放射光第巻第号

()放射光ニュース
新博士紹介
.

氏名

水口将輝（産業技術総合研究所）

.

学位提出大学.

学位種類

博士（工学）

2003年 3 月

.

取得年月日

.

題目

.

使用施設

.

要旨

東京大学

Fabrication and Device Application of Huge
Magnetoresistance Materials
KEKPF BL1C

［序］
ハードディスク等のストレージデバイスにおける，近年の磁気記録密度の飛躍的な向上には，目を見張るものがある。これは，微細加工技術の進歩に因るものが大きいが，Figure 1. A half-metallic band structure of zinc-blende CrAs calculated by the full-potential linearized augumented-plane-wave(FLAPW ) method. 0 eV corresponds to the Fermi level. It can beseen that the spin-polarization around the Fermi edge is perfectly100.

これに伴い，磁気情報を読みとるためのヘッドの性能向上が要求されている。現行の磁気ヘッドに用いられている要通りの安定構造を取ることが知られているが，そのどちら

素 技 術 の 一 つ と し て ， ト ン ネ ル 磁 気 抵 抗 （ Tunnelingも室温では強磁性を示さない。 Fig. 1 に，その計算からMagmetoResistance ）効果が挙げられるが，既存の材料求められた閃亜鉛鉱型 CrAs のバンド構造を示す。フェルではその磁気抵抗比に限界があるとされている。一般に，ミ準位でのスピン偏極率が100であることが分かる。閃

TMR 比は，以下の式(1)で定義される。

亜鉛鉱型 CrAs は，自然界には存在しないが，同じく閃亜鉛鉱型構造をもつ GaAs との格子不整合が計算上， 1 ～ 2TMR ratio＝R a －R p 2 P u ・ P d＝Rp
1 － Pu Pd（ 1）と非常に小さく，GaAs 基板上にエピタキシャル成長する可能性が高いと予想される。この様な背景から，本研究では，エレクトロニクスとの融合性がよい半導体と，ハーここで， Rp および Ra は， TMR の両電極の 磁化の向きフメタル材料の，ハイブリッド構造の実現を目指し，全くが，それぞれ平行および反平行の時の抵抗値を表し， Pu

新しいハーフメタル“閃亜鉛鉱型 CrAs ”の作製を試み，および Pd は，それぞれ上部電極および下部電極のスピンその電子状態を，放射光を用いた in situ 光電子分光法で偏極率を表す。既存のデバイスでは，電極として Fe や調べた1,2)。

Co の様な，スピン偏極率が高々50 程度の材料が用いられている。この式から，電極のスピン偏極率がより高くな［実験方法］

れば， TMR 比は大きく向上し，仮にスピン偏極率 100 

薄膜の成長は， KEK PF BL1C に設置した角度分解型の材料が両電極に用いられれば，理論上の TMR 比は，無光電子分光装置に超高真空を保って接続された，分子線エ限大に及ぶことが予想される。

ピ タ キ シ （ MBE ） 装 置 を 用 い て 行 っ た 。 基 板 は GaAs

最近，スピンエレクトロニクスという新分野を舞台に，(001)を用い，MBE装置内でアニーリングを行い，表面を非常に注目を集めているハーフメタル（ half-metal ）材料清浄化した後，平坦性を得るため，GaAs バッファー層をとは，まさにこのスピン偏極率100の材料であり，その成長した。CrAs 薄膜の成長温度は，200°Cとし，成長速度電子状態が，majority band は金属的である一方，minori-は 1 nm/min に固定した。成長後，試料を大気に暴露する

ty band は半導体的になっているのが特徴である。これまことなく，光電子分光装置に搬送し，放射光光電子分光のでに， CrO2 ， Fe3O4 の様な遷移金属酸化物や， NiMnPt,測定を室温で行った。入射光のエネルギーは20～70 eV のPtMnSb といったホイスラー合金，ペロブスカイト型 Mn範囲で行い，価電子帯の電子状態を調べた。測定の前後で酸化物等が，ハーフメタル材料として報告されている。し表面状態に変化が無いことを確認するために，低速電子回かしながら，TMR 比に非常に大きく影響を与える，界面折（LEED）の観察を行った。また，成長後の試料の表面の平坦性や安定性という観点では，これらの材料は未だ多構造および磁気特性を，それぞれ原子間力顕微鏡（AFM）くの問題点を抱えていると言われている。

および超伝導量子干渉計（SQUID）を用いて調べた。

我々は，第一原理計算から， Cr と As の化合物が閃亜鉛鉱型構造をとったとき，強磁性相が最も安定であり，更［実験結果と考察］にその電子構造はハーフメタルになることを見いだした。

Fig. 2 に，膜厚 2 nm の CrAs 薄膜の，室温での磁気特一般に， Cr As 化合物は， MnP 型および Mn2Sb 型の二性を示す。外部磁場は試料面内に印加した。Fig. 2(b)は，――(C) 2003 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research放射光

Figure 2. (a) Magnetization curve of a CrAs thin ˆlm with thethickness of 2 nm as a function of the magnetic ˆeld measured atroom temperature. (b) Enlarged curve around low magnetic ˆeld.
All the curves were measured by SQUID.

第巻第号()

Figure 4. Valence-band photoemission spectra for (a) a CrAs thin
ˆlm with the nominal thickness of 2 nm and (b) a CrAs thin ˆlmwith the nominal thickness of 30 nm. Photon energies are shown inspectra as a unit of eV. The peaks which were indicated by ˆlledtriangles show the band-dispersion which derives from Cr 3d bands.

Fig. 4(a)は，膜厚 2 nm のエピタキシャル CrAs 薄膜の価電子帯スペクトルである。全ての入射光のエネルギーにおいて，フェルミエッジが観測され，この薄膜の伝導が金属的であることが分かった。図中のマーキングは Cr3d に由来する比較的フラットなバンドを示している。図に見られるように，G→D 方向で緩やかなバンド分散が観察され，
Figure 3. Surface morphologies of CrAs thin ˆlms grown withnominal thicknesses of (a) 2 nm and (b) 30 nm. They were probed
by ex situ AFM.

これは Fig. 1 で矢印により示されているバンドと比較的よく一致した。そのピーク位置は，フェルミ準位から 1eV 付近と非常に浅く，この Cr3d バンドがフェルミ準位での状態密度を大きくし，金属強磁性状態を安定化させてFig. 2 (a )のヒステリシスの原点付近の拡大図であるが，いると推測される。更に，図には示されていないが，Fig.

室温で強磁性的な振る舞いが観察された。また， Fig. 21 にも現れているフェルミ準位をよぎるバンドも，詳細な(a )の飽和磁化の値から，単位 CrAs あたりの磁気モーメ測定により実験的に確認された。以上から，この薄膜は理ントの値は 3 mB と見積もられ，これは理論計算により導論的に予想された閃亜鉛鉱型 CrAs に非常に近いバンド構かれる値に一致した。一方，CrAs 薄膜を30 nm まで成長造を有していることが分かり，ハーフメタルである可能性

したものについては，磁気モーメントが理論値より小さくが高いと期待される。

なっており，閃亜鉛鉱型以外の非磁性相が含まれている可一方，30 nm の CrAs 薄膜のスペクトルでは，フェルミ能性があることが分かった。これは，成長中の表面状態をエッジは確認されたものの， 2 nm の CrAs 薄膜のようなモニターする反射高速電子回折（ RHEED ）像に，膜厚 3バンド分散は確認されなかった（ Fig. 4 ( b ））。これは，nm を超えると多結晶の生成を示すパターンが現れること

30 nm の膜厚の試料では，既に結晶が多結晶化しており，にも対応しており，この臨界膜厚（ 3 nm ）以上では，閃全ての運動量空間からのスペクトルの積算状態が反映され亜鉛鉱型構造の CrAs がエピタキシャル成長できないことており，状態密度を反映しているためと考えられる。

を示唆している。
この二種類の CrAs 薄膜の表面構造を Fig. 3 に示す。

［まとめ］

膜厚 2 nm の CrAs 表面（Fig. 3(a））は比較的平坦である

第一原理計算によりハーフメタリック強磁性体であるこが，一方向に伸びる溝構造が観測された。これは，GaAsとが予言された，“閃亜鉛鉱型 CrAs ”薄膜を実際に成長と CrAs 間の格子不整合による歪みを緩和しきれなくなっすることに成功し，室温で強磁性的振る舞いを示すことをて生じた構造であると考えられる。一方，膜厚 30 nm の確認した。また， 200 °C で成長した二種類の膜厚の CrAsCrAs（Fig. 3(b））では，表面の平坦性は，より崩れてお薄膜について，価電子帯の光電子分光を行ったところ，電り，これは臨界膜厚以上では，格子不整合が無視できなく子状態の差異を反映した価電子スペクトルが得られた。膜なり，閃亜鉛鉱型構造の崩壊が始まることを示している。

厚 2 nm の CrAs 薄膜については，Cr3d バンドおよび，フ現段階では，この多結晶薄膜が，閃亜鉛鉱型構造以外の構ェルミ準位をよぎるバンドを観測し，理論計算と良い一致造をどの程度含有しているかは不明である。

をみた。この材料のスピンエレクトロニクスデバイスへのCrAs 薄膜の光電子分光測定の結果を Fig. 4 に示す。

応用を鑑みると，今後は，現在の成長限界である臨界膜厚――放射光第巻第号

()（ 3 nm ）を超える閃亜鉛鉱型 CrAs 厚膜の実現が課題であ

参考文献

ると同時に，閃亜鉛鉱型 CrAs が，実際に完全スピン偏極1)しているかを検証する実験を進めることが肝要であると考えている。

M. Mizuguchi, H. Akinaga, T. Manago, K. Ono, M. Oshima
and M. Shirai: J. Magn. Magn. Mater. 239, 265 (2002).
2) M. Mizuguchi, K. Ono, M. Oshima, J. Okabayashi, H. Akinaga, T. Manago and M. Shirai: Surf. Rev. Lett. 9, 331 (2002).

（受付番号）――