境誠司 QST におけるスピントロニクス材料研究の展開

QSTにおけるスピントロニクス材料研究の 展開

量研 量子ビーム科学部門

境 誠司

1

次世代放射光ナノ光電子分光ワークショップ2019 2019.10.2

2

情報技術 エレクトロニクス スピントロニクス

量子スピントロニクス

2000

三次元物質 半導体や金属など

低次元物質

二次元物質や分子など

2020

電子機能材料

材料技術 量子機能材料

量子テクノロジー時代

情報技術と材料科学が 量子スケールで融合

2030

磁気ディスク スピンメモリ

パソコン

1990

モバイル クラウド スパコン

量子スピントロニクスを支える量子機能材料科学の探索

・ 二次元物質スピントロニクス

・ スピンオービトロニクス

・ スピンフォトニクス,バレートロニクス 等

スピンロジック

2040

II. 先端量子ビーム計測技術の開発

I. 量子スピントロニクス材料の研究

QSTにおけるスピントロニクス材料研究 ³

II. 先端量子ビーム計測技術の開発 I. 量子スピントロニクス材料の研究

深さ分解放射光メスバウアー分光により

“鉄表面にスピンのさざ波を発見”

三井他, Physical Review Letters (10月投稿予定) 深さ分解XMCD分光による

“グラフェン/ホイスラー合金ヘテロ構造の分析”

李他, Advanced Materials (to be accepted)

スピン偏極Heビームで

“磁性絶縁体YIGの近接効果を解明”

境他, Advanced Functional Materials 28, 1800462 (2018) グラフェンスピントランジスタ スピン注入 スピン操作

深さ分解XMCD分光による

グラフェン/ホイスラー合金ヘテロ構造の分析

I. 量子スピントロニクス材料の研究① 4

S. Li, P. B. Sorokin, Y. Sakuraba, P. Avramov, K. Amemiya, S. Sakai et al., Adv. Mater., to be accepted

4

グラフェンとホイスラー合金(CFGG)の複合化に成功

グラフェン/ホイスラー合金ヘテロ構造 ホイスラー合金

グラフェン

ハーフメタル L2₁構造

CFGG:Co₂FeGe_0.5Ga_0.5

グラフェン/ホイスラー合金ヘテロ構造の創製 5

グラフェン/CFGG界面 - 深さ分解XMCD分光で分析

グラフェンスピンデバイス - 磁性電極によるスピン注入の低効率

・従来の磁性電極 –

Ni,Co,NiFe等

低スピン偏極率(40%)

スピントランジスタ

磁性電極

磁性電極 ゲート電極

グラフェン グラフェン

磁性電極

磁性電極

スピンバルブ

磁性電極 スピン注入

・グラフェン/磁性体界面

磁性やスピン偏極率が低下

高スピン偏極率(100%)

6

760 780 800 820 840

₋-₊

₋ ₊ M-P

₋-₊

Photon Energy (eV)

₋ ₊

Intensity (a.u.)

検出深さに依存したXAS/XMCDスペクトル

Fe L_2,3-edges

XAS XMCD

KEK-PF BL7A

X線吸収に伴う放出電子を角度分解して検出

二次元物質/磁性体ヘテロ構造の研究に利用

平均検出深さ：0~2 nm

Graphene CFGG

深さ分解XMCD分光

K. Amemiya, Phys. Chem. Chem. Phys. 14, 10477 (2012)

XMCD分光 – 元素選択的な電子・磁気状態の計測手法

部分電子収量法をベースに深さ分解測定を実現

超高真空その場成膜装置 7

グラフェン/CFGGヘテロ構造を作製

UHV-magnetron sputtering

CFGG deposition

UHV-CVD

graphene growth

RHEED

surface structure analysis

XPS

sample characterization

Ultra-high vacuum

MgO(001) CFGG Graphene

Benzene

600 °C

QST Takasaki

MgO(001) Graphene CFGG

E-gun

Screen

8

//CFGG[100]

CFGG

Graphene

RHEED パターン

//CFGG[110]

CFGG

Graphene

Super lattice (L2

structure)

・ グラフェン/CFGG界面の高い平坦性

・ CFGGのL2

構造(~ハーフメタル性)が保たれている

・ グラフェンはランダムな面内配向(多結晶)

界面の構造を観察

L2₁構造 Co

Fe

Ge/Ga

Graphene CFGG

9

760 780 800 820 840

₋-₊

₋ ₊ M-P

₋-₊

Photon Energy (eV)

₋ ₊

Intensity (a.u.)

検出深さに依存したXAS/XMCDスペクトル

Fe L_2,3-edges

XAS XMCD

KEK-PF BL7A

X線吸収に伴う放出電子を角度分解して検出

二次元物質/磁性体ヘテロ構造の研究に利用

平均検出深さ：0~2 nm

深さ分解XMCD分光

K. Amemiya, Phys. Chem. Chem. Phys. 14, 10477 (2012)

XMCD分光 – 元素選択的な電子・磁気状態の計測手法

部分電子収量法をベースに深さ分解測定を実現

10

2.4 2.6 2.8

2.4 2.6

4 6 8 10 12 14 16 18

0.0 0.1 0.2

m_spin

Magnetic moment of Fe ()

m_total

Mean probing depth, _p (Å) m_orb 0.8

0.9 1.0 1.1

0.7 0.8 0.9 1.0

4 6 8 10 12 14 16 18

0.06 0.09 0.12 Magnetic moment of Co ()

m_total

m_spin

m_orb Mean probing depth, _p (Å)

CFGG

・ 界面直下でスピンモーメントと軌道モーメントが増大

・ 界面付近でもバルクに近い磁気モーメントを保持

Co, Feの磁気モーメントの検出深さによる変化

磁化方向：面内

グラフェン/CFGGヘテロ構造の深さ分解XMCD分光

bulk bulk

11

280 290 300 310 320



Intensity (arb.unit)

Photon energy (eV)

=°

=°



参考. グラフェン/Ni(111)

Photon energy (eV)

Intensity (a.u.)

280 290 300 310 320

Y. Matsumoto et al., J. Mater.

Chem. C 1, 5533 (2013)

C K-吸収端 XASスペクトル

X線入射角度  = 30°, 90°

グラフェン

→ グラフェン/磁性金属と異なり電子状態の変調が少ない

・ グラファイトやグラフェン/Cuと類似のシャープな  *ピーク

グラフェン/CFGGヘテロ構造の深さ分解XMCD分光

* *

3.3 Å

1 2 3 4 5 7 6 Atomic layer number 8

12

1.5 1.8 3.0 3.3

1.5 1.8 3.0

0.04 0.06 0.08

1 2 3 4 5 6 7 8

6.0 6.5 7.0 7.5

m_spin m_total

Atomic layer number Distance from the surface (Å)

m_orb Magnetic moment (B)

3.3 4.7 6.2 7.6 9.1 10.5 11.9 13.4

number, n3d3d-electron

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3

-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3

-100 -50 0 50 100

4th

3rd 2nd

P (%)

E-E_f (eV) 1st

DOS (arb. unit)

E-E_f (eV)

1^st 2^nd 3^rd 4^th

CFGGの原子層分解DOS

考察

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3

DOS (arb. unit)

E-E_f (eV) -0.52 eV

グラフェンのDOS

Spin-down Spin-up

各原子層の磁気モーメント

特徴的な界面相互作用がグラフェンとCFGGの性質を保護

4×10^-4

-4×10^-4 e/ų

グラフェン/CFGG界面の相互作用

ファンデルワールス結合＆電荷分極

Fe Co

結論

グラフェン/CFGGヘテロ構造の深さ分解XMCD分光

グラフェンデバイスのスピン注入の高効率化が期待

・ 界面近傍におけるCFGGの磁気的ロバストネスや高スピン偏極率

・ グラフェンのスピン輸送を司る  バンド(ディラックコーン)の維持

グラフェン/ホイスラー合金ヘテロ構造

スピントランジスタ

磁性電極

磁性電極 ゲート電極

グラフェン

13

スピン注入 スピン操作

スピン偏極Heビームで

磁性絶縁体YIGの近接効果を解明

I. 量子スピントロニクス材料の研究② 14

S. Sakai, Y. Yamauchi, Y. Yamada, P. Sorokin, P. Avramov, K. Ando et al., Adv. Funct. Mater. 28, 1800462 (2018)

14

グラフェンスピンデバイスの課題

グラフェンのスピン分極状態 – スピン偏極Heビームで観測

ホイスラー合金で解決できそう！

・磁性電極(金属)によるスピン注入の低効率

・ゲート電極(絶縁体)によるスピン操作

・・・スピン軌道相互作用は有効でない

磁気近接効果によるスピン操作

15

グラフェン/YIGヘテロ構造の異常ホール効果

Z. Wang, Phys. Rev. Lett. 114 016603 (2015)

グラフェンが強磁性に!?

グラフェンをYIG上に転写 して作ったホール素子

スピントランジスタ

磁性電極

磁性電極 ゲート電極

グラフェン

スピン注入 スピン操作

スピン偏極準安定He脱励起分光(SPMDS) ¹⁶

Spin-polarized He atom

e



1s 2s

Auger electron

Graphene YIG Electron analyzer

Thermal beam of spin-polarized He

Graphene YIG UHV(10

Pa)

最表面にある原子層だけを観測

オージェ電子のエネルギースペクトル(MDSスペクトル) → 状態密度

✓

スピンに依存した強度変化(スピン非対称率スペクトル) → スピン偏極

✓

グラフェン/YIGヘテロ構造のSPMDS ¹⁷

MDSスペクトル(上)とスピン非対称スペクトル(下)

5 4 3 2 1 0

-5 0 5 10

Binding energy, E

(eV) S p in as y m m et ry, A ( % ) In ten si ty , I ( a rb. un it s )

Dirac cone

100 K

Graphene

YIG

Spin-polarized He beam

M

グラフェンは、バンド構造を維持しつつ、

YIGの近接効果によりディラックコーンがスピン分裂

負のスピン偏極

グラフェン/YIGとYIGのMDSスペクトル

測定温度:室温

0 5 10 15

In ten s it y, I ( a rb. u ni ts )

E

E

Kinetic energy, E

(eV) bare YIG

monolayer graphene/YIG

ホール効果の測定結果

異常ホール効果を確認

結論

グラフェン/YIGヘテロ構造のSPMDS

グラフェンスピントランジスタのスピン操作等への応用

磁性絶縁体とのヘテロ構造を用いることで、

グラフェンのバンド構造を保ちつつスピン偏極状態を制御できる！

18

スピントランジスタ

磁性電極

磁性電極 ゲート電極

グラフェン

スピン操作

深さ分解放射光メスバウアー分光により

鉄表面にスピンのさざ波を発見

II. 先端量子ビーム計測技術の開発 19

T. Mitsui, S. Sakai, M. Seto, H. Akai et al., Phys. Rev. Lett., to be submitted

19

深さ分解放射光メスバウアー分光の開発 ²⁰

2017 深さ分解計測技術を開発 – 世界初の超高真空in situ実験装置

2018 超単色放射光のマイクロビーム化 – 高感度化,顕微測定を可能に

材料・デバイス内の量子スケールのスピンの振る舞いが計測可能に

火星に水の痕跡

Science, 2004

観測対象：塊(バルク) 観測対象：原子(表面・界面)

次世代スピントロニクスデバイス

【従来】 【QST】

Fe

Graphene Y

Fe

O

C

省エネメモリ・

トランジスタ

21

代表的な磁性元素、スピントロニクスデバイスで多用

鉄(Fe)

デバイス開発 – 界面の制御が鍵

T. Mitsui, S. Sakai, M. Seto, H. Akai et al., Phys. Rev. Lett., to be submitted

MRAM

Fe

Fe MgO

HDD

スピントロニクスデバイス

紀元2019年

デリーの鉄柱

紀元415年

Fe表面(真空/Fe界面)の性質は古来の謎

N ML 1 ML

MgO(001) Fe(001)

5 nm

原子分解能深さ分解メスバウアー分光

鉄表面にスピンのさざ波を発見

全反射

57Fe

56Fe

~5 nm

超高真空深さ分解メスバウアー分光装置

SPring-8 QST専用BL(BL11XU)

狙った深さ(1~7ML)に⁵⁷Fe層(0.8ML)を埋め込み RHHED像

22

57Fe (0.8 ML)

MgO(001)

56Fe N ML

5.0 nm

1 ML = 0.114 nm

0.96 1

0.96 1

Relative Intensity

0.96 1

-8 -4 0 4 8

0.98 1

Velocity (mm/s)

0.96 1

-8 -4 0 4 8

0.98 1

Velocity (mm/s)

0.96 1 0.96 1 0.96 1 0.96

7 ML 1

4 ML

3 ML

2 ML

1 ML

Velocity (mm/s)

Relative intensity

1 2 3 4 5 6 7

0 50 100

Component ratio (%)

Embedded depth of ⁵⁷Fe layer, N (ML) 57

Fe層の埋め込み深さによるメスバウアースペクトルの変化

右図：各成分の相対強度の埋め込み深さ依存性

赤

- 1原子層目, 青 - 2原子層目, 緑 - 3原子層目以上

表面に近づくにつれてスペクトルが複数成分に分離

23

-10 -5 0 5

Δ

(T )

1 2 3 4 5 6 7

-0.4 -0.2 0

Δ

(m m /s )

Probing depth, N (ML)

0 0.1

Δ

(m m /s )

-5 0 5

Δ

(T )

1 2 3 4 5 6 7

-0.4 -0.2 0

Δ

(m m /s )

Probing depth, N (ML)

0 0.1

ΔIS

(m m /s )

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Δ

(

)

内部磁場, アイソマーシフト, 四極子分裂の深さ依存性

モデル計算 - 磁気モーメント

D

内部磁場

-

-

-

解析結果 モデル計算

RT

LT(40-60 K)

鉄表面に原子層単位の磁気フリーデル振動が存在！

In te rn a l m a g n e ti c f ie ld Is o me r s h if t Q u a d ru p o le s p lit ti n g

Fe Fe

Fe Fe

Fe

結論

24

・ 原子層分解能の深さ分解放射光メスバウアー 分光技術を開発

・ 鉄表面に磁気フリーデル振動の存在を発見

理論的予測 - C. S. Wang & A. J. Freeman, PRB (1981)

Wang & Freeman (1981)

深さ分解放射光メスバウアー分光

磁気ヘテロ構造界面・磁性体表面研究の新ツール

真の深さ分解計測

-

-

多様な計測環境

-

QSTにおけるスピントロニクス材料研究 ²⁵

II. 先端量子ビーム計測技術の開発 I. 量子スピントロニクス材料の研究

深さ分解放射光メスバウアー分光により

“鉄表面にスピンのさざ波を発見”

三井他, Physical Review Letters (10月投稿予定) 深さ分解XMCD分光による

“グラフェン/ホイスラー合金ヘテロ構造の分析”

李他, Advanced Materials (to be accepted)

スピン偏極Heビームで

“磁性絶縁体YIGの近接効果を解明”

境他, Advanced Functional Materials 28, 1800462 (2018) グラフェンスピントランジスタ スピン注入 スピン操作

量子ビーム計測技術群でスピントロニクスの発展に貢献

謝辞

26

QST 李 松田, 三井 隆也, 上野 哲朗, 綿貫 徹 他

KEK 雨宮 健太

東大物性研 赤井 久純

NIMS 山内 泰, 桜庭 裕弥

MISiS(Russia) Pavel B. Sorokin 他

京大 瀬戸 誠 他

慶北大(韓国) Pavel V. Avramov

筑波大 山田 洋一 他

未来へ

27

760 780 800 820 840

₋-₊

intensity (arb. unit)

₋ ₊

₋-₊

Photon Energy (eV)

₋ ₊

Co L_2,3

深さ分解(_p~4 Å) 全電子収量(_p~5 nm)

700 720 740

₋-₊

intensity (arb. unit)

₋ ₊

Fe L_2,3

₋-₊

Photon Energy (eV)

₋ ₊ 全電子収量(_p~5 nm)

深さ分解(_p~4 Å)

28

・ グラフェン/CFGG界面付近に酸化物やカーバイドは存在しない

・ 界面直下でも強磁性を維持(保磁力あり)

Co, Fe L

-吸収端 XAS・XMCDスペクトル

磁化方向：面内 (



グラフェン/CFGGヘテロ構造の深さ分解XMCD分光

29

After annealing

Graphene

大気中アニールによる色の変化

with optimization (100% coverage) without optimization

(50% coverage) Graphene

After annealing Before annealing

20μm

Before annealing

1200 1400 1600 1800 2600 2800 3000 3200

20μm

O₂ G

2D

Intensity(arb. unit)

Raman shift(cm^-1) D

ラマンスペクトル

1.0nm

STM

Super lattice (L2

structure)

MgO(001)

L2

ordered CFGG (40 nm)

Graphene

XRDパターンの例

L2

= 70%

Grp/CFGG interface

グラフェン/CFGGヘテロ構造のキャラクタリゼーション

30

1 2 3 4 5 6 7 8

3.3 Å 3.6 Å

1.5 1.8 3.0 3.3

1.5 1.8 3.0

0.04 0.06 0.08

1 2 3 4 5 6 7 8

6.0 6.5 7.0 7.5

m_spin m_total

Atomic layer number Distance from the surface (Å)

m_orb Magnetic moment (B)

3.3 4.7 6.2 7.6 9.1 10.5 11.9 13.4

number, n3d3d-electron

1.5 1.8 3.0 3.3

1.5 1.8 3.0

0.04 0.06 0.08

1 2 3 4 5 6 7 8

6.0 6.5 7.0 7.5

3.6 5.0 6.5 7.9 9.4 10.8 12.2 13.7

Atomic layer number Distance from the surface (Å)

Magnetic moment (B)

m_orb m_spin m_total

number, n3d3d-electron 1

2 3 4 5 7 6 8

31

Co

dz2 dx2-y2

dxy dxz dyz

Co

dz2

dx2-y2

dxy dyz

dxy

Octahedral Square pyramidal

L. Zhang PRB 86 245430 (2012)

33

[100]

[110]

RHEED像(in situ) AFM像(ex situ)

Roughness < 0.3 nm

34

MgO(001)

56

Fe 7ML

MgO(001)

56

Fe 4ML

MgO(001)

56

Fe 3ML

MgO(001)

56

Fe 2ML

MgO(001)

56

Fe 1ML

57

Fe probe layer (0.114 nm ~ 0.8 ML)

5 nm Specular reflection

Magnetized direction Fe [110]

57

Fe-SMS

Right circular

polarization e

Detector

Be Be

SRMS chamber

(< 2x10

Pa )