微小磁気プローブを用いた磁性半導体の磁区構造解明

使用微磁探针阐明磁性半导体的磁畴结构

基本信息

批准号：
15034207
负责人：
長谷川哲也
金额：
$ 1.28万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-15034207/
关键词：
走査プローブ顕微鏡磁性半導体磁区構造微小SQUID

项目摘要

強磁性材料では一般に磁区構造をとり、その形状やサイズは、磁化の大きさや異方性エネルギーなどの材料に固有のパラメータを反映するばかりでなく、不純物や組成揺らぎといった外的要因によっても様々に変化する。また一方で、磁区の境界はキャリアの散乱源となる。従って、磁性半導体の磁区構造を詳細に知ることは、応用上も極めて重要であるが、ナノ〜メゾスコピックレベルの空間分解能が必要である上、極低温下での計測が不可欠であることから、その測定例は極めて少ない。本研究では、微小磁気プローブを用い、Ga_<1-x>Mn_xAsを中心とした磁性半導体の磁区構造解明を目的とした。具体的には、走査型SQUID顕微鏡(SSM)を用いて(Ga, Mn)Asの磁区構造をMn組成、膜厚、温度の関数として詳細に調べ、標準データとしで蓄積するとともに、その背景にある物理の理解を目指した。まず、膜厚依存性について調べた結果、膜厚が薄い面内磁化試料では、"charged wall"と呼ばれる特異な構造が出現することを見出した。その成因についてHubertらにより提案されたモデルを用いて解析した結果、i)「希薄磁性」であるため磁化の値が比較的小さくネール磁壁が安定化している、ii)バンド構造を反映して面内の磁気異方性が小さい、などの理由によりcharged wallのエネルギーが低下しているという結論を得た。上記SSMの空間分解能はミクロンレベルであり、特に超薄膜やデバイス構造内の磁区を測定するには不十分である。このため、数十nmの空間分解能を有する磁気力顕微鏡装置(MFM)を開発した。同装置は、超高真空仕様であり、極低温から室温まで温度可変である。また、3kOeまでの外部磁場を印加することが可能である。

铁磁材料一般具有磁畴结构，其形状和尺寸不仅反映了磁化强度和各向异性能量大小等材料特有的参数，而且还随杂质和成分波动等外部因素而变化。另一方面，磁畴之间的边界成为载流子散射的来源。因此，详细了解磁性半导体的磁畴结构对于实际应用来说极其重要，但了解磁性半导体磁畴结构的细节也很重要，测量实例却很少。在本研究中，我们旨在使用微磁探针阐明磁性半导体（主要是Ga_<1-x>Mn_xAs）的磁畴结构。具体来说，我们将使用扫描SQUID显微镜（SSM）详细研究（Ga，Mn）As的磁畴结构作为Mn成分、膜厚度和温度的函数，将其积累为标准数据，并研究背景旨在理解某些物理。首先，通过研究薄膜厚度依赖性，我们发现薄面内磁化样品中出现了一种称为“带电壁”的独特结构。使用Hubert等人提出的模型分析原因，我们发现i）由于“稀磁”，磁化强度值相对较小，尼尔磁畴壁稳定，ii）表面积反映了我们得出的结论是，由于带电壁内磁各向异性较小等原因，带电壁的能量正在降低。上述SSM的空间分辨率为微米级，不足以测量磁畴，特别是在超薄膜和器件结构中。为此，我们开发了空间分辨率为数十纳米的磁力显微镜（MFM）。该装置具有超高真空规格，可以将温度从极低温度变化到室温。还可以施加高达 3 kOe 的外部磁场。