【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.08】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24NU0211

利用課題名 / Title

LNO 基板上に成膜した Co 薄膜の面内一軸磁気異方性の基板加熱温度依存性

利用した実施機関 / Support Institute

名古屋大学 / Nagoya Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

磁気特性測定システム/ Magnetic property measurement system,原子薄膜/ Atomic thin film,スピントロニクス/ Spintronics,スパッタリング/ Sputtering

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

山田 啓介

所属名 / Affiliation

岐阜大学工学部 化学・生命工学科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

鹿野 早希,阿部 拓真

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

加藤 剛志,大島 大輝

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NU-205：3元マグネトロンスパッタ装置
NU-259：磁気特性評価システム群

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

　近年、LiNbO₃ (LNO)基板の特性である強誘電性(圧電効果)を利用して、2次元材料に機械的歪みを与えて、材料の電気的または光学的な特性の変化をもたらす「ストレイン技術」が注目されている。磁性薄膜や磁性ナノ構造体に代表される2次元強磁性材料においても、LNO基板との接合界面で起こるストレイン技術を利用した研究が数多く報告されている。それらの研究は、強誘電体と強磁性体の両特性をもつ人工マルチフェロイック材料など新機能性を有する材料として活用や、強磁性体の磁化制御を目指した新規記録媒体の開発に繋がる研究として期待されている。以前の報告において128° Y-cut LNO基板上に強磁性体のNi, FeまたはNi-Fe合金薄膜をスパッタ成膜すると、薄膜の面内方向に大きな面内一軸磁気異方性(K_u)が誘起されることが確認された。さらに、LNO基板上のNi薄膜においてスパッタ成膜時のLNO基板加熱温度が200℃の時にK_uの大きさが最大になった。これは128°Y-cut LNO基板と強磁性薄膜の接合界面でNiの結晶構造が引張されることが原因であることがわかっている。そこで本研究では、Ni, Feと安定な結晶構造が異なるCoを用いて、LNO基板上の強磁性薄膜について結晶構造と磁気異方性について調べることを目的とした。特に、LNO基板とCo薄膜の界面に注目し、界面における原子配置が異なるLNO基板 (128°, 64°, 41° Y-cut LNO基板)を用いて、調査を行った。

実験 / Experimental

　マグネトロンスパッタリングを使用して、10 mm × 10 mmの128°, 64°, 41° Y-cut LNO基板(以下128, 64, 41LNOと記載する)に、ベース真空度4.7×10^-4 Pa、成膜速度2.0×10^-1 nm/sの条件下で膜厚(t) 6.2～25 nm のCo薄膜試料を作製した(各LNO基板のカット面の方位はFig. 2に示す)。VSMにより磁気特性を調べ、薄膜XRDによりCoの結晶構造を評価した。

結果と考察 / Results and Discussion

Fig. 1は、64LNO基板のCo薄膜 (t＝18.4 nm)においてw-2q XRDパターンの結果を示す。LNO基板のWafer flat方向と平行方向にX線を入射した際に、hcp-Co (002) に由来した高配向な回折パターンが確認できた。試料面内方向XRD測定は、hcp Coに由来した回折パターンは確認できなかったことから、64LNO基板上のCo薄膜は、基板表面の垂直方向に近いhcp-Co(002)に配向した膜が形成されていることがわかった。さらに、2次元検出器を用いたXRD極点測定の結果から、64LNO 基板上のCo薄膜において(c, 2q) = (23.8, 44.4)にCo由来のスポット状のパターンが確認され、これは試料面直方向のw-2q XRD測定で見られたピークの角度と一致した。他のLNO基板のカット面におけるCo薄膜のw-2q XRD測定より同定した結晶構造をまとめた結果をFig. 2に示す。Fig. 2の結果より、128LNOでは、hcp-Co (112)に配向した。41LNOでは、fccとhcpが混相した結晶構造が観測された。この結果は、CoはLNO基板のカット面によって、結晶の配向や形成される結晶構造が異なっていることを示している。この理由は、スパッタ時の高エネルギーのArプラズマによってLNO基板が引張し、LNO表面原子とCo原子の接合界面による格子整合が起因していると考えられる。LNO基板のWafer flat方向に対して印加磁場方向の角度c_hを変化させて磁化曲線を測定したところ、どの基板においてもLNO基板上の(01.2)方向が磁化容易軸となり、Co薄膜の面内方向に磁気異方性(K_u)が誘起されることを確認した。128, 64, 41LNO/Co試料でそれぞれCo膜厚が6.3 nmでK_uが最大値をとることが確認された。最大の K_uの大きさは、128LNO/Ni (t = 20 nm)の試料と比較すると約1.9倍の大きな値が得られた。Coの膜厚が薄いほどK_uが大きくなるのは、Co薄膜の膜面直方向の反磁界の影響により膜面直成分の磁気異方性が膜面内成分として作用するからと考えられる。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig. 1 XRD pattern of 64LNO/Co with t = 18.4 nm at w = 0.4 deg.

Fig. 2 Crystal structure of Co on each LNO substrate.

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

本研究は、名大、加藤剛志教授、大島大輝助教のご協力のもと、研究が行われまし た。

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 鹿野早希, 阿部拓真, 小野頌太, 島村一利, 山口明啓, 嶋睦宏, 山田啓介, カット面の異なるLiNbO3単結晶基板にスパッタ成膜したCo薄膜の面内一軸磁気異方性の評価, 第48回日本磁気学会学術講演会, 秋田大学, 2024年9月27日 27aE-2

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件