室温強磁性を有する磁性ワイドギャップ半導体薄膜の創製と強磁性発現機構の解明

室温铁磁性磁性宽禁带半导体薄膜的制备及铁磁性机理的阐明

• 批准号: 18760496
• 负责人: 遠藤 恭
• 金额: $ 2.3万
• 依托单位: Tohoku University (2007)Osaka University (2006)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2006
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2006 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18760496/
• 关键词: ワイドギャップ半導体; 3d遷移磁性金属; 常磁性状態; 窒化物; 酸化物; 微結晶; 強磁性状態; 化学結合状態; 磁性ワイドギャップ半導体; 強磁性; 常磁性; 窒化物半導体; 酸化物半導体; 磁性元素; 結晶配向

本研究課題では、半導体のキャリアと磁性金属のスピンを融合した半導体-スピン機能性デバイスの創製を目指して、磁性金属として3d遷移磁性金属であるCr,Mnを、ワイドギャップ半導体としてAIN,Cu_2Oを選択し、1.基板温度の異なるCrを注入したCu_2O薄膜の作製とその基礎物性のCr濃度依存性と、2.Cr,Mnを注入したAIN,Cu_2O薄膜における強磁性を発現しない原因について検討し、以下の知見を得た。1.基板温度の異なるCrを注入したCu_2O薄膜の作製とその基礎物性のCr濃度依存性結晶構造は、Cr濃度および基板温度に関係なく、(111)配向した多結晶Cu_2O単相となった。結晶粒径は、Cr濃度に関係なく基板温度の上昇にともない20nm程度に粗大化した。薄膜中のCuとCrの化学結合状態は、Cu^0もしくはCu^<1+>とCr^<3+>であった。また、5-300Kの温度領域での磁気状態は、Cr濃度および基板温度に関係なく常磁性状態であった。2.Cr,Mnを注入したAIN,Cu_2O薄膜における強磁性を発現しない原因Crの場合には、薄膜中で母相である半導体、窒素および酸化物との化合物は形成されず、半導体のAl原子やCu原子を無秩序に置換しているか、もしくは数nm程度の微結晶として膜中に均一に分散していると考えられる。また、Mnの場合には、低Mn濃度ではCrの場合と同様に、Mn原子によるAl原子やCu原子の置換、もしくは膜中への微結晶の均一分散によると考えられる。一方、高Mn濃度では、低温のみで磁化を発現することを確認した。これは、粗大化した窒化物および酸化物の形成によると考えられる。以上の結果から、これらの薄膜では、磁性原子によるAl原子もしくはCu原子の置換、もしくは膜中における微結晶の均一分散によって、室温で強磁性を発現しないことを明らかにした。

在这个研究项目中，我们的目标是创建一种半导体自旋功能器件，将半导体中的载流子和磁性金属中的自旋结合起来。 1.不同衬底温度下Cr注入Cu_2O薄膜的制备及其基本物理性能对Cr浓度的依赖性；2.Cr、Mn注入AlN、Cu_2O薄膜不出现铁磁性的原因研究。 ，我们得到了以下发现。 1.不同基底温度下注入Cr的Cu_2O薄膜的制备以及基本物理性质对Cr浓度的依赖性。无论Cr浓度和基底温度如何，晶体结构都是（111）取向的多晶Cu_2O单相。随着基底温度升高，晶粒尺寸变得粗大至约20nm，与Cr浓度无关。薄膜中Cu和Cr的化学键状态为Cu^0或Cu^<1+>和Cr^<3+>。此外，无论Cr浓度和基底温度如何，5-300K温度范围内的磁性状态都是顺磁性的。 2.注入Cr、Mn的AlN和Cu_2O薄膜不表现出铁磁性的原因Cr的情况下，薄膜中不与母相半导体、氮、氧化物形成化合物，半导体中的Al原子认为Cu原子是随机取代的，或者它们作为几纳米的微晶均匀地分散在膜中。此外，在Mn的情况下，与Cr的情况一样，在低Mn浓度下，认为这是由于Al原子或Cu原子被Mn原子取代，或者膜中微晶的均匀分散。另一方面，我们证实磁化仅在低温、高锰浓度下发生。这被认为是由于粗氮化物和氧化物的形成造成的。上述结果表明，由于Al或Cu原子被磁性原子取代或薄膜中微晶的均匀分散，这些薄膜在室温下不表现出铁磁性。

项目成果

Observation of Magnetization Reversal Process in Ni-Fe Nanowire Using Magnetic Field Sweeping-Magnetic Force Microscopy

磁场扫描磁力显微镜观察镍铁纳米线的磁化反转过程

• 发表时间: 2007
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics 46
• 作者: M.Osada;M.Kakihana;H.Yasuoka;M.Kall;L.Borjesson;Yasushi Endo
• 通讯作者: Yasushi Endo

Transition between Onion States and Vortex States in Exchange-Counpled Ni-Fe/Mn-Ir Asymmetric Ring Dots

交换耦合 Ni-Fe/Mn-Ir 不对称环点中洋葱态与涡旋态的转变

• 发表时间: 2006
• 期刊: Journal of Applied Physics 99
• 作者: M.Osada;M.Kakihana;H.Yasuoka;M.Kall;L.Borjesson;Yasushi Endo;Y.Endo;Y.Endo;I.Sasaki
• 通讯作者: I.Sasaki

Detailed Magnetization Reversal Process in a Ni-Fe Nanowire Measured with Magnetic Field Sweeping (MFS)-MFM

使用磁场扫描 (MFS)-MFM 测量 Ni-Fe 纳米线的详细磁化反转过程

• 发表时间: 2008
• 作者: M.Osada;M.Kakihana;H.Yasuoka;M.Kall;L.Borjesson;Yasushi Endo;Y.Endo;Y.Endo;I.Sasaki;佐藤 隆信;Yasushi Endo
• 通讯作者: Yasushi Endo

Change of Interlayer Exchange Coupling between the Adjacent Magnetic Transition Metal Layers across a Rare-Earth Metal Layer by Hydrogenation

通过氢化改变稀土金属层上相邻磁过渡金属层之间的层间交换耦合

• 发表时间: 2006
• 期刊: Material Science Forum 512
• 作者: M.Osada;M.Kakihana;H.Yasuoka;M.Kall;L.Borjesson;Yasushi Endo;Y.Endo;Y.Endo
• 通讯作者: Y.Endo

Mn-AlN薄膜における構造と磁気挙動への基板温度の影響

基底温度对 Mn-AlN 薄膜结构和磁行为的影响

• 发表时间: 2008
• 作者: M.Osada;M.Kakihana;H.Yasuoka;M.Kall;L.Borjesson;Yasushi Endo;Y.Endo;Y.Endo;I.Sasaki;佐藤 隆信
• 通讯作者: 佐藤 隆信