自己形成面内変調人工格子の作製と磁気機能性材料への応用

(1)

自己形成面内変調人工格子の作製と磁気機能性材料

への応用

著者

高梨弘毅

(2)

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(3)

はしがき

ナノスケールの変調構造を人工的に付与された磁性体には、磁化、磁気異方性、磁

気伝導効果、磁気光学効果などの磁気機能性に特異な現象が現れる。1次元の周期構

造を有する金属人工格子に見られる巨大磁気抵抗効果や垂直磁気異方性はその好例で

あり、磁気記録技術の進歩に大きく貢献している。磁性薄膜における膜面垂直方向の

積層構造に関しては、近年の急速な技術進歩によって、単原子レベルでの制御が可能

になってきている。一一一方、面内方向の微細な構造制御に関しては、現在リソグラフィ

ーなどの微細加工技術を用いて盛んに研究が行われているが、サブミクロンよりも小

さい構造の形成は容易でない。今後の更なる磁気機能件の探索や発展のためには、3

次元化を展望できる新しい人工微小構造制御法の確立が必要であるが、数ナノメート

ルという極微小な変調周期の実現や低コストで工業化可能であることが強く望まれる。

本研究では、表面相分離などの面内変調構造の自己形成過程に注目し、その探査・

制御による新しいナノ構造の創製法に関する研究を行った。更に得られたナノ構造が

有する新許な磁気機能性についても広範囲に調べ、磁性材料・磁気デバイスに有用な

特性の実現を目指した。

木報告書は、3年間にわたる研究成果をまとめたものであり、学術雑誌に既に公表

した論文13編に加え、未公表の解説2編を含んでいる。それらの内容は、自己形成

Feナノ粒子の面内配列の制御、FeAl表面におけるナノポアの形成およびそのテンプレ

ート効果によるFePtの磁気特性の制御、多層積層と表面拡散のための熱処理による8

面体構造FePtナノ粒子の自己形成、酸素反応スバッタによるNiO薄膜表面上の多種多

様な面内変調構造の形成およびNiOの表面構造をテンプレートとするFeナノ粒子配

列の作製と磁気特性、n（100）上のFe−Au2次元合金の表面相分離による面内変調構造

の創製と磁気特性、等々である。なお、未公表の解説2編は、それぞれ研究協力者・

杉原敦氏と原子大輔氏の修士学位論文を本報告善用に再構成したものである。

一1一

(4)

研究組織

研究代表者：高梨弘毅

研究分担者：三谷誠司

研究分担者：嶋敏之

研究分担者：吉見亨祐

研究協力者：

兵師寺啓

高橋有紀子

宝野和博

石尾俊二

李国慶

伊藤弘高

（東北大学金属材料研究所教授）

（東北大学金属材料研究所助教授）

（東北大学金属材料研究所助手、平成17年度

より東北学院大学工学部助教授）

（東北大学大学院環境科学研究科助教授）

（東北大学金属材料研究所助手）

（物質材料研究機構研究員）

（物質材料研究機構フェロー）

（秋田大学上学資源学部教授）

（東北大学金属材料研究所ボスドク）

エルヌフランク（日本学術振興会外国人ボスドク）

藤井一郎（東北入学金属材料研究所大学院生）

定方徹（東北大学金属材料研究所大学院生）

林健一一一一一（東北大学金属材料研究所大学院生）

関剛斎（東北大学金属材料研究所大学院生）

王東玲（東北大学金属材料研究所大学院生）

岡村光浩（東北大学金属材料研究所大学院生）

萩生田学（東北大学金属材料研究所大学院生）

杉原敦（東北大学金属材料研究所大学院生）

原子大輔（東北大学金属材料研究所大学院生）

大道悟（東北大学金属材料研究所大学院生）

(5)

交付決定艦

（金額単位：千円）

直接経費間接経費合計平成 1 6 年度 _{1 8 ， 7 0} ₀ _{5 ， 6} _{1 0} _{2 4 ， 3} _{1 0} 平成 1 7 年度 _{1 4 ， 9 0} ₀ _{4 ， 4} ₇ ₀ ₁ _{9 ， 3} _{7 0} 平成 1 8 年度 _{5 ， 0 0} ₀ _{1 ， 5} ₀ ₀ _{6 ， 5 0} ₀ 総計 _{3 8 ， 6 0} ₀ ₁ _{1 ， 5} ₈ ₀ ₅ _{0 ，} _{1 8} ₀

研究発表

途去

（1）T．Shima，K．Takanashi，Y，K．Takahashi and H．H。nO

Coercivity exceedinglOO kOein epitaxially grownI：ePt sputtered films Appl．Phys．Lett．，85（2004）2571．

（2）K・Yakushiji，F．Ernult，H．lmamura，K．Yamane，S．Mitani，K．Takanashi，S． Takahashi，S．Maekawa，H．Fujimori

Enhaneed spin accumulation and novel magnetotransportin nanoparticles ＼ature Materials，4（2005）57．

（3）G：Q・Li，H．Takahoshi，H．Ito，T．Washiya，H．Saito，S，lshio，T，Shimaa。d K．Takanashi

Mechanism of magnetization process ofisland−1ike Llo FePt film J．Magn．Magn．Mater．，287（2005）219．

(6)

（4）F．Ernult，S．Mitani，K．Takanashi，Y．K．Takahashi，H，Hono，Y．Takahashi and E．Matsubara

Self−alignment of Fe nanoparticles on a tunnel barrier

Appl．Phys．Lett．，87（2005）0331は

（5）T．Seki，T．Shima，K．Yakushiji，K．Takanashi，G：Q．Li and S．lshio Improvement of hard magnetic properticsin microfabricated LlO−FePt dot arrays upon postLannealing

lEEE Trans．Mag．，41（2005）3604．

（6）rI．Ito，T．Shima，K．Takanashi，Y．K．Takahashi and K．IIon。

Control of the size for octahedral FePt nanoparticles and their magnetjc pr〔）Perties

IEEE Trans．Mag．，41（2005）3373．

（7）T．Shima，K．Takanashi，Y．K．Takahashi，K，Hono，G．Q．Li and S．Tshio Nucleation−type magentization behaviorin FePt（001）particulate rilms J．Appl．Phys．，99（2006）033516．

（8）T．Shima，K，Takanashi，Y．K．Takahashi and K．Hono

Formatjon of oct卑hedral FePt nanoparticles by alternate deposition or FePt and MgO

Appl．Phys．Lett．，88（2006）063117．

（9）L Fujii，T，Shima and K．Takanashi

Magnetic properties of LlO ordered FePt films prepared on a Fe￣Si−B￣Nb￣Cu soft

magnetic undeTlayer

Mater．Trans．，47（2006）47．

（10）F．ETnult，S．Mitani，K．Takanashi，Y．K．Takahashi and K．Hono

Self−aSSembled rnetallic nanoparticles for spin dependent single electron tunnellng

Phase Transitions，79（2006）717．

(7)

（11）T．Seki，T．Shima，K．Yakushiji，K．Takanashi，G．Q．Li and S．lshio Dot size dependence oF rnagIletic propertiesin microfabricated L1，．−FePt（001）and Ll。−FePt（110）dot arrays

J．Appl．Phys．100（2006）043915．

（12）T．Shima，M．Okarnura，S．Mitani and K．Takanashi

StructureandmagneticpropertiesforLl0−0rderedFeNifilmspreparedbyalternate monatomiclayer deposition

J．Ma那1．Magrl．Mater．310（2007）2213．

（13）M．Hagiuda，S．Mitarli，T．Seki，K．Yakushiji，T．Shima and K．Takanashi

Epitaxial growth of Ll。一rePt／MgO／I，1。−FePt trilayer structures

J．Magrl．Magn．Mater．310（2007）1905．

学会発表

a．国際会議

（1）K．Takanashi（Invited）

NanostruCture and hard magnetjc propertiesin FePt thin films

Tnternational Symposium on Spintronics and Advanced Magnetie Technologies and InternationalSymposiumonMagnetjcMaterialsandApplications（ISAMT／SOMMA）2005 Taipej，Taiwan，24−27August 2005

1anostructure and hard magnetization processin FePt thin films

61h Tnternational Symposium on Physics and Magnetic Materials（1SPMM2005） Singapore，14r16Septernber2005．

（3）Il．1to，T．Shima，K．Takanashi，Y．K．Takahashi and K．Hono

Control of the size of octahedral FePt nano−dots and their magnetic properties International Magneties Conference（lntermag），4−8Apri12005，Nagoya，Japan

(8)

（4）T．Seki，T．Shima，K．Yakushiji，K．Takanashi，G．LQ．IJi and S・lshio Magnetic propertjesin epitaxial Llo FePt dot arrays

IIlternational Magnetics Conference（Intermag），4p8Apri12005，Nagoya，」apan

（5）S．Mitani，K．Yakushiji，F．Ernult and K．Takanashi

Spin accumulation and tunnel magnetoresistancein Au nanoparticles

Conference on Magnetismand Wagnetie Materials（MMⅢ），300ctoberL3November，

2005，SanJose，USA

（6）M．Hagiuda，S．Mitani and K．Takanashi

Preparation of epiLaxial MgO tunnel barriers on f：ePt electrodelayprs

Conference on Magnetismand Magnetic Materials（仙川），300ctober−3November，

2005，SanJose，LSA

Fabrication of metallic nanoparticles for spirrdepeTldent single electron tunneling

Lyon−TohokuInternalionalForumforJointAnniversary，Lyon，France，8￣9February

2007．

（8）D．Wang，T．Seki，F．Ernult，K．Yakushiji，and K・Takanashi

Magnetizatjon process of microfabricated Ll。■FePt dot arrays

19tILInternational Colloquiumonmagnetic Films and Surraces，14￣18August2006，

Sendai，Japan

（9）A．Sugihara，F．Ernult，S．Mitani，G．Q．Li，and K，Takanashi

Preparation of self−aSSembled structures at the surface of NiO thin films

19圧InternationalColloquiumonmag11etic Films andSurfaces，14￣18August2006，

Sendai，、Japan

（10）軋 Hagiuda，S．Mit．ani，T．Seki，K．Yakushiji，T．Shima，and K・Takanashi

Fabrication of Magnetie tunnel junctions using perpendicularly magnetized

(9)

Ll。−FePt（001）fHms．

International Conference on Magnetism，August 20−25，2006

（11）S．Mitani，F．Ernult，K．Yakushiji and K，Takanashi

Tunnel magnetoresistancein double tunnel junctionsincluding FeCo，Au，Ag AND Pd nanoparticles

International Conference on Magnetism，August20−25，2006，Kyoto，Japan

b．国内学会

（り関剛斎、定方徹、嶋敏之、薬師寺啓、高梨弘毅、李国慶、石尾俊二

微細加工FePtドット配列の作製とその磁気特性

日本金属学会2005年春期大会、2005年3月29−31日、横浜国立人草

（2）高梨弘毅（シンポジウム基調講演）

Lln型i届）t規則合金のナノ構造化と電磁気機能

日本金属学会2005年秋期、広島大学東広島キャンパス、2005年9月28−30日

（3）藤井一郎、嶋敏之、高梨弘毅

ナノ結晶軟磁性層上に作製したFePt規則合金薄膜の構造及び磁気特性

日本金属学会2005年秋期大会、2005年9月28−30日、広島大学

（∫1）三谷誠司、エルヌフランク、薬師寺啓、高梨弘毅

Auナノ粒了・を用いた2重トンネル接合におけるスピン蓄積とトンネル磁気抵抗効果

第29回川本応用磁気学会学術講演会、2005年9月19−22日、信州大学

（5）萩生田学、三谷誠司、関剛斎、薬師寺啓、嶋敏之、高梨弘毅

LlO−FePt（001）垂直磁化膜を用いたトンネル接合の作製

第29回日本応用磁気学会学術講演会、2005年9月19−22日、信州大学

（6）杉原敦、エルヌフランク、三谷誠司、高梨弘毅

反応性スパッタリングにより作製したNiO薄膜表面における自己形成ナノ構造

日本金属学会2006年秋期大会、2006年9月16−18日、新潟大学

−7−

(10)

（7）原子大輔、三谷誠司、高梨弘毅

Pt（001）上におけるFe−Au合金超薄膜の自己組織的面内規則構造と磁気的特性

日本金属学会2006年秋期大会、2006年9月16−18口、新潟大学

（8）萩生田学、三谷誠司、関剛斎、薬師寺啓、嶋敏之、高梨弘毅

垂直磁化I．1。−FePt／MgO／Ll。−FePt（001）3層構造の作製とトンネル磁気抵抗効果

第30回日本応用磁気学会学術講演会、2006年9月1卜14日、島根大学

（9）王東玲、関剛斎、高梨弘毅

Coercivity analysis of Llo−FePt dot arrays

日本金属学会2007年春期大会、2007年3月27− 29日、千葉工業大学

（10）三谷誠司、薬師寺啓、エルヌフランク、高梨弘毅

ナノ粒子を中間電極とする単結晶2重トンネル接合の作製とスピン蓄積効果

日本物理学会2006年秋期大会、2007年9月23→26日、千葉大学

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研究成果

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自己形成面内変調人工格子の作製と磁気機能性材料への応用