光励起GaAs探針を用いたスピン偏極走査型トンネル顕微鏡の開発

使用光激发砷化镓探针的自旋偏振扫描隧道显微镜的研制

• 批准号: 09750347
• 负责人: 山口 浩一
• 金额: $ 1.54万
• 依托单位: The University of Electro-Communications
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1997
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1997 至 1998
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-09750347/
• 关键词: 走査型トンネル顕微鏡; スピン偏極電子; GaAs; 微細加工; 光励起; 磁性; スピン偏極走査型トンネル顕微鏡

異方性エッチング法により作製したGaAsの微小STM探針に円偏光を照射し,GaAs伝導帯中へ励起したスピン偏極電子によるトンネル電流の変化から試料表面のスピン状態を原子およびナノスケールで観察する新しいスピン偏極走査型トンネル顕微鏡の開発研究を進めた。まずポッケルスセルを用いた円偏光変調励起システムを自作の真空STM装置に組み込み,磁性薄膜(Ni)試料の場合におけるトンネル電流の円偏光変調信号成分の検出に成功した。STMチャンバ内で磁性試料の磁化を行い,変調信号の磁化に対するヒステリシス特性を確認した。さらに磁化方向の反転によるヒステリシスループの逆転現象も得られ,円偏光励起GaAs探針によるスピン状態の観察が可能であることを実験的に示した。得られた円偏光変調信号成分は最大で全トンネル電流の約20%と極めて高い値が得られた。これはGaAs探針の表面準位による短いキャリア寿命のためにスピン緩和時間内でのトンネル効果が有効に起きているものと考えられ,現在理論的な解析を進めている。また高いスピン偏極率を有するSTM探針を開発するために,InGaAs/GaAs歪超格子を探針先端に導入した構造についても検討を加え,発光の偏向特性実験からGaAsの理論限界値より高いスピン偏極率を確認した。この結果はタイプII型超格子構造における電子と正孔の分離によるBAP効果の抑制によって説明できた。次に円偏光変調信号のイメージング化を進め,試料表面の一回の2次元走査により,通常のSTM像(トポグラフィック像)とスピン偏極STM像を同時に取り込むシステムを開発した。Ni薄膜試料の磁化方向の反転によるスピン偏極STM像のコントラストの反転を確認し,さらにNiの島状構造の境界付近に観察されたスピン方位の反転領域が磁区および磁壁を示唆するものと考えられ,現在検討を進めている。現時点における試作スピン偏極STM像の最高分解能は約5nmであり,今後さらに原子分解能をめざす予定である。

我们已经进行了一种新的自旋扫描隧道显微镜，该隧道显微镜使用循环极化的光来照射由各向异性蚀刻剂制造的GAA的显微镜STM探针，并观察到原子和纳米的样品表面的旋转状态，并从隧道电流中引起的隧道电流引起的量子导致级别的电流导致量子导致的电流引起的量子导致型号的变化。首先，将使用Pockels电池的圆形偏振光调制激发系统纳入了内部制造的真空STM设备中，并在磁性薄膜（NI）样品的情况下成功检测到了隧道电流的圆形极化光调制信号成分。在STM腔中磁化了磁样品，并确认了针对调制信号的磁化的磁滞特性。此外，还获得了由于磁化方向反转引起的磁滞回路的反转，并且在实验上表明，可以通过圆形极化激发GAAS探头观察到旋转状态。获得的圆极化调制信号分量非常高，最大约为总隧道电流的20％。人们认为，由于GAAS探针的表面水平，自旋松弛时间内的隧道效应有效地发生了，并且当前正在进行理论分析。为了开发具有高自旋极化的STM探针，我们还研究了在探针尖端引入INGAAS/GAAS紧张的超晶格的结构，并且根据发射的偏转特性的实验，旋转极化高于GAA的理论极限。可以通过抑制电子和II型超级峰值结构中的电子分离的BAP效应来解释该结果。接下来，进行了圆形极化调制信号的成像，并开发了一个系统，该系统同时通过样品表面的一个2D扫描来捕获正常的STM图像（地形图像）和自旋极化STM图像。我们已经证实，由于Ni薄膜样品的磁化方向的反转，自旋偏振的STM图像的对比反转，人们认为旋转方向逆转区域在Ni的岛状结构的边界附近观察到磁性域和域壁的边界，并且目前正在研究中。原型自旋偏振STM图像的最大分辨率目前约为5 nm，我们计划将来以进一步的原子分辨率。

项目成果

K.Yamaguchi 他: "Fabrication of GaAs Microtip and its Application to Spin-Polarized scanning Tunneling Microscope" 11th Int.Microprocesses and Nunotechnology.Conf.16A-7-5. 285-286 (1998)

K. Yamaguchi 等人：“GaAs 微尖端的制造及其在自旋偏振扫描隧道显微镜中的应用”第 11 届 Int.Microprocesses 和 Nunotechnology.Conf.16A-7-5 (1998)。

K.Yamaguchi 他: "Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscope Using Optically Pumped GaAs Microtip" Int.Workshop on Physics and Technology of Nanostructured,Multicomporet. 16-16 (1998)

K. Yamaguchi 等人：“使用光泵浦 GaAs 微尖端的自旋偏振扫描隧道显微镜”国际纳米结构多复合物理与技术研讨会 16-16 (1998)。

R.Shinohara,K.Yamaguchi: "Fabricution of GaAs Microtips and Their Application to Spin Polarized Scanning Tunneling Microscope" Japanese Journal of Applied Physics. 37. 7151-7154 (1998)

R.Shinohara、K.Yamaguchi：“GaAs 微尖端的制造及其在自旋偏振扫描隧道显微镜中的应用”日本应用物理学杂志。

R.Shinohara 他: "Fabrication of GaAs microtip and its application to spin polarized scanning tunneling Microscope" Extended Abstract of 17th Electronic Materials symposium. J8. 203-206 (1998)

R.Shinohara 等人：“GaAs 微尖端的制造及其在自旋偏振扫描隧道显微镜中的应用”第 17 届电子材料研讨会的扩展摘要 J8（1998 年）。

Y.Suzuki: "Spin-Sensitive Scanning Tunneling Microscope Using Optically Pumped GaAs tips" 3rd Int.Symposium on Metallic Multilayers. (1998)

Y.Suzuki：“使用光泵浦 GaAs 尖端的自旋敏感扫描隧道显微镜”第三届金属多层国际研讨会。