貴金属フリー高磁気異方性材料

L10 型 FeNi 規則合金の作製と評価
水 口 将 輝
小 嶋 隆 幸
高 梨 弘 毅
小 嗣 真 人 白 井 正 文

.

は じめに

近年のナノテクノロジーの発展に伴い，磁気記録密度は増加の一途にある．市販のハードディスクドライブ( HDD )の記 録 密 度 は 近 々 1T bit / inch2 に 到 達 す る と 予 想 さ れ て おり，更なる大容量化，小型化という時代の要請に応じてなお上昇を続けている．HDD では，ビットを構成する磁気クラスターの磁化の向きを“ 0 ”および“ 1 ”の 2 値情報に割り当てて利用している．しかしながら，高密度化のためにビットを構成する磁性クラスターを微小化していくと，有限温度

図1

L10 型 FeNi 規則合金の模式図．

下では熱揺らぎの効果により媒体の磁化が一定の方向を向かず，不安定となる現象が生じる(これを超常磁性状態といれているのが現状である．そのため，これが FePt となるとう)．ボルツマン定数を kB，温度を T，実効的な磁気異方性80近くの重量が Pt となってしまう．このことからも，Pt

エネルギーを Ku,eff，磁化単位体積を V としたとき，熱擾乱を他のユビキタス元素で代替できればその経済的効果が絶大のエネルギー kBT の値が，媒体の磁化を容易軸方向に保持であることは想像に難くない．

するエネルギー Ku,eff・ V に比べて無視できないほど大きな

そこで，我々は貴金属を含まない高磁気異方性材料とし値をとる場合，超常磁性状態が発現する．このため，さらにて，材料が潤沢かつ安価な Fe と Ni を用いた「単結晶 L10

記録密度を向上させるためには，磁気異方性エネルギー自体型 FeNi 規則合金」の創製に取り組んでいる．FeNi 合金は，を増加させる必要が生じる．

低温領域の等比組成(Fe50Ni50)付近において L10 型規則合金

高い一軸磁気異方性“ Ku ”を有する材料を用いることにの存在が指摘されている(図に模式図)．しかしながら，より，実効的な磁気異方性エネルギーを高く保つことができ

L10 型 FeNi 規則合金は超徐冷環境において形成される合金

る．その様な材料群の一つとして，L10 合金が注目を集めてであり，自然界では石質鉄隕石中にのみ含まれる．これまでい る ． 代表 的 な材 料 と して ， L10 型 FePt あ る いは L10 型に人工的に作製された例としては中性子線(2)，電子線(3)あるなどについて盛んに研究が行われている(1)．これらのいはイオン(4)等の照射という大規模な手法に限られており，材料はその垂直磁気異方性が Ku ＝ 5 × 106 J / m3 を超え，磁薄膜作製に関する知見およびその特性は明らかにされていな

CoPt

気特性は十分であるが，市場価格が高騰する Pt などの貴金い(垂直磁気異方性定数としては，中性子線照射で作製した属を用いており，元素戦略的には大きな問題がある．例えば，バルク試料で Ku ＝ 1.3 × 106 J/ m3 という報告がある(2) )．我HDD の部品に含まれる Pt の重量自体はさほど多くはない々は，「単原子交互積層法」と呼ばれる手法により L10 型が，これを製造するプロセスにおいて用いられる薄膜製造用FeNi 規則合金薄膜を作製することを目指している．この手の金属ターゲットでは，その半分程度の重量が Pt で占めら

法は，異なる元素の単原子層を交互に蒸着することにより，東北大学准教授金属材料研究所(〒9808577 仙台市青葉区片平 211)
東北大学大学院生金属材料研究所
東北大学教授金属材料研究所
高輝度光科学研究センター研究員SPring8/JASRI
東北大学教授電気通信研究所
Fabrication and Properties of Novel Metalfree L10 Type FeNi Ordered Alloy with High Magnetic Anisotropy; Masaki Mizuguchi,Takayuki Kojima, Koki Takanashi, Masato Kotsugiand Masafumi Shirai(Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai. Japan Synchrotron Radiation Research Institute (SPring8/JASRI), Kouto, Hyogo. Research Institute of ElectricalCommunication, Tohoku University, Sendai)
Keywords: magnetic anisotropy, ordered alloy, molecular beam epitaxy (MBE ), thin film, alternate monatomic deposition, order parameter
2011年 6 月15日受理

ま て り あ 第50巻 第 9 号(2011)Materia Japan

c 軸方向に磁気異方性を有する規則合金を人工的に作製する技術である(5)(6) ．実際に， L10 型 FeNi の格子定数( a  c ＝0.358 nm )と比較的格子整合する Ni 薄膜をバッファー層にして FeNi 薄膜の作製を試みたが，バッファー層が強磁性体であるため精密な磁気特性の評価には至らなかった(7)．本稿
では，非磁性かつ L10 型 FeNi と格子整合の良いバッファー層として Cu 薄膜および AuCuNi 三元合金薄膜を用い，この上に L10 型 FeNi 薄膜をエピタキシャル成長して，その構

図2

基板温度 187 °C で成膜した FeNi 薄膜の Ni50 原子層目成膜後の反射高速電子回折像．

図3

Cu バッファー層上に基板温度 187 °C で成膜した( FexML / NixML )y 薄膜の磁化曲線の一部 (外部磁場 は 膜 面 垂 直 方 向 に 印 加 ) ． ( x,y ) ＝ ( 1,50 ) ,(2,25), (3,17)．

造特性・磁気特性を調べた(8)(12)．また，バッファー層の種類と FeNi 薄膜の磁気異方性の関係や， FeNi 薄膜の成長条件と異方性の関係などを明らかにした．これらにより高い垂直磁気異方性を有する新材料「L10 型規 FeNi 規則合金薄膜」の創製に向けた研究を行ったので紹介する．

.

実験方法および結果

FeNi 規則合金層およびその下地層の成膜は，分子線エピタキシ法により行った．MgO(001)単結晶基板を洗浄し，超高真空中で表面のフラッシング処理を行った．続いて， Feシード層(1 nm)および Au バッファー層(20 nm)を基板温度80 °C で成膜した後， Cu バッファー層( 50 nm )を基板温度500°
C で成膜した．我々の以前の研究から，このバッファー層は AuCu3 合金を形成し原子レベルで平坦な表面を有することが分かっている(8)．次に，FeNi 薄膜層を，この AuCu3バッファー層上に成膜した(11) ． Fe および Ni の単原子層をいくつかの基板温度で Fe, Ni の順に交互に 50原子層ずつ蒸着した．蒸着レートは成膜チャンバに備えられた水晶振動子を用いた膜厚計により制御した．図に基板温度 187 °Cで成膜した FeNi 薄膜の Ni50 原子層目成膜後の反射高速電子回折( RHEED )像を示す． 50 層成膜後も RHEED 像には明確なストリークパターンが認められ， FeNi 層のエピタキシャル成長が確認された．
SPring 8 の放射光を用いて FeNi 薄膜の X 線回折を行ったところ， FeNi の超格子ピークを確認することができ，
L10 型 FeNi 規則合金層が形成されたことが分かった．続いて，超伝導量子干渉計( SQUID )を用いて FeNi 薄膜の磁気特性を測定した．試料を 4 mm×4 mm の大きさに切り出し，SQUID に封入した後，室温で膜面平行方向および膜面垂直

実際に垂直磁気異方性が L10 型構造に起因しているのか方向に外部磁場を印加して磁化を測定した．二つの磁化曲線を確かめるため， Fe2 原子層と Ni2 原子層の交互積層薄膜に囲まれた面積と形状磁気異方性の大きさから正味の垂直磁および Fe3 原子層と Ni3 原子層の交互積層薄膜を作製し，気異方性( Ku )の大きさを算出した．基板温度 150 °C からその磁化特性を L10 型 FeNi 薄膜( Fe1 原子層と Ni1 原子層

250 °
C の範囲で成膜した数種類の FeNi 薄膜の Ku の大きさの交互積層薄膜)のそれと比較した．基板温度は全て 187°
Cを見積もったところ，187°C で成膜した FeNi が最も高い Kuとし，総膜厚が全て同じになるように積層回数を設定した．

( 4.8 × 105 J/ m3 )を示した．しかしながら，薄膜形状に起因図にそれぞれの試料に外部磁場を膜面垂直方向に印加したする形状磁気異方性が Ku よりも大きいため，磁化容易軸はときの磁化曲線を示す．原子層数が 1 原子層から 2 原子層，膜面平行方向であることが分かった．磁気異方性の大きさが3 原子層と増加するに従い，飽和磁化の値が減少することが理論値ほど大きくない原因として，合金化した AuCu3 バッ分かった．また，磁化が飽和する外部磁場の大きさ(異方性ファー層が Cu の格子定数より a 軸方向に伸張しているため，磁界)は原子層数の増加に従い増加することも確認できた．

FeNi 層に面内引っ張り歪みがかかっていることが想定されこれらの薄膜の垂直磁気異方性を見積もったところ，原子層る．

数が増加すると磁気異方性が著しく減少した(表)．これに

ミ ニ 特 集表1

Cu バッファー層上に基板温度 187 °C で成膜した( FexML / NixML )y 薄膜の垂直磁気異方性．( x, y )＝(1, 50), (2, 25), (3, 17)．
x123Ku(105 J/m3)

4.80.810.39

より， L10 型 FeNi 薄膜で観測される垂直磁気異方性は確かに L10 型構造に因るものであることが推察される．
さらに高い垂直磁気異方性を有する L10 型 FeNi 薄膜を作製するためには，バッファー層としての平坦性を保持したまま FeNi と格子整合し非磁性であるバッファー層を作製し，その上に L10 型 FeNi 規則合金薄膜を成膜する必要がある．
そこで，バッファー層として Au Cu Ni 三元合金を用いることを試みた． Au および Cu のバッファー層は，上述したように AuCu3 などの合金を形成し，その表面構造は比較的平坦になる．しかしながら， Au の導入は面内格子定数の著しい増加をもたらすため，FeNi との格子整合を考慮すると望ましくない．そこで， Ni を添加することにより格子整合した合金バッファー層を作製することを着想した． Cu バッファー層(実際には AuCu3 に合金化している)上に，Au, Cu,

図4

Au6Cu51Ni43 バッファー層上に基板温度 187°
Cで成膜した FeNi 薄膜の磁化曲線の一部．

図5

Au6Cu51Ni43 バッファー層上に様々な基板温度で成膜した FeNi 薄膜の垂直磁気異方性と L10 規則度の相関．点線はデータの直線フィッティング
結果．

Ni を様々な組成比で同時蒸着し，三元合金バッファー層(膜厚 50 nm )を作製した．このバッファー層上に FeNi 薄膜を成膜した(12)． FeNi 薄膜の成膜条件は，上述した Cu バッフ
ァー層上の FeNi 薄膜と同条件である．
SQUID により磁化特性を測定した結果，最も垂直磁気異方性が高い FeNi が得られたのは， Au6Cu51Ni43 の組成比のバッファー層上に成長した FeNi 薄膜であることが分かった．図にこの FeNi 薄膜の磁化曲線を示す．あらかじめ，合金バッファー層のみの試料を別に作製し，その磁化曲線を測定してバッファー層は非磁性であることを確認している．
FeNi 薄膜の飽和磁化は Cu バッファー層上に成長した FeNi薄膜と比較してあまり変わらない値であることが分かった．
残念ながら磁化容易軸はまだ膜面平行方向ではあるが，垂直磁気異方性は Ku ＝ 7.0 × 105 J / m3 と増加したことが分かった．この値は，理論値には達していないものの，これまで作製した FeNi 薄膜の中では最も高い値である． Au6Cu51Ni43
バッファー層は FeNi とほぼ格子整合していると考えられ，FeNi の格子を最適化することにより垂直磁気異方性が増加したと考えられる．
X 線回折スペクトルの FeNi 超格子ピークおよび基本ピークの強度比からこの FeNi 薄膜の L10 規則度( S )を見積もったところ，S＝0.48 となった．続いて，規則度と垂直磁気異方性の相関を調べるため，いくつかの基板温度で成膜した
FeNi 薄膜について，それぞれの垂直磁気異方性と規則度を調べた．その結果をプロットしたものを図に示す．規則度の増加に伴い垂直磁気異方性も単調に増加することが分かっせるためには，L10 規則度の更なる向上が求められる．現時

た．データを直線でフィッティングして外挿すると S ＝ 1.0

点で規則度 S が 0.5以下に留まっている原因は明らかになっでは Ku＝1.0×106 J/m3 以上の高い垂直磁気異方性が得られていないが，A1 相などの異相や逆位相境界の存在が考えらることになる．すなわち，より高い垂直磁気異方性を発現される．また，Cuバッファーと層の場合と比較して，FeNi と

ま て り あ 第50巻 第 9 号(2011)Materia Japan

の格子整合性がより高い Au Cu Ni 三元合金バッファー層を用いることにより FeNi の垂直磁気異方性が上昇したことから，規則度だけではなく FeNi の歪みが強く磁気異方性に相関していることも推測され，その制御が重要になると考えられる．

. まとめ単原子交互積層法により，高い垂直磁気異方性を有する
L10 型 FeNi 薄膜の作製に成功した． MgO ( 001 )単結晶基板上に Cu ( 001 )バッファー層および Au Cu Ni 三元合金バッファー層を成膜し，それらの上に FeNi 薄膜を成膜した．Cu
バッファー上に成膜した FeNi 薄膜は， Ku ＝ 4.8 × 105 J / m3の垂直磁気異方性を有することが分かった．一方，AuCu
Ni 三元合金バッファー層上に成膜した FeNi 薄膜の垂直磁( 3 ) A. Chamberod, J. Laugier and J. M. Penisson: J. Magn. Magn.
Mater., 10(1979), 139144.
( 4 ) L. Amaral, R. B. Scorzelli, A. Paesano, M. E. Br äuckman, A. B.
Dominguez, T. Shinjo, T. Ono and N. Hosoito: Surf. Sci., 389(1997), 103108.
( 5 ) K. Takanashi, S. Mitani, M. Sano, H. Fujimori, H. Nakajima
and A. Osawa: Appl. Phys. Lett., 67(1995), 10161018.
( 6 ) K. Himi, K. Takanashi, S. Mitani, M. Yamaguchi, D. H. Ping,K. Hono and H. Fujimori: Appl. Phys. Lett., 78(2001), 1436
1438.
( 7 ) T. Shima, M. Okamura, S. Mitani and K. Takanashi: J. Magn.
Magn. Mater., 310(2007), 22132214.
( 8 ) M. Mizuguchi, S. Sekiya and K. Takanashi: J. Appl. Phys., 107(2010), 09A716/13.
( 9 ) T. Kojima, M. Mizuguchi and K. Takanashi: J. Phys.: Conf.
Ser., 266(2011), 012119/15.
(10) M. Mizuguchi, T. Kojima, M. Kotsugi, T. Koganezawa, K.
Osaka and K. Takanashi: J. Magn. Soc. Jpn., 35(2011), 370
373.
(11) M. Mizuguchi, et al.: 投稿準備中．
(12) T. Kojima, et al.: 投稿準備中．

気異方性は，Ku＝7.0×105 J/m3 であることが分かった．格子整合性の向上により異方性が増加したと考えられる．また，
L10 規則度は S＝0.48 であることが分かった．これらの結果

は，自然界では石質鉄隕石中にのみ存在する L10 型 FeNi 合金を，単原子交互積層法により人工的に薄膜で成長するための指針となるものである．今後は， 106 J / m3 を超える高い垂直磁気異方性を有する垂直磁化 FeNi 薄膜の開発を実現することにより，磁気ストレージデバイスや高性能永久磁石と★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
水口将輝
2003年 3 月 東京大学大学院工学系研究科博士課程修了
2004年 4 月 大阪大学大学院基礎工学研究科特任助手
2007年 3 月 東北大学金属材料研究所助手
2007年 4 月 東北大学金属材料研究所助教
2009年 5 月 東北大学金属材料研究所准教授
専門分野磁性材料，スピントロニクス◎磁性材料開発やスピントロニクスにおける新機能創出に関する研究に従事．

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しての次世代材料などへの幅広い応用を目指す発展的研究を展開していきたい．
X 線 回 折 実 験 を 行 う に あ た り ご 協 力 頂 い た SPring 8( JASRI )の小金澤智之研究員，大坂恵一研究員，廣沢一郎研究員に感謝申し上げる．本研究の一部は，文部科学省 科学研究費補助金 基盤研究(A)(課題番号 22246087)の支援を水口将輝

小嶋隆幸

小嗣真人

白井正文

高梨弘毅受けて行われた．

文

献( 1 ) 例えば，T. Shima and K. Takanashi: Handbook of Magnetism
and Advanced Magnetic Materials, 4(2007), 23062324.
( 2 ) J. Paulev áe, A. Chamberod, K. Krebs and A. Bourret: J. Appl.
Phys., 39(1968), 989990.



ミ ニ 特 集