スピン偏極ＳＴＭとＸＭＣＤによる窒化鉄ナノ磁性体の磁気異方性の解明

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Cu(001)基板上に作製された原子層鉄窒化物Fe4Nにおける構造と電子・磁気状態および磁気異方性との関係を探るため、まずは過去に例のない良質な単原子層膜の作製法確立を目指した。放射光施設UVSOR BL-4BにおいてX線吸収/磁気円二色性(XAS/XMCD)測定を行い、アニール温度と試料磁化の大きさとの関係を調べた結果、アニール温度が低い試料においては、それが高い試料に比べてFe原子のスピン磁気モーメント(Mspin)が半分程度に低下することが分かった。さらに走査トンネル顕微鏡/分光法(STM/STS)を用いてアニール温度差による表面構造および電子状態の違いを原子分解能で詳細に調べると、アニール温度が低い試料の表面にはFe原子点欠陥が少量見られ、またその欠陥周りでは欠陥の大きさの何倍もの領域に渡って電子状態が変調されていることが分かり、試料の平均的磁性の大幅な低下との関連性が示唆された。複数原子層Fe4N/Cu(001)の成長様式と、その構造・次元性と電子・磁気状態との関係を探った研究では、STM実験から単原子層の次に安定かつ表面に大面積でできるFe4Nは三原子層であることが分かった。さらなるXMCD測定により、Fe原子のMspinは単原子層から三原子層Fe4Nへと膜厚を増やすと大きく増加することが分かった。その物理的起源を探るため、Cu(001)基板上の単原子層および三原子層Fe4Nに対して、原子サイトごとの局所状態密度計算および磁気モーメント計算を行った。その結果、Fe原子の磁気モーメントは原子サイトの配位および環境に非常に敏感であることが分かり、実験結果をよく説明した。以上の結果、今まで良質な試料が得られてこなかった原子層膜Fe4N/Cu(001)の初めての作製に成功し、そのミクロな構造とマクロな電子・磁気状態との関係解明に至った。