Photon Factory Activity Report 2022 #40 (2023)

BL-16A/2019G622, 2021G668

垂直磁気異方性を示す鉄挿入遷移金属ダイカルコゲナイド FexTaS2 のX 線磁気円二色性による研究：FexTiS2 との比較
X-ray magnetic circular dichroism study of iron-intercalated transition-metal
dichalcogenide FexTaS2 with perpendicular magnetic anisotropy:
Comparison with FexTiS2
芝田悟朗 1,2,3*，Choongjae Won4,5, Jaewook Kim6，野中洋亮 3，池田啓祐 3，万宇軒 3，
鈴木雅弘 3，小出常晴 7，田中新 8，Sang-Wook Cheong4,5,6，齋藤智彦 2，藤森淳 3,9,10
1
日本原子力研究開発機構 物質科学研究センター, 〒679-5148 兵庫県佐用郡佐用町 1-1-12東京理科大学 理学部第一部 応用物理学科, 〒125-8585 東京都葛飾区新宿 6-3-1
3
東京大学 大学院理学系研究科 物理学専攻, 〒113-0033 東京都文京区本郷 7-3-1
4
Max Planck POSTECH/Korea Research Initiative, Pohang University of Science and Technology,Pohang 37673, Korea
5
Laboratory of Pohang Emergent Materials, Pohang Accelerator Laboratory Pohang 37673, Korea
6
Department of Physics and Astronomy, Rutgers University, Piscataway, New Jersey 08901, USA
Laboratory of Pohang Emergent
7
高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所, 〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-18
広島大学 大学院先端物質科学研究科, 〒739-8530 東広島市鏡山一丁目 3-1
9National Synchrotron Radiation Research Center, Hsinchu 30076, Taiwan
10Department of Physics and Center for Quantum Technology, National Tsing Hua University,Hsinchu 30013, Taiwan
Goro Shibata1,2,3*, Choongjae Won4,5, Jaewook Kim6, Yosuke Nonaka3, Keisuke Ikeda3,Yuxuan Wan3, Masahiro Suzuki3, Tsuneharu Koide7, Arata Tanaka8, Sang-Wook Cheong 4,5,6,
Tomohiko Saitoh2, and Atsushi Fujimori3,9,10
1
Materials Sciences Research Center, Japan Atomic Energy Agency, Sayo, Hyogo 679-5148, Japan2
Department of Applied Physics, Tokyo University of Science, Katsushika, Tokyo 125-8585, Japan3
Department of Physics, University of Tokyo, Bunkyo, Tokyo 113-0033, Japan
4Max Planck POSTECH/Korea Research Initiative, Pohang University of Science and Technology,Pohang 37673, Korea
5Laboratory of Pohang Emergent Materials, Pohang Accelerator Laboratory Pohang 37673, Korea
6Department of Physics and Astronomy, Rutgers University, Piscataway, New Jersey 08901, USA
7
Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research Organization, Tsukuba,
Ibaraki 305-0801, Japan
8Department of Quantum Matter, Hiroshima Univ. Higashi-Hiroshima, Hiroshima 739-8530, Japan
9National Synchrotron Radiation Research Center, Hsinchu 30076, Taiwan
10Department of Physics and Center for Quantum Technology, National Tsing Hua University,
Hsinchu 30013, Taiwan
1 はじめに
3d 遷移金属元素 M を層間にインターカレートした
遷移金属ダイカルコゲナイド MxXS2 は、遷移金属元
素 M および X の種類、さらにそれらのドープ量に依存して、多彩な電気伝導および磁性を示す。特に Feを イ ン タ ー カ レ ー ト し た 化 合 物 FexTiS2 お よ び
FexTaS2 は、巨大な保磁力および垂直磁気異方性を示す強磁性体になることが知られている[1,2]。このような強い磁気異方性は、結晶構造が 2 次元的であること、すなわち面直方向と面内方向との間で結晶構造に大きな異方性を持つことが原因であると予想される。我々は以前、FexTiS2 についての XMCD 実験の結果から、Fe2+の凍結していない軌道磁気モーメント(Morb)が結晶場の 1 次摂動によって直接磁気異方性エネルギーを生むことを明らかにした[3,4]。今回、FexTiS2 よりもさらに強い磁気異方性を示す遷移金属

Photon Factory Activity Report 2022 #40 (2023)

ダイカルコゲナイド FexTaS2 について同様に XMCD実験を行い、磁気異方性の強さが何によって左右されているかを探ることを試みた。
2 実験
Chemical vapor deposition (CVD) 法で作製した単結晶 FexTaS2 (x ~ 0.3) 試料を、真空チャンバー内で劈開することにより測定を行った。XMCD 測定は KEKPF BL-16A に設置されている 5T 超伝導マグネット
XMCD 装置を用いて行い、面直磁場配置および面内磁場配置の両方で測定を行った。面内磁場配置は試料を 60°傾けた状態で測定した。測定温度は T = 30
K, 最大磁場強度は𝜇0 𝐻 = 5 Tであった。
3 結果および考察
Figure 1(a), 1(b)に Fe L2,3 端で測定した FexTaS2 のXAS および XMCD スペクトルを赤線で示す。これ
らのスペクトルは面直磁場配置で得られたものである。XAS スペクトルは典型的な Fe2+の形状であり、FexTiS2 の場合[3,4]と同様にインターカレートされたFe 原子からホストの TaS2 層へ電子がドープされていることがわかる。一方、XMCD スペクトルのスペクトル形状は FexTiS2 のそれ[3,4]とは大きく異なる。具体的 に は、Fig. 1(b)中の 丸印 に 示 すピ ー ク 構造 はFexTiS2 では観測されていない、FexTaS2 に特有の構造である。この結果は、両物質が類似の結晶構造を持っているにもかかわらず、その電子状態には大きな差があることを示唆するものである。
Ti は 3d 遷移金属、Ta は 5d 遷移金属であることか
ら、両者の間ではスピン軌道相互作用(SOI)が大きく異なることが考えられる。そこで、SOI の大きさを変えた配置間相互作用クラスターモデル計算によって実験結果を再現できるかどうかを試みた。結果を図２に示す。配位子に直接 SOI を取り入れることはFigure 1: Fe L2,3-edge (a) XAS and (b) XMCD spectraof FexTaS2. Circles represent the different spectralfeatures from the XMCD spectra of FexTiS2 [4].

困難であるため、この計算では、Fe の SOI を atomicな場合の 1 倍から 10 倍の範囲で変化させている。その他の計算パラメータは文献[4]と同様としている。
SOI を増加させていくに従って、Relative energy =– 4.5 eV付近の上向きの XMCD ピークが成長していく様子が見て取れる。これは、実験スペクトル（図１(b)）のℎ𝜈 = 706.5 eV付近の上向きの XMCD ピー
クに対応していると考えられる。したがって、実験で観測された FexTiS2 と FexTaS2 の間の XMCD スペク
トル形状の差異は SOI の大きさの違いによって説明できると考えられる。この結果は、ホスト層内原子の SOI の差が軌道混成を通じてインターカレート原子にまで及ぶことを示していると言える。
FexTaS2 について、XMCD 総和則を用いて面直方向の軌道磁気モーメントとスピン磁気モーメントの比|𝑀orb /𝑀spin |を求めたところ、0.61±0.04 となった
（面内磁場では 5 T の磁場を印加しても磁化が飽和せず、|𝑀orb /𝑀spin |を実験的に求めることは困難であった）。これは FexTiS2 の場合の値（0.24±0.04[4]）に比べて有意に大きく、FexTaS2 の非常に強い磁気異方性との関係性が示唆される。
参考文献[1] H. Negishi et al., J. Magn. Magn. Mater. 67, 179 (1987).
[2] M. Eibschütz et al., Appl. Phys. Lett. 27, 464 (1975).
[3] G. Shibata et al., Photon Factory Activity Report 2018
#36 (2019).
[4] G. Shibata et al., J. Phys. Chem. C 125, 12929 (2021).
* shibata.goro@jaea.go.jp

Figure 2: Simulated Fe L2,3-edge XMCD spectra basedon configuration-interaction cluster-model calculation.
Fe 3d spin-orbit interaction (SOI) is varied manually inthe range of 1–10 times of its atomic value. Otherparameters are set the same as those in Ref. [4].