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

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

磁性薄膜の特徴ある物性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 parallelmagnetic dipole-dipole interactionshape anisotropy -2Ms

2

巨大磁気抵抗 (GMR) present HDD read-head

Weak field antiferromagnetic large magnetoresistanceStrong field ferromagnetic small magnetoresistance

Exchange interaction antiferromagneticCoersive field layer 1 > layer 2

Layer 1 large Hc

Layer 2 small Hc

Non-magnetic layer

Antiferromagnetic layer

J < 0

磁性薄膜の磁気異方性：巨視的起源磁性薄膜の磁気異方性：巨視的起源Phenomelogical description of anisotropic energy

Shapeanisotropy

BulkMagnetoelastic

anisotropy

Surface & interfaceMagnetocrystalline

anisotropy

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 magnetizationcan be controlled by surface chemical treatments.

形状異方性 薄膜内部磁気弾性異方性

表面界面結晶磁気異方性

磁気異方性の微視的起源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 iLi ・ 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

dc=7 ML

H2 ads.

H2 ads. H2 des.Stabilization of PMA by H2 ads.

XX 線磁気円二色性線磁気円二色性 (XMCD)(XMCD)

　 円円円円円円円円　 　 　 円円円円円円円　 　 　 円円 　円偏光ヘリシティ　　　と試料スピンが　　　反平行

XX 線磁気円二色性線磁気円二色性 (XMCD)(XMCD)

元素選択性 partial magnetization of each element

軌道選択性 partial magnetization of each orbital cf. SQUID total magnetization MOKE purely defined

スピン・軌道磁気モーメント　分離観測可能 suitable to studies on magnetic anisotropy

表面敏感 suitable to ultrathin films

UVSORUVSOR におけるにおける XMCD-MOKEXMCD-MOKE 測定系測定系

Laser635 nm

MOKEDetector

Magnet sample

Magnet

X rays

PolarizerPolarizerDetector

for in-plane magnetization

H

DetectorPolarizer

for perpendicular magnetization

Polar Kerr

Logitudinal KerrLaser

Laser

XMCD Circularly polarized X rays

Au coated pure FeMax. 3000 Oe

30 mm

RHEED

Evaporator

Ar+ gun

Manipulator

Base pressure 1x10-10 Torr

Co/Pd(111) Co/Pd(111) 薄膜の薄膜の COCO 吸着における吸着におけるスピン再配列転移スピン再配列転移

Co L-edge XMCD of 4.5 ML Co/Pd(111) at 200 K

Change ofmagnetic easy axis

30°

９ 0°

D. Matsumura et al. Phys. Rev. 66 (2002) 024402.T. Yokoyama et al. J.Phys. Condens. Matter 15 (2003) S537.

Clean Co/Pd(111)

９ 0°

30°

CO-ads. Co/Pd(111)

Co/Pd(111)Co/Pd(111) 薄膜の薄膜の COCO 吸着前後におけ吸着前後におけるる

スピン磁気モーメントスピン磁気モーメント

CO adsorption extends the PMAstable region.

dc = 3.5 ML → 　 6.5

ML

Above the critical thickness dc,

the easy axis is in plane.

清浄および清浄および COCO 吸着した吸着した Co/Pd(111)Co/Pd(111) 薄膜薄膜のの

Co 3dCo 3d 軌道磁気モーメント軌道磁気モーメントT=200 K

CO adsorption reduces only thein-plane orbitalmoments.

Co/Pd(111)Co/Pd(111) へのへの COCO 吸着における吸着におけるCoCo 軌道磁気モーメントの変化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)CO/Co/Pd(111) のの XPSXPS

C1s XPS

200 K スピン転移300 K 転移なし

atop

bridge

C1s XPS 直入射 XMCD

CO/Co/Pd(111)CO/Co/Pd(111) のの XPSXPS

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)CO/Co/Pd(111) のの XX 線光電子回折線光電子回折200 K300 K

atop atop

bridge

200 K

300 Katop のみ

atop + bridge

CuCu ステップ面上のステップ面上の CoCo 薄膜薄膜

Easy axis // step

Weber et al. in Phys. Rev. B52, R14400 (1995).

Co(5ML)/ Cu(1 1 17)

LEED of clean Cu(1 1 17)

LEED of 5 ML Coon Cu(1 1 17)

Layer-by-Layer growthconfirmed

Splitting

Co/Cu(1 1 17)Co/Cu(1 1 17) 薄膜の薄膜の NONO 吸着効果：吸着効果：MOKEMOKE

Strong uniaxial anisotropy

No easy axis as if 4 fold symmetryCoercivity reduced significantly

NO

一軸異方性の消失

Co/Cu(1 1 17)Co/Cu(1 1 17) へのへの NONO 吸着効果：吸着効果： XMCDXMCD

direction ml (B)

ms (B)

Clean // step 0.256 1.459 step 0.224 1.454

NO-ads.

// step 0.116 0.866 step 0.123 0.879

Orbital moment

Clean // step > step⊥ Strong uniaxial anisotropy

NO-ads. // step ~ step⊥ nearly 4 fold symmetry

磁化誘起第二高調波発生磁化誘起第二高調波発生 (MSHG)(MSHG)測定装置の製作と応用例測定装置の製作と応用例

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

Magnetically induced Second Harmonic Generation

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

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

CuCu ステップ面上のステップ面上の CoCo 薄膜の薄膜の MSHGMSHG

MSHG により磁化反転経過が追跡できた

選択則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

MOKE

Fe/Ni/Cu(001)Fe/Ni/Cu(001) 系における系における非平行交換相互作用非平行交換相互作用

X. Liu et al. Phys. Rev. B65 (2002) 224413.

Cu(001)

Ni 7 ML

Fe

S1 S2E = J (S1 ・ S2)2

非平行交換相互作用Biquadratic exchange

?

J. Hunter Dunn et al. Phys. Rev. Lett. 94, 217202 (2005)

Ni(2ML)/Fe(2ML)/Ni(8ML)/Cu(001)

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

Fe/Ni/Cu(001)Fe/Ni/Cu(001) のの MSHGMSHG

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

Fe/Ni/Cu(001)Fe/Ni/Cu(001) 系における非平行交換系における非平行交換相互作用とらせん磁化の観測相互作用とらせん磁化の観測

Fe 4 ML と 8 ML で残留磁化に極小

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

磁化反転は Fe1 が Fe2 や Ni と垂直な配置を経由

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 )

1) 1) 磁気光学磁気光学 KerrKerr 効果効果 ((MOKEMOKE)) 測定系測定系　　　薄膜磁性の標準的測定手段　　　薄膜磁性の標準的測定手段

2) X2) X 線磁気円二色性線磁気円二色性 ((XMCDXMCD)) 測定系測定系　　　　　　 UVSORUVSOR 放射光利用　放射光利用　　　　軌道磁気モーメント、元素選択性　　　軌道磁気モーメント、元素選択性

3) 3) 磁化誘起第二高調波発生磁化誘起第二高調波発生 ((MSHGMSHG)) 測定測定系系　　　表面敏感磁化測定　　　表面敏感磁化測定

4) XMCD4) XMCD 測定用超伝導磁石 測定用超伝導磁石 　　　　　　 7 T, 4.2 K 177 T, 4.2 K 17 年導入予定年導入予定

5) 5) 円偏光レーザー励起光電子収量円偏光レーザー励起光電子収量　　磁化測定法の開発　　磁化測定法の開発

6) 6) 極低温走査トンネル顕微鏡極低温走査トンネル顕微鏡 ((STMSTM))　　　　　　 ~10 K, ~10 K, 薄膜表面構造薄膜表面構造　　　円偏光レーザー誘起スピン　　　円偏光レーザー誘起スピン STMSTM

実験手法実験手法