Transcript 酸化物単結晶基板上における Ni(111)薄膜のエピタキシャル成長

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Chuo Univ.
>> 2010年度 電気電子情報通信工学専攻 修士論文発表会
安定相および準安定相構造を持つ
NiおよびNi合金エピタキシャル薄膜
の作製と構造および磁気特性解析
Preparation and characterization of Ni and Ni-alloy epitaxial thin films with
stable and metastable structures
佐藤 洋一
中央大学大学院 理工学研究科
電気電子情報通信工学専攻
Yoichi SATO
Department of Electrical, Electronic, and Communication Engineering,
Graduate School of Science and Engineering, Chuo University
研究背景
磁化
ニッケル（Ni），Ni合金
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軟磁性材料
磁界
>>代表的な軟磁性材料
保磁力小
磁気ヘッド
硬磁性材料
磁気センサ
MRAM（磁気抵抗メモリ）
磁気応用デバイスの性能向上
膜
磁化
磁界
保磁力大
結晶本来の
特性
基板
多結晶薄膜
エピタキシャル薄膜
研究背景
磁化
ニッケル（Ni），Ni合金
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軟磁性材料
磁界
>>代表的な軟磁性材料
保磁力小
磁気ヘッド
硬磁性材料
磁気センサ
MRAM（磁気抵抗メモリ）
磁気応用デバイスの性能向上
エピタキシャル薄膜
膜
基板
磁化
磁界
保磁力大
形成条件
基板材料
基板結晶方位
基板温度
エピタキシャル薄膜
構造，磁気特性
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研究背景
エピタキシャルNiおよびNi合金薄膜の
構造および磁気特性を明らかにする
安定構造（fcc（面心立方）構造）を持つ
エピタキシャルNi，Ni合金薄膜の作製
構造，磁気特性
準安定構造（hcp（六方最密）構造）を持つ
エピタキシャルNi，Ni合金薄膜の作製
成長機構，構造
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hcp-Ni，hcp-NiFe結晶
Ni，Ni80Fe20合金（パーマロイ）
Temperature (ºC)
バルク状態ではfcc構造
Ni‒Fe状態図
Liquid
1400
Ni80Fe20 Ni
1000
600
200
fcc（面心立方）構造
fcc
bcc
Fe3Ni
0
Fe
20
FeNi
40
FeNi3
60
Ni (at.%)
準安定なhcp（六方最密）構造を持つNi結晶の形成
微粒子，薄膜状態
hcp結晶
Ref.) P. Hemenger et al.: Acta Crystallogr., 19, 690 (1965).
G. Carturan et al.: Mater. Lett., 7, 47 (1988).
V. R. Gonzalez et al.: JSSC, 180, 22 (2007).
fcc結晶
80
100
Ni
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研究目的
hcp結晶
fcc相を含まない純粋なhcp結晶
構造，基本特性
①
②
結晶方位関係が制御されたエピタキシャル薄膜
（単結晶）
Ni, NiFe薄膜
Ni，NiFe薄膜
_
Ru(1100)下地層
Cr(211)下地層
シード層
⑤
MgO(110)基板
MgO(110)基板
Ref.) Y. Sato, M. Ohtake, J. higuchi, Ref.) J. higuchi, M. Ohtake, Y. Sato,
T. Nishiyama, M. Futamoto:
T. Nishiyama, M. Futamoto:
ISAMMA2010, QA-14 (2010).
JEMS2010, abs. 250 (2010).
③
④
Ni, NiFe薄膜
Ni，NiFe薄膜
_
Ru(1120)下地層
Cr(100)下地層
シード層
MgO(100)基板
Ni, NiFe薄膜
Au(100)下地層
シード層
MgO(100)基板
Ref.) Y. Sato, M. Ohtake, J. higuchi,
T. Tanaka, F. Kirino, M. Futamoto:
ISAMMA2010, PF-03 (2010).
MgO(100)基板
>>本研究の目的
Cr(211)下地層を用いて準安定hcp-Ni，hcp-NiFe単結晶薄膜を作製
成長機構，膜構造
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実験方法
製膜法：RFマグネトロンスパッタリング
RHEED
観察室
成長室
RHEED
観察室
RHEED銃
試料
試料
成長室
搬送棒
RHEED
スクリーン
 背圧: 4×10–7 Pa  製膜速度: 0.02 nm/s
 基板：MgO(110)
評価法
 膜構造:
反射高速電子回折（RHEED） 加速電圧：15 kV
X線回折（XRD） 極点，面外，面内測定
透過型電子顕微鏡（TEM） 加速電圧： 300 kV
 組成分析: エネルギー分散型X線分析装置（EDX）
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実験方法
スクリーン
反射高速電子回折（RHEED）
試料
電子線
反射高速電子回折パターン
エピタキシャル薄膜
多結晶薄膜
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実験方法
膜構成
反射高速電子回折パターン
① 基板処理
MgO(110)基板
MgO(110)
600 ˚C×1h
② Cr下地層形成
Cr(10 nm)
MgO(110)
300 ˚C
③ Ni，NiFe薄膜形成
Ni(40 nm)
NiFe(40 nm)
Cr(10 nm)
MgO(110)
室温
NiFe薄膜の組成
Ni – 20±4 at.% Fe
Cr(211)bcc下地層
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実験方法
エピタキシャル方位関係
_
_
Cr(211)[111]bcc || MgO(110)[110]
反射高速電子回折パターン
–16%
MgO(110)基板
Cr
MgO
MgO[001]
_
[110]
200
020
_
–3%
220
_
220
220
Cr/MgO界面の断面透過型電子顕微鏡像
Cr(211)bcc下地層
400’ 222
Cr[211]
_
[011]
211
022 220’
MgO[110]
[001]
222’ 400
1 nm
200 022’
結果：Ni，NiFe薄膜のエピタキシャル成長
_
hcp(1100)
Ni(2 nm)
__
4120
_
3300
__
3120
__
3110
_
2240
_
2130
_
2200
__
2110
_
1230
_
1120
_
_
hcp(1100)
NiFe(2 nm)
__
4120
_
3300
__
3120
__
3110
_
2240
_
2130
_
2200
__
2110
Ni(40 nm)
_
1230
_
1120
NiFe(40 nm)
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結果：hcp−Ni，hcp−NiFe薄膜のエピタキシャル方位関係 Chuo Univ.
_
hcp(1100)
Ni(2 nm)
__
4120
_
3300
__
3120
__
3110
Ni(40 nm)
_
2240
_
2130
_
2200
__
2110
_
1230
_
1120
hcp-Ni, NiFe
Cr
エピタキシャル方位関係
_ (膜断面図)
_
_
hcp(1100)[0001] || Cr(211)[011] || MgO(110)[110]
_
hcp[1100]
_
hcp[1100]
_
[1120]
[0001]
格子ミスマッチ Ni: 0%
NiFe: 0%
Cr[211]
_
[111]
Ni: 2%
NiFe: 2%
Cr[211]
_
[011]
結果：Ni，NiFe薄膜の電子回折構造解析
Ni(2 nm)
Ni(40 nm)
__
4120
_
3300
__
3120
__
3110
_
2240
_
2130
_
2200
__
2110
_
1230
_
1120
NiFe(2 nm)
__
4120
NiFe(40 nm)
_
3300
__
3120
__
3110
_
2240
_
2130
_
2200
__
2110
_
1230
_
1120
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結果：Ni，NiFe薄膜の電子回折構造解析
Ni(2 nm)
Spot-P
_
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Ni(40 nm)
Spot-P
(3300)
Spot-Q
_
Spot-Q
(2200)
強度比 ISpot–P/ISpot–Q
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
10
20
膜厚（nm）
30
40
結果：Ni，NiFe薄膜の電子回折構造解析
_
hcp(1100)
Ni(2 nm)
__
4120
_
3300
__
3120
__
3110
_
2240
_
2130
_
2200
__
2110
_
1230
_
1120
Ni(40 nm)
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_
hcp(1100) + fcc(211)
__
_
_
4120+440A,B
3300+422A,B 2240+404A,B
__
_
3120
2130
__
_
_
3110
2200
1230
__
_
2110+220A,B
1120+202A,B
強度比 ISpot–P/ISpot–Q
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
10
20
膜厚（nm）
30
40
結果：Ni，NiFe薄膜の電子回折構造解析
_
hcp(1100)
Ni(2 nm)
__
4120
_
3300
__
3120
__
3110
_
2240
_
2130
_
2200
__
2110
_
1230
_
1120
Ni(40 nm)
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_
hcp(1100) + fcc(211)
__
_
_
4120+440A,B
3300+422A,B 2240+404A,B
__
_
3120
2130
__
_
_
3110
2200
1230
__
_
2110+220A,B
1120+202A,B
強度比 ISpot–P/ISpot–Q
1.0
0.8
0.6
0.4
膜厚の増加に伴い
_
hcp(1100)結晶 ⇒ fcc(211)結晶に相変態
0.2
0
0
10
20
膜厚（nm）
30
40
結果：hcp結晶
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⇒ fcc結晶 方位関係
結晶方位関係 (膜断面図)
_
_
Type A: fcc(211)[111] || hcp(1100)[0001]
__
_
Type B: fcc(211)[111] || hcp(1100)[0001]
fcc[211]A
__
[111]A
Type A
fcc[211]B
__
[111]B
Type B
fcc結晶
最密面の積層順序
（ABC・・，ACB・・）
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
fcc結晶
hcp ⇒ fcc 相変態
A
hcp結晶
最密面の積層順序
（ABAB・・・）
B
A
B
A
B
A
B
hcp結晶
A
B
A
_
hcp[1100]
[0001]
結果：X線回折極点測定による構造解析
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Ni薄膜
_
hcp結晶
Ni{1101}
fcc結晶
a=90o
a =40o
Ni{111}A
a=90o
a =40o
High
NiFe薄膜
hcp結晶
a =40o
_ _
Ni{1101}
_
b
NiFe{1101}
a=90o
b
Ni{111}B
Low
fcc結晶
a =40o
NiFe{111}A
a=90o
High
b
b
_ _
NiFe{1101}
NiFe{111}B
Low
結果：hcp−Niの断面構造
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断面透過型電子顕微鏡像
Ni
_
Ni[1100]
[0001]
Cr
MgO
10 nm
Ni/Cr界面の断面透過型電子顕微鏡像
hcp-Ni
[0001]
_
fcc-Ni
[111]
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fcc-Ni
_
[111]
_
fcc-Ni
[111]
Cr[211]
_
[011]
2 nm
Ni/Cr界面の断面透過型電子顕微鏡像
結果：hcp−Niの断面構造
hcp-Ni
[0001]
_
fcc-Ni
[111]
hcp
A
A
A
_
fcc-Ni
[111]
fcc-Ni
_
[111]
fcc
B
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fcc
B
C A
A C
B A
Cr[211]
_
[011]
2 nm
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結果：X線回折による構造解析
Ni薄膜
NiFe薄膜
面外XRD
面外XRD
MgO(220)
90
Ni(0002), Ni(111), Cr(011)
20
面内XRD
50
60
30
40
50
60
_
Ni(1122)
70
80
90
2, 2/ (deg.)
100
X線回折強度 (a.u.)
MgO(002)
10
※対数表示
80
_
※対数表示
面内XRD
70
_
X線回折強度 (a.u.)
60
Cr(211)
40
50
60
70
80
90
面内XRD NiFe(0002), NiFe(111)
_
Cr(211)
_
_
50
_
NiFe(1100)
Ni(1100)
40
MgO(220)
,Cr(011)
MgO(002)
WL
Kb
10
20
面内XRD
50
60
30
40
50
60
_
NiFe(1122)
70
80
90
2, 2/ (deg.)
100
結果：hcp−Ni，
hcp−
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NiFe結晶の格子定数
Chuo Univ.
hcp構造
c
a
c
_
(1122)
a
_
(1100)
格子定数 c
_
2d(1122)
_
a = 2d(1100)2 / 3
_
c
格子定数 a
a2 (2d(1122)_)2
= [ a2 – (2d(1122))2 ]
格子定数
hcp−Ni (nm)
hcp−NiFe (nm)
a
c
0.249
0.250
0.415
0.414
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まとめ
Cr(211)下地層上において準安定hcp-Ni，hcp-NiFe単結晶薄膜が得られた
 膜厚の増加に伴い，hcp結晶の一部はより安定であるfcc結晶に相変態する傾
向が認められた．
 hcp結晶からfcc結晶に相変態する際の結晶方位関係は以下の通りである．
_
_
fcc(211)[111] || hcp(1100)[0001]
__
_
fcc(211)[111] || hcp(1100)[0001]
 相変態はhcp構造の最密面と平行方向に原子が再配列することにより起きてい
ることが分かった．
 X線回折測定により求めたhcp-Ni，hcp-NiFe結晶の格子定数は以下の通りで
ある．
格子定数
a
Ni:
0.249 nm
NiFe: 0.250 nm
格子定数
c
Ni:
0.415 nm
NiFe: 0.414 nm
謝辞
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本研究を行うにあたり，懇切丁寧な御指導をして頂いた二本正昭
指導教授に深く感謝致します．
博士課程後期課程の大竹充さんには数多くの有益な御指導を頂
きました．
東京藝術大学大学院の桐野文良教授には面外XRDおよびEDX
分析で御協力頂きました．
同研究室の卒業生である西山努さんには学会発表準備等で大変
お世話になりました．
本研究の一部は同研究室の卒業生である田中孝浩さん，および
同研究室の樋口潤平さん，藪原穣さんの御協力のもと行われまし
た．
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まとめ
Cr(211)下地層上において準安定hcp-Ni，hcp-NiFe単結晶薄膜が得られた
 膜厚の増加に伴い，hcp結晶の一部はより安定であるfcc結晶に相変態する傾
向が認められた．
 hcp結晶からfcc結晶に相変態する際の結晶方位関係は以下の通りである．
_
_
fcc(211)[111] || hcp(1100)[0001]
__
_
fcc(211)[111] || hcp(1100)[0001]
 相変態はhcp構造の最密面と平行方向に原子が再配列することにより起きてい
ることが分かった．
 X線回折測定により求めたhcp-Ni，hcp-NiFe結晶の格子定数は以下の通りで
ある．
格子定数
a
Ni:
0.249 nm
NiFe: 0.250 nm
格子定数
c
Ni:
0.415 nm
NiFe: 0.414 nm