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T. Magn. Soc. Jpn. (Special Issues)., 8, 10-14 (2024)<Paper>

La 添加した Fe-Ga 薄膜における構造と磁気特性
Structural Characteristics and Magnetic Properties of
La doped Fe-Ga Thin Films
西名竜哉 a)・室賀翔 a) ・宮崎孝道 b)・遠藤恭 a, c) †a)

東北大学大学院工学研究科，仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-05 (〒980-8579)b)
東北大学工学部，仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-05 (〒980-8579)c)
東北大学先端スピントロニクス研究開発センター，仙台市青葉区片平 2-1-1 (〒980-8577)

R. Nishina a), S. Muroga a), T. Miyazaki b), and Y. Endo a, c)†
Graduate School of Engineering, Tohoku University, 6-6-05 Aoba, Aramaki, Aoba-ku, Sendai 980-8579, Japana)

Faculty of Engineering, Tohoku University, 6-6-05 Aoba, Aramaki, Aoba-ku, Sendai 980-8579, Japan
Center for Science and Innovation in Spintronics (CSIS), Tohoku University, 2-1-1 Katahira, Aoba-ku, Sendai 980-8577, Japanb)c)

This paper describes a study on the structural characteristics and magnetic properties of La doped Fe-Ga(Fe-Ga-La) thin films with a thickness of 50 nm. The Fe-Ga-La films showed a bcc polycrystalline structure regardlessof the La content, and their crystallite size became smaller as the La content increased. Both soft magnetic properties
and high-frequency magnetic properties were markedly improved in a range of La content above 4.6 at. %, which might
be attributed to induced uniaxial magnetic anisotropy and magnetic inhomogeneity. In particular, the saturation
magnetostriction of the films became maximum at a La content of 0.8 at. %, and its value was approximately 61.2 ppm.
This result is similar to that of bulk Fe-Ga alloy with rare-earth doping. Thus, slight rare-earth doping plays animportant role in the improvement of the saturation magnetostriction in Fe-Ga polycrystalline films.
Key words: Fe-Ga alloy film, Rare-earth doping, Magnetostriction, Magnetization dynamics, Soft magnetic properties

1. はじめに
IoT(Internet of Things)を広く普及させるためには電源の確保が課題であり，エナジーハーベスティング技術はその課題を解決する方法の一つである．この技術は環境中に存在する微量な未利用エネルギーを回収して発電させる技術である．なかでも，「振動」
を未利用エネルギーとして回収し発電させる技術である振動発電
はエネルギー源が多く，その汎用性が高いことが知られている 1)．
また，この発電では，静電誘導，電磁誘導，圧電，逆磁歪を用いた小型の発電素子として利用されている．とりわけ，逆磁歪を利用した発電素子，すなわち磁歪式振動発電素子は，構造がとても簡便であり耐久性に優れ，高効率であるという特長を有している 2), 3)．磁歪式振動発電素子をさらに高効率化するためには，発電を担う磁歪材料として低保磁力・高飽和磁化を有することが必須であり，既存の磁歪材料における磁気特性を改善する必要がある．
磁歪材料は，テルフェノール-D(Tb-Dy-Fe)，Fe-Ga 合金などでしたがって，このような Fe-Ga 多結晶薄膜の磁気特性を改善するために，第三元素添加した Fe-Ga 薄膜における構造と磁気特性に関する研究が行われてきた．第三元素として軽元素である B や Cを添加すると，Fe-Ga 多結晶薄膜の磁気特性を大幅に改善できる
ことが報告されている 16)-18)．また，軽元素以外の第三元素添加に関しては，希土類元素を微量添加したバルク形状の Fe-Ga 合金において飽和磁歪の値が増加することが報告されている 19), 20)．その
一方で，希土類元素を添加した Fe-Ga 多結晶薄膜の磁気特性に関する研究報告例はほとんどない．
本研究では，添加する希土類元素として，ランタノイドにおけるプロトタイプとなる先頭の元素で，ランタノイドの中で原子半径が最も大きく安定な第三族元素である La を選択した．このような特長を有する La を Fe-Ga に添加することにより，結晶構造もし
くは電子構造を変化させて，磁気特性に影響を与えることが期待できるからである．ここでは，La を添加した Fe-Ga 多結晶薄膜にある．テルフェノール-D は約 1600 ppm と非常に高い飽和磁歪をおける構造と磁気特性を詳細に検討した結果について報告する．

有するものの，機械的強度が乏しくかつ製造コストが高いことが2. 実験方法

欠点である 4)-6)．一方で，Fe-Ga 合金は最大 400 ppm と比較的高い飽和磁歪を有し，延性に優れ，製造コストが低いといった特長を有していることから，磁歪材料として期待されている 7)－9)．このことから，Fe-Ga 合金では，バルク合金だけではなく，高周波化，高密度化を目的とした Fe-Ga 薄膜に関する研究も積極的に進められている 10)-15)．Fe-Ga 多結晶薄膜は 60 ppm 程度の飽和磁歪，保磁力・ダンピング定数が高く，振動発電素子への応用が困難である．
Corresponding author: Y. Endo (e-mail: yasushi.endo.c1＠tohoku.ac.jp).

10

試料の作製には，
DC マグネトロンスパッタ装置を用い，試料組成は，スパッタによる製膜時に Fe75Ga25 ターゲット(4 inch φ, 1.5 mm 厚)上に La チップ(10 mm 角，1 mm 厚)を載せて，その枚数を変化させることによって制御した．
作製した試料の構成はガラス基板上に製膜した 50 nm 厚のFe75-0.75xGa25-0.25xLax(Fe-Ga-La)単層膜である．なお，酸化防止のために，試料表面に 5 nm 厚の Cu キャップ層を製膜した．作製した Fe-Ga-La 薄膜の組成は，エネルギー分

Transaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.8, No.1, 2024

散型 X 線分析（Energy Dispersive X-ray spectroscopy:

Fe-Ga (110)EDX）装置を用いて測定し，La 組成(x)は 0－10.3 at.%で
x = 10.3

あった．
線を用いた X 線回折(X-ray Diffraction: XRD)装置および透 過 型 電 子 顕 微 鏡 (Transmission Electron Microscope:TEM)を用いて評価した．また，作製した試料の磁気特性に関 し て は ， 振 動 試 料 型 磁 力 計 (Vibration Sample

x = 9.1

Intensity, I [a.u.]

作製した Fe-Ga-La 薄膜の結晶構造に関しては，Cu-Kα

x = 6.1
x = 4.6
x = 0.8

Magnetometer; VSM)を用いて磁化曲線測定を行い，飽和x = 0.0磁化(4Ms)と残留磁化比(Mr/Ms)を評価した．光てこ法による超高感度薄膜磁歪測定装置を用いて回転磁界中で磁歪測35定を行い，飽和磁歪(s)を評価した．この測定により得られる磁界変化に対する磁歪の最大変化量（最大ピエゾ磁気定数（(𝑑𝑑𝑑𝑑 ⁄𝑑𝑑𝑑𝑑 )��� ））とフェライトヨーク法から求めた磁化容易軸の比透磁率(µr)を、
1
𝑑𝑑𝑑𝑑
� �
𝐸𝐸
𝑘𝑘 � =(𝜇𝜇� − 1) 𝑑𝑑𝑑𝑑 ���

40
45
50
Diffraction Angle, 2 [deg.]55

Fig. 1 XRD pattern as function of La content (x)for 50-nm-thick Fe75-0.75xGa25-0.25xLax films.
The inset is enlarged scale around (110) peak.

(1)にあてはめて電気機械結合係数(k)を評価した 21)．なお，Eは試料のヤング率であり，今回は Fe-Ga バルクのヤング率を用いた．また，ブロードバンド強磁性共鳴(Broadband
Ferromagnetic Resonance: B-FMR)測定法を用いて S パラ
メータの周波数スペクトル測定を行い，面内有効ダンピン
グ定数などの磁気パラメータを評価した．なお，すべての測定は室温で行われた．
3. 実験結果および考察
3.1 結晶構造
Fig．1 は Fe-Ga-La 薄膜における XRD パターンの La 組成依存性である．いずれの La 組成(x)においても，44.3°付近に回折ピークを観測でき，bcc Fe-Ga(110)に由来するものと考えられる 22)．これらの回折ピーク位置は，La 組成 0.8 at.%ではわずかに高角側へ移動した後，La 組成を 6.1 at.%まで増加させると低角側へ移動した．さらに，La 組成を増加させると再び高角側へ移動した。この挙動は，La と他の元素との原子半径の違いだけではなく，他の元

Fig. 2 Electron diffraction pattern of 50-nm-thickFe75-0.75xGa25-0.25xLax thin films ((a) x=0,(b) x=0.8, (c) x=6.1, and (d) x=10.3).

素サイトのLa による置換や薄膜内の応力のLa 添加による影響など詳細に検討する必要がある．また，これらの回折ピークの強度は， bcc 多結晶構造であり，La 組成の増加にともない結晶性が低下し，
La 組成の増加にともない減少し，一方で回折ピークの半値幅はLa
膜厚方向の結晶子サイズが低下していることがわかった．
組成の増加とともに広くなった．これらの結果は，La 添加によって結晶性の低下と膜厚方向の結晶子サイズが減少していることによるものと考えられる．

3.2 磁気特性
Fig．3 は Fe-Ga-La 薄膜における磁化曲線の一例である．図中

さらに，Fe-Ga-La 薄膜における結晶構造の La 添加効果を明確の 0°および 90°は外部磁界の印加方向で，膜面内の任意の方向とにするために，これらの薄膜における制限視野回折パターンの観

その向きと直交する方向を表している．磁化曲線の形状は La 組成察を行った．これらの典型的な結果を Fig．2 に示す．制限視野回折像からわかるように(Fig.2(a))，La 添加をしていない場合には，複数の明瞭な回折リングが観測され，bcc Fe-Ga (110)，(200)，(211)によるものである 22)．一方で，La を十分に添加した 10.3 at.%の場合には，bcc Fe-Ga (110)に由来する回折リングのみ観測できた．

によって異なった．La 組成が 1 at.%以下の場合(Fig．3(a)，(b))，
磁化曲線の形状は外部磁界の印加方向によらずヒステリシスの膨らんだ形状となった．この結果は，磁化の向きが膜面内方向でランダムとなっていることによるものと考えられる．一方で，La 組成
が 4 at.%以上の場合(Fig．3(c)，(d))，外部磁界の印加方向によってこれらの結果は，La 添加により薄膜の結晶性が低下したことを示

形状が異なり，角形形状とヒステリシスの閉じた形状となった．こ唆している．

れらの形状の違いは，膜面内で誘導磁気異方性が発生したことに以上の結果から，Fe-Ga-La 薄膜の結晶構造は La 組成によらずTransaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.8, No.1, 2024

11

90°
-1
-200 -100 0
100 200
Magnetic field, Hex [Oe]

(a)

1
0°
0

90°
-1
-200 -100 0
100 200
Magnetic field, Hex [Oe]

(c)

0°
0

90°
-1
-200 -100 0
100 200
Magnetic field, Hex [Oe]

(b)

1

0°

0

90°
-1
-200 -100 0
100 200
Magnetic field, Hex [Oe](d)Fig. 3 Magnetization loops of 50-nm-thickFe75-0.75xGa25-0.25xLax thin films ((a) x=0,(b) x=0.8, (c) x=6.1, and (d) x=10.3).
Saturation magnetization,
4Ms [kG]15
10

Remanent ratio, Mr / Ms

2

4

6

8

La content, x [at.%]

10

2

4

6

8

10

8

10

La content, x [at.%]

(a)

0.2

0.1

0

2

4

6

La content, x [at.%](b)

Fig. 5 Changes in (a) saturation magnetostriction (λs)
and (b) electromechanical coupling coefficient(k) of 50-nm-thick Fe75-0.75xGa25-0.25xLax films.

しては(Fig． 4(b))，Fig．3 で示した磁化曲線形状の La 組成による変化と同様の傾向となった．すなわち，1 at.%以下の La 組成では外部磁界の印加方向による差異がなく，それらの値は 0.9 程度(a)となった．また，4 at.%以上の La 組成では外部磁界の印加方向によって異なり，0°方向の値は 0.20－0.55 となり，90°方向の値
は 0.70－0.95 となった．これらの結果は，膜面内の磁化が La 組成の増加にともないランダム配向から一方向へ向きやすくなるこ

90°とを意味している．この原因については，La 組成の増加にともない膜面垂直方向の結晶子サイズが減少し微結晶化し，結晶
磁気異方性が弱くなり，その一方で製膜時の基板拘束によ

0°
2

4

って発生する応力由来誘導一軸磁気異方性が顕在化したこ

68

La content, x [at.%]

10

(b)

Fig. 4 Changes in (a) saturation magnetization (Ms)and (b) remanence ratio (Mr/Ms) of 50-nm-thickFe75-0.75xGa25-0.25xLax films with La content (x).
よるものと考えられる．
れらの形状の違いは，膜面内で誘導磁気異方性が発生したことによるものと考えられる．
得られたすべての磁化曲線から，Fe-Ga-La 薄膜の飽和磁化120素である La を添加したことによるものと考えられる．Mr/Ms に関

0.2
0

20

La 組成の増加にともない単調に減少した．この挙動は，非磁性元

0.8
0.4

40

4(a))，
組成の関数としてFig．
4にまとめた．
4πMs に関しては(Fig．

1
0.6

60

(4πMs)と残留磁化比(Mr/Ms)を評価し，それらのパラメータを La

50Saturation
magnetostriction, s [ppm]01Electromechanical coupling
coefficient, k0°Normalized magnetization M/Ms Normalized magnetization M/Ms

Normalized magnetization M/Ms Normalized magnetization M/Ms

1とによるものと考えられる．以上の結果から，Fe-Ga-La 薄膜
では，La 組成の増加にともない，その軟磁気特性が著しく改善されることがわかった.
Fig．5 は Fe-Ga-La 薄膜における飽和磁歪(λs)および電気機械

結合係数(k)の La 組成依存性である．λs に関しては(Fig．5(a))，
La をわずかに添加すると増加し，La をさらに添加すると減少した．また，λs 値は La 組成 0 at.%のとき約 58 ppm となり，この値は他グループや我々の先行研究で得られた Fe-Ga 多結晶薄膜における λs と同程度であった 11), 13)-15) ．また，La 組成 0.8 at.%のとき
約 61 ppm で極大となった．この結果は Fe-Ga-La バルク合金とTransaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.8, No.1, 2024

結晶薄膜の磁歪量が向上することを表している。その一方
で，振動発電素子へ応用するためには，更なる磁歪量の向上が必須であり，他の希土類元素添加効果についても検討すべきであることを示唆している．一方，k に関しては(Fig．
5(b))，その値は La 組成の増加にともない 0.15 付近から減少し，
6.1 at.%の La 組成において極小値をとり，さらに La 組成を増加させると約 0.12 まで増加した．λs 値および k 値は，いずれも軽元
素添加した Fe-Ga 薄膜の場合と比べて低くなった 13，14）．この原因

Effective saturation
magnetization, 4Ms, eff [kG]

類似した傾向であり 23)，希土類元素の微量添加より Fe-Ga 多については今後検討していく．

による変化を測定した．その結果，すべての S パラメータのスペ
クトルにおいて FMR に由来するピークを観測できた．観測されたすべてのピークに対してローレンツ関数によるフィッティング
次に，
f と HResを行い，共鳴磁界(HRes) と半値幅(HRes)を評価した．

との関係から Kittel の式を用いて有効飽和磁化(4πMs,eff)と有効面
内異方性磁界(Hk,eff)を算出した 24)．また，HRes と f との関係は線形関係にあり，線形フィッティングにより得られた傾きと y 切片

Effective anisotropy field,
Hk, eff [Oe]Fe-Ga-La 薄膜における動的磁気特性の La 添加効果を詳細に検討するために，さまざまな周波数(f )での S パラメータの外部磁界から面内有効ダンピング定数(α//，eff)と磁気不均一線幅(ΔH(0))を算

15
4Ms

10
5

4Ms, eff

0

2

400

ぼ単調に減少した．また，それらの値はいずれも VSM 測定による結果(4πMs 値)と比べて低くなった．この差異は膜面垂直方向に向いた磁化の成分によるものか，表面磁気異方性によるものと考えられる．Hk,eff に関しては(Fig．6(b))，La を添加していない場合を除いて，La 組成の増加とともに 370 Oe 程度から 50 Oe 付近まで著しく減少した後，4.6 at.%以上の La 組成では 50 Oe 程度とほぼ一定となった．この結果は磁化曲線形状の La 組成による変化と類La 組成の増加とともに減少し，
6.1 at.%の La 組成で極小をとり，さらに La 組成を増加させると増加する傾向となった．この傾向は磁歪の La 組成依存性と類似した結果であり，磁歪と相関性がある
可能性を示唆している．また，α//，eff 値は La を添加すると Fe-Ga

薄膜に比べて低く，La 添加によって軟磁気特性が改善されたことと関連性があるものと考えられる．
さらに，ΔH(0)に関しては(Fig．6(d))，La 組成の増加とともに260 Oe 程度から 100 Oe 以下まで著しく減少し，4.6 at.%以上のLa 組成において緩やかに減少した．この結果は，磁気異方性の分散もしくはマグノン散乱等による磁気的不均一性が La 添加により著しく低下したことを意味している．このように，以上の結果は，Fe-Ga-La 薄膜において La を添加すると膜面内方向の磁気的不均一性が著しく抑制され，その動的磁気特性が十分に改善できることを示している．
4. 結論
本研究では，希土類元素である La を添加した Fe-Ga 薄Magnetic inhomogenerous
broadening at zero frequency,
H(0) [Oe]ことによるもので，一方で 4.6 at.%以上の La 組成では誘導一軸磁

10

4

6

8

10

4

6

8

10

4

6

8

10

200
100
0

2

La content, x [at.%]
(b)

0.03
0.02
0.01
0

似した傾向であり，わずかな La 添加の場合には異方性が分散した

α//，eff に関しては(Fig．6(c))，
気異方性に起因したものと考えられる．

8

0.04
In-plane effective
damping constant, //,eff

得られた 4πMs の場合と同じように，La 組成の増加にともないほ

6300

出した 25)．これらの結果を La 組成の関数として Fig．6 にまとめた．4πMs,eff に関しては(Fig．6(a))，VSM による磁化曲線測定から

4

La content, x [at.%]
(a)

2

300

La content, x [at.%]
(c)

200
100
0

2

La content, x [at.%](d)Fig. 6 Dependence of (a) effective saturation
magnetization (4πMs, eff), (b) effective
anisotropy field (Hk, eff), (c) in-plane effective
damping constant (α//, eff), and (d) magnetic
inhomogeneous
broadeningatzero
frequency (H(0)) on La content (x) for 50nm-thick Fe75-0.75xGa25-0.25xLax films.

Transaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.8, No.1, 202413

膜における構造と磁気特性について検討し，以下の知見を得た．
構造に関しては，La 組成に依存せず bcc 多結晶であり，
La 組成の増加とともに膜厚方向の結晶子サイズが低下し，微結晶化していることがわかった．また，磁気特性に関しては，4.6 at.%以上の La 組成において膜面内で誘導一軸磁
気異方性が発生し，磁気的不均一性が低下することにより，
静的・動的磁気特性が著しく改善されることがわかった．
特に，磁歪特性に関しては，飽和磁歪は La を 0.8 at.%添加
すると最大となり，その値は約 61 ppm であった．この結果はバルク形状と同様の傾向であり，Fe-Ga 薄膜への希土
類元素のわずかな添加が磁歪特性の向上に有効である可能性を示唆している．
謝辞

本研究の一部は，文部科学省次世代 X-nics 半導体創成拠点形成事業 JPJ011438 の助成を受けた．また，本研究の一部は，東北大学 CSIS，東北大学 CSRN，東北大学 CIES
および ASRC の支援のもと行われた．
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2023 年 10 月 31 日受理，2024 年 1 月 17 日採録

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