分子研 横山 利彦

yokoyama@ims.ac.jp

紫外およびＸ線磁気円二色性による磁性薄膜表面の磁気特性評価 －磁性シリサイドへの展開を期待して－

グループ内共同研究者 中川剛志(助教)、高木康多(助教) 山本勇(PD, 現佐賀大助教) 江口敬太郎(博士前期2年)

応用物理学会 第１６回シリサイド系半導体研究会 「シリサイド微細構造の利用と関連評価技術」

日時： 2010年9月18日 （土） 場所： 長崎大学文教キャンパス

目次

1) 磁気円二色性 Magnetic Circular Dichroism 概説 紫外可視レーザーや放射光軟X線を用いたMCD

2) 新しい磁気顕微鏡 紫外磁気円二色性光電子顕微鏡 1PPE & 2PPE MCD PEEM with ultrafast time resolving power

3) 磁性薄膜ヘの化学吸着と基板化学修飾の効果

4) 磁性シリサイドへの若干の応用例

Ref: T. Yokoyama, T. Nakagawa and Y. Takagi, Int. Rev. Phys. Chem. 27 (2008) 449-505.

Photo-emission MCD

hν e Circularly Polarized lights M

磁気光学効果：旋光性と円二色性

Magnet or Chiral matter

Faraday効果

2 20

2 ( )( ) FF d

ω ωθ ωηπ ω ω

ω∞ ′

′= −′ −

∫P

iF F FΦ θ η= +複素Faraday回転角

Faraday Ellipticity

Faraday Rotation

Magnetic Circular Dichroism (MCD)

left right

left rightA

µ µµ µ

−=

+

µ: absorption coefficient

left right1 ( )4F

η µ µ= − −

双極子近似

起源

自然光学活性

× D がHに依存* BがEに依存

磁気光学活性

○ 誘電率がテンソル**

自然光学活性との比較

磁性体

回転なし

回転角2倍

自然光学活性 磁気光学活性

キラル物質

0 ( i )f gε ε ω= + +D E H

0ε=D•E 0

0

0 0

xx xy

xy xx

zz

ε ε

ε ε

ε

= −

•

*

**

磁気光学Kerr効果の測定

光源 LD 635nm(赤), LD 405nm(青), Nd:YVO4 532nm(緑) など

Co(6ML)/Cu(1 1 41)

後で角

度に換算

磁場 漏

れ光の強度

30 mm

Polarizer Polarizer

Detector

M

縦Kerr効果 (面内磁化用)

極Kerr効果 (垂直磁化用)

Detector Polarizer

Polarizer

M

楕円率(磁気円二色性)の測定法 縦Kerr効果の場合

¼波長板を挿入

交換相互作用 +スピン軌道相互作用

MCD! p+=px+ipy

左円偏光 ex+iey ∆Jz = +1 s• px+ipy

左 ex+iey

直線 ex or ey

直線偏光 ex or ey ∆Jz = 0 s• px or py

右 ex−iey

p−=px−ipy

右円偏光 ex−iey ∆Jz = −1 s• px−ipy

交換相互作用 または

Zeeman分裂

px軌道 py軌道

L=1

L=0

LZ=+1,0,−1

LZ=0 磁化なし

許容遷移 MCDなし

α

β

α

β

s

p

磁気光学効果の必要条件 系がスピン偏極し かつ 始状態あるいは終状態の 準位がスピン軌道相互作用を有すること

磁気光学効果とスピン軌道相互作用

Jz= −3/2 Jz= −1/2 Jz= +1/2 Jz= +3/2

Jz= −1/2

Jz= +1/2

Jz= −1/2 Jz= +1/2

J=3/2

J=1/2

X線磁気円二色性 XMCD

MCDの観測条件 始状態または終状態の準位 スピン偏極 かつ スピン軌道相互作用

特徴 ・高感度 内殻電子は価電子に比べ スピン軌道相互作用が 大きいため ・元素選択性 ・スピン、軌道磁気モーメント の分離観測(総和則) ・波長可変円偏光X線利用 放射光利用が必須

Fe 2p absorption spectra

µ+ left-circularly polarized µ− right-circularly polarized ∆µ XMCD

XMCD X-ray Magnetic Circular Dichroism

cf. スピン偏極光電子分光 の観測条件 始状態または終状態 スピン偏極 または スピン軌道相互作用

左右円偏光での吸収係数差

左右円偏光での吸収差 ＝ 磁化反転での吸収差

XMCDの原理と軌道磁気モーメント総和則

III II

III II

2

3( )

2

orL Lh B

Gb

c BL L

mdEn

PdE

++ −

+

∆µµ= −

µ + µ− µ

∫

∫nh: 3d-hole数 PC: 円偏光度

3d遷移金属のLII,III吸収XMCD αスピンが完全に占有された系で βスピンの励起のみを考慮すると…

軌道磁気モーメント総和則 B. T. Thole et al., Phys. Rev. Lett. 68, 1943 (1992).

スピン磁気モーメント総和則と磁気双極子項

III II

III II

27

3( )

2

effs

L Lh B

c BGL

s

L

i pn n Tp i

dE dEn

PdE

mm m+ −

+

∆µ − ∆µµ= − = +

µ + µ− µ

∫ ∫

∫: 有効スピン磁気モーメント : 磁気双極子モーメント

3d遷移金属のLII,III吸収XMCDにおけるスピン総和則 P. Carra et al., Phys. Rev. Lett. 70, 694 (1993).

磁気双極子項 mT の除去

( 7 ( ))effspin Tspinmm m= + θθ

2 2//cos( sin) orb orrb bom m m⊥= θ +θ θ

2 // 2( ) cos sinT TTm m m⊥θ = θ + θ

//2 0T Tm m⊥ + =

spinm 飽和磁化の場合、θに依存しない

spinm//orbmorbm

⊥ //TmTm

⊥未知数

( )effspinm θ ( )orbm θ 観測量

２つの θ に対して飽和磁化でのXMCDを 測定すれば未知数はすべて求められる

θ X-ray M, H

effspinm Tm

nh: 3d-hole数, PC: 円偏光度

LIIIとLIIが十分分離されている必要がある

高磁場XMCD測定

超伝導磁石極低温XMCD装置 超伝導磁石 JANIS UHV 7 T (定常運転 5 T) クライオスタット 4.8~80 K (4.2 K) or 3.8 K (1.9 K) 試料準備槽 LEED/AES or RHEED, Evaporator etc.

高磁場・極低温XMCD測定の必要性 ・磁化しにくい試料 (超)常磁性など ・磁気異方性 磁化困難軸方向 ・磁気双極子項の除去

困難軸方向の測定

スピン総和則における磁気双極子項

( 7 ( ))effspin Tspinmm m= + θθ

観測量 磁気 双極子 項

困難軸方向 飽和磁化下 で消去可能

容易軸方向 低磁場で十分

困難軸方向 高磁場が必要

H

M MS

−MS

強磁性薄膜

容易軸

困難軸

UVSOR BL4B

Cu(001)上のCo単層膜(0.4 ML)のXMCD

cf. hcp Co mspin = 1.55 µB morb = 0.15 µB

cf. 理論計算 Co(1ML)/Cu(001) mspin = 1.85 µB morb = 0.261 µB

O. Hjortstam et al., Phys. Rev. B 53, 9204 (1996).

スピン磁気モーメント ~15%増

異方的

軌道磁気モーメント 平行成分 ~96%増 垂直成分 ~53%増

U. Ramsperger, A. Vaterlaus, P. Pfäffli, U. Maier, and D. Pescia, Phys. Rev. B 53, 8001 (1996).

STM Co 0.55ML

ほぼ単層で成長 500 Å x 500 Å

[-110]

Co-L吸収端XMCD解析

1.79(10) spin Bm = µ

0.23(5) orb Bm⊥ = µ/ / 0.29(5) orb Bm = µ

T. Nakagawa, Y. Takagi, Y. Matsumoto and T. Yokoyama, Jpn. J. Appl. Phys. 47 (2007) 2132.

磁化曲線 Co L-edge XMCD

容易軸

困難軸 θ Ms

H

[110]

[001]

異方性磁場 Ha=3.44 T

H//[001]

UV MCD PEEM No UV MCD PEEM has been reported

G. K. L. Marx, H. J. Elmers, and G. Schönhense, Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 5888.

・ Very small MLD 0.21% due to small LS coupling in the valence band

・ No MCD PEEM observable

・ Difficult to apply to ultrathin film

Polycrystalline Fe thick (~500 nm) film Hg arc lamp

UV MLD PEEM Magnetic Linear Dichroism

新しい磁気顕微鏡： UV MCD PEEM

XMCD PEEM XMCD PhotoElectron Emission Microscopy

Advantages ・ Strong MCD >10% due to large LS coupling in the core shell ・ Element specific

Disadvantages ・ Need Third Generation Synchrotron Light Sources ・ Time resolution limited by the SR pulse (>> 1ps)

J. Choi, J. Wu, C. Won, Y. Z. Wu, A. Scholl, A. Doran, T. Owens and Z. Q. Qiu, Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 207205.

Fe L edge Fe(3.55 ML)/Ni(10.6 ML)/Cu(001)

reversal

Spatial resolution: 10~100 nm

Ni/Cu(001)の光電子MCDとUV MCD PEEM

MCD asymmetry A L R

L R

I IA

I I

−=

+

HeCd

LD

Ti:Sa 4th

M

MCD as a function of hν−Φ

MCD max. -10 ~ -12% 102-103 times larger than MOKE

T. Nakagawa and T. Yokoyama, Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 237402.

Photo-emission MCD

hν e Circularly Polarized lights M

Ti:sapphire 2nd 400nm 2sec x2

UV MCD PEEMの観測

Elmitec PEEMSpector 空間分解能 ~35nm

T. Nakagawa, T. Yokoyama, M. Hosaka and M. Katoh, Rev. Sci. Instrum. 78 (2007) 023907.

2光子MCD PEEMと超高速UV MCD PEEM

Clean Ni(15ML)/Cu(001)

First observation of 2PPE MCD

Max. MCD as much as ~7% Similar to 1PPE MCD

RT, normal inc.

Φ

To extend the available hν range

Maximum MCD as much as -28% !!

By far larger than the 1PPE (~10%) Stronger MCD at grazing inc. is useful for MCD PEEM

25µm MCD

2PPE MCD PEEM

T. Nakagawa, I. Yamamoto, Y. Takagi, K. Watanabe, Y. Matsumoto and T. Yokoyama, Phys. Rev. B 79 (2009) 172404

First trial of ultrafast UV MCD PEEM

Pump 800nm, ~100fs Probe 400nm, ~200fs

t=0 Magnetization Recovery

T. Nakagawa, K. Watanabe, Y. Matsumoto and T. Yokoyama, J. Phys. Condens. Mater. 21 (2009) 314010.

Cu(110)-(2x3)N

Width 5 atoms Height 2 atoms

33x49 nm2

0.8 ML Co

0 50 100 150 2000.0

0.4

0.8

1.2

1.6

~22Å

Distance (Å)

21.6Å (1x6) periodicity

Hei

ght (

Å)

x x´

0.4 ML Fe

Nt

Nm

Nb

3.87Å

[001]

[110]

4.39Å

[001]

[110]

X.-D. Ma, D. I. Bazhanov, O. Fruchart, F. Yildiz, T. Yokoyama, M. Przybylski, V. S. Stepanyuk, W. Hergert, and J. Kirschner, Phys. Rev. Lett., 102 (2009) 205503.

Highlighted in Nature Nanotech. “Atomic nanowires: Universal growth” by O. Vaughan

Cu(110)-(2x3)N修飾表面上でのCoナノロッド

Cu(110)-(2x3)N上でのCoナノロッドの自己組織化

Width 5 atoms Height 1 atom

Cu(110)-(2x3)N上のCoナノロッドのXMCD

crystal axis morb (µB) mT (µB) x [001] 0.23(3) -0.005(5)

y [1-10] 0.19(3) 0.011(5)

z [110] 0.16(3) -0.006(5) spin 1.01(10) Bm = µ

Orbital magnetic moment [001] > [1-10] > [110] easy in-plane hardest hard

Spin magnetic moment rather small

cf. Co bulk 1.55 µB Formation of surface nitride

Consistent with magnetic anisotropy

3d hole number nh=3.20 cf. Co bulk nh=2.50

Spectroscopic analysis

X. D. Ma, T. Nakagawa, Y. Takagi, M. Przybylski, F. M. Leibsle, and T. Yokoyama, Phys. Rev. B 78 (2008) 104420.

Film KP =120 (µeV/atom)

Rod KA=20 (µeV/atom)

Size N=15 (atom)

Ea = KP cos2• + KA sin2• sin2• −µ・H

ρ = exp[−NEa/kBT]

MH curve analysis Easy axis: [001] not along the rod [1-10] Hardest axis: [110]

Co/Pd(111)薄膜でのCO吸着誘起スピン転移

MOKE of 5 ML Co/Pd(111) at 90 K Longitudinal in-plane Polar perpendicular

CO CO

Co ~5ML

Pd(111)

CO 90 K

No transition above ~250 K

D. Matsumura, T. Nakagawa, H. Watanabe, H. Abe, K. Amemiya, T. Ohta and T. Yokoyama, Surf. Sci. 602 (2008) 1999-2003.

Co/Pd(111)上でのCO吸着構造

C1s XPS

200 K Spin transition 300 K No transition

atop

bridge

200 K

atop

bridge

atop + bridge

300 K

atop

Atop only

C1s XPD

D. Matsumura, K. Amemiya, S. Kitagawa, T. Shimada, H. Abe, T. Ohta, H. Watanabe and T. Yokoyama, Phys. Rev. B73 (2006) 174423.

Co/Pd(111)上でのCO吸着と磁性との相関

Bridge-site adsorption induces the spin reorientation transition, while the atop-site adsorption shows no contribution at all.

C1s XPS Perpendicular XMCD

D. Matsumura, K. Amemiya, S. Kitagawa, T. Shimada, H. Abe, T. Ohta, H. Watanabe and T. Yokoyama, Phys. Rev. B73 (2006) 174423.

D. Matsumura, T. Yokoyama, K. Amemiya, S. Kitagawa and T. Ohta, Phys. Rev. B66 (2002) 024402

CO吸着とCo軌道磁気モーメントの相関 Co3d orbital magnetic moment

⊥surface less change

D. Matsumura, T. Yokoyama, K. Amemiya, S. Kitagawa and T. Ohta, Phys. Rev. B66 (2002) 024402.

// surface significantly reduced

CO ads. Co 3dδ no bonds with bridge or atop CO 5σ ⇒ No change in perpendicular morb

Co 3dδ bridge atop

Speculations Consider chemical bonds between partially-filled Co3d & CO5σ.

Co 3dπ bridge atop

Co 3dπ no bond with atop CO 5σ ⇒ no change in parallel morb strong bond with bridge CO 5σ ⇒ strong reduction in parallel morb

Fe1+xSi1-xのMOKEとXMCD

D. Berling, G. Gewinner, M. C. Hanf, K. Hricovini, S. Hong, B. Loegel, A. Mehdaoui, C. Pirri, M. H. Tuilier, P. Wetzel, J. Magn. Magn. Mater. 191 (1999) 331.

試料 Si(111)へのSi, Fe 室温共蒸着(200Å)

DO3

Fe3Si Fe(I) 2.22 µB α-Feの2.33 µBに近い

Fe周囲のSiの配位数 でFeの磁気モーメント がおおよそ説明できる

[10-1]Si [1-21]Si

MOKE

Fe

Fe3Si

Fe2Si

Fe1.35Si

容易軸：[1-21]Si

RT

Fe L-edge XMCD

Fe

Fe3Si

Fe2Si

Fe1.6Si

FeSi

RT

x

Fe平

均磁

気モーメント

(µB) Fe(I) Fe(II) Si

Si(111)-(√3x√3)R30° MnSi S. Higashi, Y. Ikedo, P. Kocán and H. Tochihara, Appl. Phys. Lett. 93 (2008) 013104.

S. Higashi, P. Kocán and H. Tochihara, Phys. Rev. B 79 (2009) 205312.

表面構造 作成：室温Mn蒸着 250℃加熱30分

STM Mn 3ML

(a,c) 5分加熱 (b,d) 30分加熱 (a,b) constant height mode (c,d) constant current mode 50x50 nm2

Mn 3ML相当で 極めて平坦な 2 quadruple layer が成長

Si(111)-(√3x√3)R30° MnSiのXMCD Mn L-edge XAS Mn L-edge XMCD

MH curve recorded by Mn L-edge XMCD

Si(111)-(8x8)N Ep=70.7 eV

LEED Si(111)-(7x7) Ep=80.6 eV

Si(111)-(8x8)N 3.4V, 106pA

Si(111)-(7x7) 1.6V, 116pA

STM

化学修飾Si基板上での磁性薄膜の成長

XMCD Fe 1原子層相当

Si(111)-(7x7)ではシリサイドFeSixが生じ磁性が消失するが、Nで修飾したSi(111)-(8x8)Nでは磁性をもったFeナノ粒子が成長する

最後に

可視紫外・軟X線磁気円二色性による磁性薄膜の評価

Ref: T. Yokoyama, T. Nakagawa and Y. Takagi, Int. Rev. Phys. Chem. 27 (2008) 449-505.

Photo-emission MCD

hν e Circularly Polarized lights M

大学共同利用機関法人 自然科学研究機構 分子科学研究所 分子スケールナノサイエンスセンター 文部科学省 先端研究施設共用イノベーション創出事業ナノテクノロジー・ネットワーク 「中部地区ナノテク総合支援：ナノ材料創製加工と先端機器分析」 (名大・名工大・豊田工大と連携)

yokoyama@ims.ac.jp

http://nanoims.ims.ac.jp/

紫外およびＸ線磁気円二色性による磁性薄膜表面の磁気特性評価�－磁性シリサイドへの展開を期待して－目次 スライド番号 3スライド番号 4スライド番号 5X線磁気円二色性　XMCDXMCDの原理と軌道磁気モーメント総和則スピン磁気モーメント総和則と磁気双極子項スライド番号 9スライド番号 10スライド番号 11Ni/Cu(001)の光電子MCDとUV MCD PEEMスライド番号 13スライド番号 14スライド番号 15Co/Pd(111)薄膜でのCO吸着誘起スピン転移Co/Pd(111)上でのCO吸着構造スライド番号 18スライド番号 19スライド番号 20スライド番号 21スライド番号 22化学修飾Si基板上での磁性薄膜の成長最後に