ナノスケール磁性体の表面化学的磁化制御と評価 分子研 横山 利彦

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1 ナノスケール磁性体の表面化学的磁化制御と評価 分子研 横山 利彦
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 分子研　　　横山　利彦 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

2 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 normal (PMA) some other origins related to orbital moment easy axis surface parallel magnetic dipole-dipole interaction shape anisotropy -2pMs2 巨大磁気抵抗 (GMR) present HDD read-head Weak field antiferromagnetic large magnetoresistance Strong field ferromagnetic small magnetoresistance Exchange interaction antiferromagnetic Coersive field layer 1 > layer 2 Layer 1 large Hc Layer 2 small Hc Non-magnetic layer Antiferromagnetic layer J < 0

3 磁性薄膜の磁気異方性：巨視的起源 Phenomelogical description of anisotropic energy
Shape anisotropy Bulk Magnetoelastic Surface & interface Magnetocrystalline 表面界面 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.

4 磁気異方性の微視的起源 スピン軌道相互作用 anisotropic
cf. 交換 (spin-spin) 相互作用 not anisotropic - Jij Si・Sj scalar product 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

5 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) dc=10 ML dc=7 ML
R. Vollmer, Th. Gutjahr-Loeser, J. Kirschner, S. van Dijken, and B. Poelsema, Phys. Rev. B60 (1999) 6277. dc=10 ML dc=7 ML H2 ads. H2 ads. H2 des. Stabilization of PMA by H2 ads.

6 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 　　　反平行

7 X線磁気円二色性(XMCD) 元素選択性 partial magnetization of each element 表面敏感
suitable to ultrathin films スピン・軌道磁気モーメント 　分離観測可能 suitable to studies on magnetic anisotropy 軌道選択性 partial magnetization of each orbital cf. SQUID total magnetization MOKE purely defined

8 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 sample Base pressure 1x10-10 Torr Polar Kerr 30 mm Detector for perpendicular magnetization Polarizer Au coated pure Fe Max Oe XMCD Circularly polarized X rays H Detector Polarizer Polarizer Laser Logitudinal Kerr for in-plane magnetization

9 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) 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 ９0° 30° CO-ads. Co/Pd(111) 30° Change of magnetic easy axis ９0° Clean Co/Pd(111)

10 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, the easy axis is in plane. CO adsorption extends the PMA stable region. dc = 3.5 ML →　6.5 ML

11 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.

12 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 is more significantly reduced upon CO adsorption. In-plane orbital moment In-plane orbital moment is larger on clean surface.

13 CO/Co/Pd(111)のXPS 200 K スピン転移 300 K 転移なし C1s XPS 直入射XMCD C1s XPS atop
bridge

14 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

15 CO/Co/Pd(111)のX線光電子回折 300 K 200 K 300 K 200 K atopのみ atop + bridge

16 Cuステップ面上のCo薄膜 LEED of clean Cu(1 1 17) LEED of 5 ML Co
Splitting Co(5ML) / Cu(1 1 17) Layer-by- Layer growth confirmed LEED of 5 ML Co on Cu(1 1 17) Easy axis // step Weber et al. in Phys. Rev. B52, R14400 (1995).

17 Co/Cu(1 1 17)薄膜のNO吸着効果：MOKE
Strong uniaxial anisotropy No easy axis as if 4 fold symmetry Coercivity reduced significantly NO 一軸異方性の消失

18 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 ml (mB) ms (mB) Clean // step 0.256 1.459  step 0.224 1.454 NO-ads. 0.116 0.866 0.123 0.879

19 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 Output: S or P Input: S or P 入射フィルタ　　２次光カット 出射フィルタ　　１次光カット 表面敏感　反転中心のあるバルク ではSHG禁制 磁化方向　偏光依存性と選択則 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

20 Cuステップ面上のCo薄膜のMSHG MOKE 選択則 MSHGにより磁化反転
Sin-Pout, Pin-Pout　　主に磁場に垂直で基板に平行な磁化 Pin-Sout　　　　　　　 磁場に平行な磁化 MSHGにより磁化反転 経過が追跡できた

21 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) J. Hunter Dunn et al. Phys. Rev. Lett. 94, (2005) Ni(2ML)/Fe(2ML)/Ni(8ML)/Cu(001) Cu(001) Ni 7 ML Fe S1 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

22 Fe/Ni/Cu(001)のMSHG Sin-Pout, Pin-Pout 主に磁場に垂直で基板に平行な磁化
Pin-Sout　　　　　　　 磁場に平行な磁化

23 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

24 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
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)

25 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