Transcript 表面分子吸着により誘起される薄膜磁気転移

POST-ICMM2004
－分子磁性の新しい
動向を探る研究会－
2005年9月5,6日
エピナール那須
ナノスケール磁性体の表面化学的
磁化制御と評価
1. 表面分子吸着によって誘起されるスピン転移
2. 磁化誘起第二高調波発生法とその応用例
分子研
横山 利彦
磁性薄膜の特徴ある物性
垂直磁気異方性 (PMA)
near-future HDD
easy axis surface parallel
magnetic dipole-dipole interaction
shape anisotropy -2pMs2
easy axis surface normal (PMA)
some other origins related to orbital moment
巨大磁気抵抗 (GMR)
present HDD read-head
Antiferromagnetic layer
Layer 1 large Hc
Non-magnetic layer
Layer 2 small Hc
J<0
Exchange interaction
antiferromagnetic
Coersive field
Weak field
layer 1 > layer 2 Strong field
antiferromagnetic
ferromagnetic
large magnetoresistance
small magnetoresistance
磁性薄膜の磁気異方性：巨視的起源
Phenomelogical description of anisotropic energy
Bulk
Surface & interface
Shape
Magnetoelastic Magnetocrystalline 表面界面
anisotropy
anisotropy
anisotropy 結晶磁気異方性
形状異方性
薄膜内部
磁気弾性異方性
Bulk magnetoelastic anisotropy stabilizes PMA
Ni/Cu(001) K2v > 0, K2s < 0, K2i <0
Interface anisotropy stabilizes PMA
Co/Pd(111), Co/Pt(111), Co/Au(111) etc. K2v < 0, K2s < 0, K2i > 0
Surface anisotropy that favors in-plane magnetization
can be controlled by surface chemical treatments.
磁気異方性の微視的起源
スピン軌道相互作用
cf. 交換 (spin-spin) 相互作用
- Jij Si・Sj scalar product
anisotropic
not anisotropic
same energies without
spin-orbit interaction
軌道角運動量
Li
anisotropic in ultrathin films or more generally, except for spherical
symmetry spin-orbit interaction xiLi・Si
different energies
with spin-orbit interaction
磁性薄膜の異方性に関する分子吸着の効果
H adsorption on Ni/Cu(001)
R. Vollmer, Th. Gutjahr-Loeser, J. Kirschner, S. van Dijken, and B. Poelsema,
Phys. Rev. B60 (1999) 6277.
dc=10 ML
H2 ads.
dc=7 ML
Stabilization of PMA by H2 ads.
H2 ads.
H2 des.
X線磁気円二色性(XMCD)
m+ 円偏光ヘリシティ
と試料スピンが
平行
m- 円偏光ヘリシティ
と試料スピンが
反平行
X線磁気円二色性(XMCD)
スピン・軌道磁気モーメント
分離観測可能
suitable to studies on
magnetic anisotropy
元素選択性
partial magnetization
of each element
表面敏感
suitable to
ultrathin films
軌道選択性
partial magnetization of each orbital
cf. SQUID total magnetization
MOKE purely defined
UVSORにおけるXMCD-MOKE測定系
Manipulator
Ar+ gun
RHEED
X rays
Evaporator
Magnet
MOKE
Detector
Laser
Laser
635 nm
Magnet
Base pressure
1x10-10 Torr
Polar Kerr
Detector
Polarizer
H
Detector
sample
for perpendicular
magnetization
XMCD
Circularly
polarized
X rays
Polarizer
Polarizer Laser
Logitudinal Kerr for in-plane magnetization
30 mm
Au coated
pure Fe
Max. 3000 Oe
Co/Pd(111) 薄膜のCO吸着における
スピン再配列転移
D. Matsumura et al. Phys. Rev. 66 (2002) 024402.
T. Yokoyama et al. J.Phys. Condens. Matter 15 (2003) S537.
Co L-edge XMCD of 4.5 ML Co/Pd(111) at 200 K
30°
30°
Change of
magnetic
easy axis
９0° Clean
Co/Pd(111)
CO-ads.
９0° Co/Pd(111)
Co/Pd(111)薄膜のCO吸着前後における
スピン磁気モーメント
Above the critical thickness dc, CO adsorption
the easy axis is in plane.
extends the PMA
stable region.
dc = 3.5 ML → 6.5 ML
清浄およびCO吸着したCo/Pd(111)薄膜の
Co 3d軌道磁気モーメント
T=200 K
CO adsorption
reduces only the
in-plane orbital
moments.
Co/Pd(111)へのCO吸着における
Co軌道磁気モーメントの変化
Out-of-plane orbital moment
In-plane orbital moment
In-plane orbital moment is
larger on clean surface.
In-plane orbital moment is
more significantly reduced
upon CO adsorption.
CO/Co/Pd(111)のXPS
スピン転移
転移なし
200 K
300 K
C1s XPS
atop
bridge
C1s XPS
直入射XMCD
CO/Co/Pd(111)のXPS
C1s XPS
直入射XMCD
bridge吸着が転移を引き起こし、
atop吸着は転移に全く寄与しない
CO/Co/Pd(111)のX線光電子回折
300 K
200 K
300 K
atopのみ
atop
atop
200 K
atop + bridge
bridge
Cuステップ面上のCo薄膜
LEED of clean
Cu(1 1 17)
Splitting
Layer-byLayer growth
confirmed
LEED of
5 ML Co
on Cu(1 1 17)
Co(5ML)
/ Cu(1 1 17)
Easy axis
// step
Weber et al. in Phys. Rev. B52,
R14400 (1995).
Co/Cu(1 1 17)薄膜のNO吸着効果：MOKE
Strong
NO
uniaxial
anisotropy
No easy axis
as if 4 fold symmetry
Coercivity reduced
significantly
一軸異方性の消失
Co/Cu(1 1 17)へのNO吸着効果：XMCD
Orbital moment
Clean
// step > ⊥step
Strong uniaxial anisotropy
NO-ads.
// step ~ ⊥step
nearly 4 fold symmetry
direction
Clean // step
 step
NO- // step
ads.  step
ms (mB)
ml
(mB)
0.256 1.459
0.224 1.454
0.116 0.866
0.123 0.879
磁化誘起第二高調波発生(MSHG)
測定装置の製作と応用例
Magnetically induced Second Harmonic Generation
表面敏感
磁化方向
反転中心のあるバルク
ではSHG禁制
偏光依存性と選択則
Input: S or P
Output:
S or P
c(2x2)S/Ni(110)
S 0.5 ML
SとNiの化学結合による表面磁化の顕著な減衰
入射フィルタ
出射フィルタ
２次光カット
１次光カット
Cuステップ面上のCo薄膜のMSHG
MOKE
MSHGにより磁化反転
経過が追跡できた
選択則
Sin-Pout, Pin-Pout
Pin-Sout
主に磁場に垂直で基板に平行な磁化
磁場に平行な磁化
Fe/Ni/Cu(001)系における
非平行交換相互作用
X. Liu et al. Phys. Rev. B65 (2002) 224413.
S1
Fe
Ni 7 ML
Cu(001)
S2
E = J (S1・S2)2
非平行交換相互作用
Biquadratic exchange
?
2.7ML, 3.8MLで
交換バイアス
直接相互作用する
強磁性２層膜では
これまで例がない
J. Hunter Dunn et al. Phys. Rev. Lett.
94, 217202 (2005)
Ni(2ML)/Fe(2ML)/Ni(8ML)/Cu(001)
Fe/Ni/Cu(001)のMSHG
Sin-Pout, Pin-Pout
Pin-Sout
主に磁場に垂直で基板に平行な磁化
磁場に平行な磁化
Fe/Ni/Cu(001)系における非平行交換
相互作用とらせん磁化の観測
磁化反転はFe1がFe2やNiと垂直な配置を経由
Feの磁化は層毎に90度回転し
４層で反強磁性体を形成
８層で２周期の反強磁性体
Fe 4 MLと8 MLで残留磁化に極小
Liuらの提唱した非平行交換相互作用(biquadratic exchange interaction)を実験的に証明
謝辞
研究室メンバー
中川剛志 助手
丸山耕一 博士研究員
渡邊廣憲 技術職員
馬暁東
総研大博士課程2年
東京大学・大学院理学系研究科・化学専攻・太田研究室（旧所属）
太田俊明 教授
雨宮健太 助手
松村大樹 元院生・学振研究員(現:原研関西・播磨)
科研費特定領域「分子スピン」(代表:阿波賀邦夫・名大院理教授)
実験手法
1) 磁気光学Kerr効果(MOKE)測定系
薄膜磁性の標準的測定手段
2) X線磁気円二色性(XMCD)測定系
UVSOR放射光利用
軌道磁気モーメント、元素選択性
3) 磁化誘起第二高調波発生(MSHG)測定系
表面敏感磁化測定
4) XMCD測定用超伝導磁石
7 T, 4.2 K 17年導入予定
5) 円偏光レーザー励起光電子収量
磁化測定法の開発
6) 極低温走査トンネル顕微鏡(STM)
~10 K, 薄膜表面構造
円偏光レーザー誘起スピンSTM