鉄をドープした強磁性半導体の電子構造と強磁性発現機構の解明

阐明铁掺杂铁磁半导体的电子结构和铁磁性表达机制

• 批准号: 17J04651
• 负责人: 坂本 祥哉
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J04651/
• 关键词: 強磁性半導体; スピントロ二クス; X線磁気円二色性; 光電子分光; 第一原理計算; 放射光; 磁性; 半導体

本研究では、Feをドープした新しい強磁性半導体の電子構造と強磁性発現の機構を解明することを目的とした。従来までのMnをベースとした強磁性半導体は、p型の電気伝導しか実現できないことや、強磁性転移温度が室温より低いという問題を抱えていた。Feをドープした系では、p型だけでなく、n型や絶縁的な強磁性半導体が実現できる。また、(Ga,Fe)Sbや(In,Fe)Sbといった物質で、室温より高い強磁性転移温度が報告され注目を集めている。2017年度は、これまでに研究してきた(In,Fe)As:Be、Ge:Feに加え、(Ga,Fe)Sbと(Al,Fe)Sbに対してX線磁気円二色性(XMCD)、共鳴光電子分光実験を行った。さらに第一原理計算も系統的に行った。共鳴光電子分光の実験では、Feの2p-3d吸収端において大きなオージェピークが観測され、Feの3d電子が遍歴性を持つことがわかった。またフェルミ準位においても、光電子スペクトルの共鳴増大が観測され、Feの3d状態がフェルミ準位に存在することがわかった。XMCD実験では、Feの2p-3d吸収端において大きなXMCD信号が観測され、この物質の磁性がFeに由来することが確認された。XMCDから求めた磁化は強磁性転移温度以上でも磁場に強く応答し、高温でもナノスケールの強磁性領域が存在することが明らかになった。この原因はFe原子が空間的に不均一に分布しているためと考えられる。第一原理計算からは、Feが3価であるという当初の予想に反し、Feの3d電子数が6であることが示唆された。これは、Sb系の半導体の価電子帯のエネルギーが高いために、電子が価電子帯に存在するより、3d軌道を占有した方がエネルギー的に安定であるためと考えらえる。また、このような状況で特に高い強磁性転移温度が実現していることから、この6つ目の電子が強磁性発現の鍵であると結論した。

本研究的目的是阐明新型铁掺杂铁磁半导体中的电子结构和铁磁性机制。传统的锰基铁磁半导体存在只能实现p型导电且铁磁转变温度低于室温的问题。在掺杂Fe的体系中，不仅可以实现p型，还可以实现n型和绝缘铁磁半导体。此外，(Ga,Fe)Sb和(In,Fe)Sb等材料已被报道具有高于室温的铁磁转变温度，并引起了人们的关注。 2017年度，除了迄今为止研究的(In,Fe)As:Be和Ge:Fe之外，我们还将研究(Ga,Fe)Sb和(Al, Fe)Sb )，进行了共振光电子能谱实验。此外，系统地进行了第一性原理计算。在共振光电子能谱实验中，在Fe的2p-3d吸收边处观察到大的俄歇峰，表明Fe的3d电子是巡回的。此外，在费米能级处观察到光电子能谱的共振增加，表明费米能级处存在Fe的3D态。在XMCD实验中，在Fe的2p-3d吸收边处观察到较大的XMCD信号，证实了该材料的磁性源自Fe。即使在铁磁转变温度以上，XMCD 确定的磁化强度也会对磁场产生强烈响应，这表明即使在高温下也存在纳米级铁磁区域。这被认为是由于铁原子的空间分布不均匀造成的。第一性原理计算表明，Fe 中的 3d 电子数为 6，这与 Fe 为三价的最初预期相反。这被认为是因为Sb基半导体的价带能量高，并且电子占据3d轨道比存在于价带中在能量上更稳定。此外，由于在这些条件下实现了特别高的铁磁转变温度，研究人员得出结论，这第六个电子是铁磁性发展的关键。

项目成果

Soft x-ray spectroscopy and first-principles calculation studies of the electronic structure of the novel high-TC ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb

新型高TC铁磁半导体(Ga,Fe)Sb电子结构的软X射线能谱和第一性原理计算研究

• 发表时间: 2017
• 作者: S. Sakamoto;N. Tu;Y. Takeda;S. Fujimori;P. Hai;L. Anh;Y. K. Wakabayashi;G. Shibata;M. Horio;K. Ikeda;Y. Saitoh;H. Yamagami;M. Tanaka;and A. Fujimori
• 通讯作者: and A. Fujimori

コロンビア大学(米国)

哥伦比亚大学（美国）

Magnetic anisotropy of L10-ordered FePt thin films studied by Fe and Pt L2,3-edges x-ray magnetic circular dichroism

利用Fe和Pt L2,3边X射线磁圆二色性研究L10有序FePt薄膜的磁各向异性

• DOI: 10.1063/1.4993077
• 发表时间: 2017
• 期刊: APPLIED PHYSICS LETTERS
• 影响因子: 4
• 作者: K. Ikeda;T. Seki;G. Shibata;T. Kadono;K. Ishigami;Y. Takahashi;M. Horio;S. Sakamoto;Y. Nonaka;M. Sakamaki;K. Amemiya;N. Kawamura;M. Suzuki;K. Takanashi;and A. Fujimori
• 通讯作者: and A. Fujimori

中国科学院(中国)

中国科学院（中国）

Large perpendicular magnetic anisotropy of the new ferromagnetic semiconductor (Ba,K)(Zn,Mn)2As2 single crystal

新型铁磁半导体(Ba,K)(Zn,Mn)2As2单晶的大垂直磁各向异性

• 发表时间: 2017
• 作者: S. Sakamoto;G. Zhao;G. Shibata;Z. Deng;K. Zhao;B. Chen;Y. Nonaka;K. Ikeda;Z. Chi;Y. Wan;M. Suzuki;T. Koide;S. Maekawa;Y. Uemura;C. Q. Jin;and A. Fujimori
• 通讯作者: and A. Fujimori