磁性ナノドット配列の形成過程と磁性
東京大学物性研究所

小森文夫

１．はじめに固体表面を用いて、磁性体ナノスケールの構造を制御して作製できるようなり、マクロな磁性体にはないユニークな性質が観察されている。本稿では、窒素吸着銅（００１）面上のナノ磁性体配列を例として取り上げ,その形成過程を中心とした解説を行なう。
２．固体表面上の磁性薄膜とナノドットの研究
固体表面上のナノ構造磁性体とその興味は以下のように分類される。
1. 超薄膜磁性：バルクと異なる結晶構造や下地との相互作用に起因する磁性。
2. １次元磁性：長距離秩序を形成しないので、非平衡状態での磁性。
１次元周期配列にした場合の列間相互作用。
3. ０次元磁性（ナノドット）：超常磁性とその非平衡磁性。
周期配列にした場合のドット間相互作用。
どの場合も磁性や磁気相互作用の起源は構造に敏感であり、ナノ構造を制御することが重要である。
１次元磁性体ナノ構造は、図１のように微斜面表面ステップの選択的修飾を利用して作製されている。ナノドットの最も簡単な作成方法は、３次元島成長を用いる方法であFe/Cu(111) 1)
図１Fe/W(110)2)

微傾斜面を利用した１次元磁性体の作製

る。3)しかし、均一な表面の上には３次元島では、島の大きさと間隔には相関があり、また、島はランダムに配置するので、定量的な研究には適していない。そこで、表面の歪みの緩和に伴う周期的パターンをテンプレートとして用いたドット配列が行われてきた。もっとも有名なのは、図２(a)のような金（１１１）面の超構造を用いた磁性ドット配列である。この表面の形成モデルとして、原子置換／核形成モデルがある。それは、図２(a) のジグザク構造の角のところに選択的に磁性原子が置換し、それを形成核として、ドットが成長するというものである。６）この他にも、プラチナ（１１１）面上に銅を蒸着した系でも、周期構造が観測されている。７）本稿では図３(a)に示すような窒素吸着銅（００１）面上の格子パターンを使って形成した磁性ドット配列について詳しく述べる。この表面の上では、鉄8,9)、コバルト10,11,12)、
ニッケル13)などの磁性金属ドット配列が作製できることが知られている。図３（b）
は、ニッケルドット配列である。

図２72 nm

300 nm(a) Au(111) 面４）(b) Co/Au(111)５）

金（１１１）再構成表面(a)とその上のコバルトドット配列(b)100nm(a) N/Cu(001)200 nm(b) Ni/N/Cu(001)13)

図３窒素吸着銅（００１）面の格子パターン(a) とその上のニッケルドット配列(b)３

窒素吸着銅（００１）面

この窒素吸着面を作製する手順は以下である。
1. 超高真空中で清浄表面を作製する。
2. 500eVの窒素イオンを表面に打ち込む
3. 650K程度でアニールする。
これにより、窒素の打ち込み量に応じて、図4に示したような表面が得られる。
図４(a-d)で暗くみえている部分が窒素が吸着したc（２x２）構造をもつパッチであり、その大きさは約５nm角である。一方、明るく観測されている部分は銅清浄表面である。図4（c）に対するモデルを図4（f）に示した。表面全面が窒素吸着するとに覆われると、図(e)のように一原子層低い溝ができる。この表面では、表面第一層にある窒素吸着c（２x２）構造の銅格子間隔が銅単結晶と比べて大きいために、界面に大きな歪みがかかっている。表面に下図ような構造ができる機構は、窒素吸着パッチの面積が大きくなると歪みも大きくなり、それを緩和するために柔らかい銅清浄表面が挟まれるというものである。窒素吸着量が増えてくると歪みを緩和させる清浄表面の面積が足りないために歪みを緩和可能な溝構造ができるようになる。このようなことから、この表面の銅清浄表面には、大きなストレスがかかっていると考えられる。

55 nm
(a)

(b)

(c)
窒素吸着面

(d)

(e)

銅清浄表面

7nm

(f)

図４ 窒素吸着銅（００１）表j面のSTM像。窒素吸着量は (a) 0.1 ML, (b) 0.2 ML,(3) 0.3 ML,(4) 0.4 ML, (5) 0.5 ML（飽和吸着）である。

(a )(b)( c)(d)

図6 窒素吸着銅（００１）面格子パターンにコバルトを蒸着した時のSTM像。蒸着量は (a) 0.2 ML, (b) 0.8 ML, (c) 1.4 ML,(d) 1.9 ML, (e) 1.4 MLである。
5. 鉄ドットの核形成と成長速度
鉄ドットが格子点に成長する様子を詳しく調べたSTM像が図７である。鉄蒸着の初期の図７（a）には、銅清浄表上に少し低く観測される箇所がある。これまでの銅（００１）清浄表面上の鉄蒸着では、このような低い箇所は鉄原子が銅清浄表面に埋め込まれたものと解釈されている。14,15）図７（a）で観測されたものも同じ埋め込まれた鉄原子と考えられる。この鉄の埋め込みは、銅清浄表面のうち窒素吸着バッチとの境界付近に選択的に観測される。銅清浄表面上では、この埋め込みは鉄島の成長核中心となることが主張されているが、実験的には明らかではなかった。図７（b）をみると、鉄島は窒素吸着バッチとの境界付近に選択的に観測されるので、鉄の埋め込みが成長核中心となっていることがわかる。しかしながら、この核形成は、格子状の銅清浄表面で一様に生じており、ここまでの過程で格子点での選択性はない。

(a)

(c)

(b)

(d)

図7 窒素吸着銅（００１）面格子パターンに鉄を蒸着した時のSTM像。蒸着量は(a) 0.003 ML, (b) 0.015 ML, (c) 0.03 ML,(d) 0.16 MLである。

4. 鉄とコバルトドット配列の形成
図３(a)のような格子パターンが形成された窒素吸着銅（００１）面上に鉄を蒸着した様子を図5に示す。蒸着量が少ない場合には、１原子高さの鉄島が銅清浄表面格子の格子点に選択的に形成される。蒸着量を増やしていくと、図５（a-c）のように、鉄島が形成された格子点の数が増え、さらに島の面積も増えてくる。鉄の平均膜厚が１原子層に近づくと島同士は繋がってくる。（図５（d））平均膜厚が１原子層をこえると図５（e）のように、第２原子層目が格子点に選択的に形成される。この様子を、図５（f）に模式的に示した。
同じ格子状の窒素吸着表面に、コバルトを蒸着した場合を図６に示す。コバルトの場合には、蒸着初期の島成長は、銅清浄表面全体で始まり特に格子点での選択性はない。
そして、コバルトの平均膜厚が１原子層に近づくと島同士は繋がってくる点（図６（b））と、平均膜厚が１原子層をこえると図６（c）のように、第２原子層目が格子点に選択的に形成される点は、鉄と同じ傾向がある。
このような島形成の選択性のうち、窒素吸着面と銅清浄表面の違いは、蒸着された金属原子の拡散障壁が、この二つの面で異なることで理解できる。一方、同じ銅清浄表面でありながら、格子点に選択的に１原子高さの鉄島が形成されるとことと、２原子層目が格子点に形成される理由は、そう単純ではない。次にこれを考察する。

(a )

(b)

(c)

c(2x2)N
2M L Fe
1M L Fe(d)(e)(f)

図５ 窒素吸着銅（００１）面格子パターンに鉄を蒸着した時のSTM像。蒸着量は(a) 0.05 ML, (b) 0.1 ML, (c) 0.15 ML,(d) 0.9 ML, (e) 1.4 MLである。

さらに、鉄を蒸着していくと図７（c、d）のように、交差点で選択的に大きな島が観察されるようになる。このことは、核形成した小さな島から大きな島への成長速度が特に交差点で早いことを意味する。銅格子のうち交差点は、表面歪みがもっとも少ない場所と考えられ、そこでの成長速度が早いことになる。
この銅清浄表面での表面歪みの分布を考えると、交差点の中心では歪みが小さく、窒素吸着パッチとの境界付近では大きいと考えられる。このことから、以下のような過程を経て、１原子高さの鉄島が格子点に選択的に形成されることがわかる。
1. 鉄原子の埋め込みは、銅表面のうち歪みの大きな窒素吸着バッチとの境界付で選択的に生じる。これは金（１１１）面と同じである。
2. 埋め込みを核中心として鉄の１原子高さの島が核形成する。
3. 核形成した小さな島のうち、交差点にある島だけが速く成長し、その他の島はある程度以上の面積よりは広くならない。
すなわち、交差点での選択性は核形成位置の選択性ではなく成長速度の選択性によって生じていることになる。歪みの小さい場所が成長速度が速いことになる。コバルトの場合に銅清浄表面に一様に１原子高さの薄膜ができる原因は、その成長速度に選択性がないためであろう。

dc = 1.3 ML

1 .2
1.3 ML

1 ML-100 -500

1 .625 4 K

2.0

Co 平均膜厚 (ML)

H // [110]23 4 K

飽和磁化
残留磁化

15TC

1019 1 K
16 8 K

5014 9 K

15 0 20 0 25 0Tem per at ure ( K)

50 10011 8 KMagnetic Field (Oe)

図820Kerr Int ensit y ( Ar b. Unit s)

27 5 K

Kerr Int ensit y ( Ar b. Unit s)

1.7 ML

残留磁化(Arb. Units)

Kerr Intensity (Arb. Units)

2.4ML

H // [110]30 0 K

平均膜厚９５Kにおける磁化曲線。

10 3 K-1 0 0 -5 0 0 50 1 0 0
Magnet ic Field ( Oe)

図9

平均膜厚1.6MLの場合のヒステリシス曲線30 0

6. コバルトドット配列の磁性コバルトドット配列の磁化曲線を超高真空中で磁気光学カー効果によって測定した。
図８には、９５Kでのヒステリシス曲線を示す。磁化は面内である。これにより、この温度の残留磁化は平均膜厚1.3ML以上で生じていることがわかる。
図９には、平均膜厚1.6MLの場合のヒステリシス曲線の温度依存性を示した。この場合には、強磁性転移温度は250Kであり、それ以上の温度では超常磁性が観測される。
図１０には、平均膜厚1.9MLの場合のヒステリシス曲線の温度依存性を示した。この場合には、強磁性転移温度は350K以上であるが、１５０K以下で磁化が増加する。

338 K

飽和磁化
残留磁化

Ker r I nt ens i t y ( A r b. Uni t s )

275 K

217 K
165 K
134 K

10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0Temper at ur e (K)95 K

図１０ 平均膜厚1.9MLの場合のヒステリシス曲線

- 100
0100
Magnet ic Field (Oe)40 0Co/ Cu( 0 0 1 ) c( 2 x 2 ) - N

30 0Tc(K)

たがって、ドット配列が強磁性を示
すことは、１原子厚のコバルトが２原子高さのコバルトドット間の強磁性相互作用を媒介していることを意味する。また、平均膜厚が1.9ML付
近の試料では、表面の窒素パッチの上に１原子厚のコバルト薄膜が存在する。150K以下での磁化の増大は、このコバルト薄膜に低温で磁化が誘起されたか、自発磁化が現れたと解釈できる。

368 K

Ker r I nt ens i t y ( A r b. Uni t s )図１１には、転移温度の膜厚依存性を示した。清浄表面上のコバルト薄膜と比べて転移温度は高い。これはコバルトが窒素吸着面を避けて成長しているために、有効的な平均コバルト膜厚が高くなっているためであると理解できる。
磁性として興味深い点は、平均膜厚が1.3MLでも強磁性転移があることと、平均膜厚が1.9ML付近の試料で１５０K以下に冷やすと磁化が増大することである。前者の試料では、STM像や図５（f）からわかる
ように、２原子高さのコバルトドットは直接には連結しておらず、１原子厚のコバルトを介して繋がっている。一方これまでの研究により、銅（００１）面上の１原子厚コバルト薄膜は、５０K以上で強磁性ではないことが知れれている。16,17）し20 0
10 0Co/ Cu( 0 0 1 )
01 .0

1 .2

1 .4

1 .6

1.82.0Co coverage(ML)図１１

転移温度の平均膜厚依存性

7. おわりに半導体表面では、表面での歪みの重要性が認識され研究が進められてきた。金属表面に現れるナノパターンでも歪みは重要な働きをしている。このような表面における自己形成ナノパターンをうまく利用すれば、様々なナノ構造を作製することができる。今後、この方法を発展させ役に立つデバイスなどへと応用を広げるためには、その形成過程を理解し制御することが不可欠である。

参考文献
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