形成了各种抗铁磁阶，使其适合于该受试者的材料。在这个主题中，首先，通过脉冲激光沉积进行了薄膜沉积实验，以实现ATIO3的单晶薄膜样品。首先，对于MNTIO3，优化了对沉积源的底物温度和激光强度等沉积条件进行了优化，并建立了具有iLmenite结构的单晶薄膜生长的条件。接下来，在MNTIO3确定的沉积条件下，进行了ATIO3（A = Fe，Co，Ni）的沉积实验，发现所有材料均具有iLmenite结构。上述实验结果已经建立了一种合成Ilmenite型ATIO3（a = Mn，Fe，Co，ni）的薄膜，具有各种抗磁磁性，并准备使用这些材料来制造人工超级晶格和异质结构。此外，为了实现MGIRO3，这是一种具有iLmenite结构的新型量子磁性材料，我们进行了MG-IR-O薄膜的沉积实验。比较通过调节沉积条件沉积的MG-IR-O薄膜，发现在许多沉积条件下，形成了由MGO和IR（或IRO2）组成的混合多晶薄膜。尽管我们无法找到一个沉积条件，在这种情况下，初始靶标Ilmenite型MGIRO3作为主要阶段的生长，但我们发现在某些沉积条件下，在先前研究中尚未报道的一种新的MG-IR-O晶体相。通过电子显微镜和晶体学考虑的观察结果，我们估计了新型的MG-IR-O晶体相，是一种倒置的尖晶石型MG2IRO4，具有干扰的阳离子顺序。