光励起GaAs探針を用いたスピン偏極走査型トンネル顕微鏡の開発

使用光激发砷化镓探针的自旋偏振扫描隧道显微镜的研制

• 批准号: 09750347
• 负责人: 山口 浩一
• 金额: $ 1.54万
• 依托单位: The University of Electro-Communications
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1997
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1997 至 1998
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-09750347/
• 关键词: 走査型トンネル顕微鏡; スピン偏極電子; GaAs; 微細加工; 光励起; 磁性; スピン偏極走査型トンネル顕微鏡

異方性エッチング法により作製したGaAsの微小STM探針に円偏光を照射し,GaAs伝導帯中へ励起したスピン偏極電子によるトンネル電流の変化から試料表面のスピン状態を原子およびナノスケールで観察する新しいスピン偏極走査型トンネル顕微鏡の開発研究を進めた。まずポッケルスセルを用いた円偏光変調励起システムを自作の真空STM装置に組み込み,磁性薄膜(Ni)試料の場合におけるトンネル電流の円偏光変調信号成分の検出に成功した。STMチャンバ内で磁性試料の磁化を行い,変調信号の磁化に対するヒステリシス特性を確認した。さらに磁化方向の反転によるヒステリシスループの逆転現象も得られ,円偏光励起GaAs探針によるスピン状態の観察が可能であることを実験的に示した。得られた円偏光変調信号成分は最大で全トンネル電流の約20%と極めて高い値が得られた。これはGaAs探針の表面準位による短いキャリア寿命のためにスピン緩和時間内でのトンネル効果が有効に起きているものと考えられ,現在理論的な解析を進めている。また高いスピン偏極率を有するSTM探針を開発するために,InGaAs/GaAs歪超格子を探針先端に導入した構造についても検討を加え,発光の偏向特性実験からGaAsの理論限界値より高いスピン偏極率を確認した。この結果はタイプII型超格子構造における電子と正孔の分離によるBAP効果の抑制によって説明できた。次に円偏光変調信号のイメージング化を進め,試料表面の一回の2次元走査により,通常のSTM像(トポグラフィック像)とスピン偏極STM像を同時に取り込むシステムを開発した。Ni薄膜試料の磁化方向の反転によるスピン偏極STM像のコントラストの反転を確認し,さらにNiの島状構造の境界付近に観察されたスピン方位の反転領域が磁区および磁壁を示唆するものと考えられ,現在検討を進めている。現時点における試作スピン偏極STM像の最高分解能は約5nmであり,今後さらに原子分解能をめざす予定である。

A new method for the preparation of GaAs micro STM probes by polarized light irradiation,GaAs conduction band excitation, polarization electron generation, current transformation, sample surface state atomic observation, polarization probe type development of micromirrors The detection of polarization modulation signal components in magnetic thin film (Ni) samples was successfully carried out in the case of self-operating vacuum STM devices. The magnetization of the magnetic sample in the STM can be determined by adjusting the magnetization characteristics of the signal. The polarization of GaAs probes is possible due to the inversion of the magnetization direction. The maximum polarization modulation signal component is about 20% of the total polarization current. The surface alignment of GaAs probes is short, the lifetime is short, and the theoretical analysis is advanced. InGaAs/GaAs misaligned lattice probe tip is introduced into the structure of STM probe tip. The polarization characteristics of InGaAs probe tip are discussed. The theoretical limit of GaAs probe polarization is confirmed. The results show that the electron and positive hole are separated from each other in the II-type superlattice structure, and the BAP effect is inhibited. The polarization modulation signal of the second phase is further processed, and the sample surface is subjected to a two-dimensional scanning. Usually, the STM image and the polarization STM image are simultaneously processed. The magnetization direction of Ni thin film samples was determined by the polarization of STM image, and the magnetic domain and magnetic wall of Ni island structure were investigated. At present, the highest resolution energy of polarization STM image is about 5nm. In the future, the atomic resolution energy is predetermined.

项目成果

K.Yamaguchi 他: "Fabrication of GaAs Microtip and its Application to Spin-Polarized scanning Tunneling Microscope" 11th Int.Microprocesses and Nunotechnology.Conf.16A-7-5. 285-286 (1998)

K. Yamaguchi 等人：“GaAs 微尖端的制造及其在自旋偏振扫描隧道显微镜中的应用”第 11 届 Int.Microprocesses 和 Nunotechnology.Conf.16A-7-5 (1998)。

K.Yamaguchi 他: "Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscope Using Optically Pumped GaAs Microtip" Int.Workshop on Physics and Technology of Nanostructured,Multicomporet. 16-16 (1998)

K. Yamaguchi 等人：“使用光泵浦 GaAs 微尖端的自旋偏振扫描隧道显微镜”国际纳米结构多复合物理与技术研讨会 16-16 (1998)。

R.Shinohara,K.Yamaguchi: "Fabricution of GaAs Microtips and Their Application to Spin Polarized Scanning Tunneling Microscope" Japanese Journal of Applied Physics. 37. 7151-7154 (1998)

R.Shinohara、K.Yamaguchi：“GaAs 微尖端的制造及其在自旋偏振扫描隧道显微镜中的应用”日本应用物理学杂志。

R.Shinohara 他: "Fabrication of GaAs microtip and its application to spin polarized scanning tunneling Microscope" Extended Abstract of 17th Electronic Materials symposium. J8. 203-206 (1998)

R.Shinohara 等人：“GaAs 微尖端的制造及其在自旋偏振扫描隧道显微镜中的应用”第 17 届电子材料研讨会的扩展摘要 J8（1998 年）。

鈴木義茂: "GaAs探針を用いたスピン偏極STMの研究の現状" 表面界面プロジェクト研究会報告. (1998)

Yoshishige Suzuki：“使用 GaAs 尖端的自旋极化 STM 的研究现状”表面界面项目研究组的报告（1998）。