利用報告書 / User's Reports

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【公開日:2025.06.10】【最終更新日:2025.05.26】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24MS2002

利用課題名 / Title

有機-無機界面磁気結合よるCoナノ島のスピン再配列転移

利用した実施機関 / Support Institute

自然科学研究機構 分子科学研究所 / IMS

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)物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis(副 / Sub)計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】(主 / Main)マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies(副 / Sub)高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed

キーワード / Keywords

放射光, 分子研UVSOR BL4B, XMCD,放射光/ Synchrotron radiation, 放射光/ Synchrotron radiation


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)

宮町 俊生

所属名 / Affiliation

名古屋大学 未来材料・システム研究所 材料創製部門

共同利用者氏名 / Names of Collaborators Excluding Supporters in the Hub and Spoke Institutes

小野 広喜,吉田 海仁,藤本 一志

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

横山 利彦,石山 修

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

MS-001:X線磁気円二色性分光


報告書データ / Report

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

有機分子と強磁性金属から構成される有機‐無機ハイブリッド原子層は、界面磁気相互作用を介して様々なスピン機能性を発現し得るだけでなく、有機分子特有の小さいスピン軌道相互作用に起因する長いスピン拡散長を示すため分子スピトロニクスデバイスへの応用が期待されている。そこで、本研究では有機分子にフェナントロリン誘導体であるtdapO2分子を、磁性金属にCu(111)単結晶基板上の強磁性Coナノ島を用いて有機‐無機ハイブリッド原子層を作製し、その構造と電子・磁気状態を走査トンネル顕微鏡(STM)観察およびX線吸収分光法/X線磁気円二色性(XAS/XMCD)測定により調べて新規スピン機能性の発現機構をミクロに解明することを目的とした。tdapO2分子‐Coナノ島から構成される有機‐無機ハイブリッド原子層のXAS/XMCDの結果、tdapO2分子吸着によってCoナノ島の容易磁化方向が面内方向から面直方向に変化するスピン再配列転移が起こり、面直配置における磁化曲線の残留磁化と保持力が著しく増大することがわかった。さらにSTM観察によってCoナノ島へのtdapO2分子の吸着構造を調べた結果、tdapO2分子はCoナノ島上に1次元的に配列していることがわかった。

実験 / Experimental

tdapO2/Coナノ島 有機‐無機ハイブリッド原子層を作製するため、まず、アルゴンスパッタリングおよび加熱処理によりCu(111)単結晶表面を清浄化し、その上にCoを超高真空中で0.4原子層を室温蒸着してCoナノ島を作製し、STM観察を行った。STM観察はOmicron社製極低温STM装置を用いて超高真空中・液体窒素温度で実施した。結果、三角形島状に2層成長した孤立したCoナノ島が観測された。次に、水晶振動子を用いて真空中でのtdapO2分子の蒸着レートを調べた。tdapO2分子は再現性良く昇華することを確認し、本研究では加熱温度を380 Kに設定して膜厚数分子層のtdapO2分子膜をCoナノ島に積層させ、tdapO2分子膜‐Coナノ島間に働く電子・磁気相互作用の詳細を放射光X線吸収分光/X線磁気円二色性(XAS/XMCD)測定により調べた。XAS/XMCD測定は分子科学研究所UVSOR BL4Bにて測定温度7.2 K, 印加磁場0~±5 Tの実験条件で行った。Co XASスペクトルのL3端ピーク強度の印加磁場依存性をプロットして磁化曲線を取得してtdapO2分子膜積層前のCoナノ島の面直・面内配置での磁化曲線中の残留磁化と保磁力を比較した。

結果と考察 / Results and Discussion

tdapO2/Coナノ島 有機‐無機ハイブリッド原子層の電子・磁気状態をXAS/XMCD測定により元素選択的に調べた。まず、tdapO2分子膜積層前のCoナノ島のXAS/XMCDスペクトルと磁化曲線を面直・面内配置で取得したところ、面内配置では明瞭なヒステリシスループが観測されたが面直配置では残留磁化が減少して小さなヒステリシスループが現れた。得られた結果からCoナノ島は先行研究同様、面内容易磁化を示すことが確認された。次にtdapO2分子膜を積層後のCoナノ島のXAS/XMCD測定を行った。結果、面直配置の磁化曲線に大きな変化が現れた。残留磁化については約4倍、保磁力については約7倍と、磁気特性の顕著な増大が観測され、tdapO2分子膜積層によって容易磁化方向が面内方向から面直方向に変化するスピン再配列転移を起こしていることがわかった。tdapO2/Coナノ島界面における磁気結合によってCoナノ島の垂直磁気異方性が大きく増加したことが示唆される。Coナノ島のスピン再配列転移の起源をミクロに解明するため、tdapO2分子をサブ原子層Coナノ島に積層させた系のSTM観察を行った。結果、tdapO2分子はCoナノ島上に1次元的に配列していることがわかった。tdapO2分子 1次元鎖構造のSTM高さプロファイルの結果から、tdapO2分子中のフェナントロリン部位がCoナノ島に吸着し、状態密度が高いチアジアゾールジオキシド部位が約8 Å間隔で輝点として見えていることが示唆される。さらに、π‐π結合によるtdapO2分子間距離は3-4 Å程度であることから、輝点間にはチアジアゾールジオキシド部位がCoナノ島に吸着し、局所電子状態密度が小さいフェナントロリン部位が表面真空方向を向いたtdapO2分子が存在すると結論付けた。STM観察の結果より、tdapO2分子中のチアジアゾールジオキシド部位とフェナントロリン部位の両方を介してCoナノ島と有機‐無機ハイブリッド界面を形成していることが明らかとなった。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項(参考文献・謝辞等) / Remarks(References and Acknowledgements)


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. “昇温脱離ガス分析法を用いた Pd/Ni 薄膜ヘテロ構造の水素吸蔵特性評価”, 筒井健三郎、小野広喜、小澤孝拓、山本航平、石山修、Wilde Markus、横山利彦、福谷克之、水口将輝、 宮町 俊生, 第85回応用物理学会 秋季学術講演会 (2024年9月16-19日)
  2. STMによるC70-Coナノ島/有機-無機ハイブリッド界面の垂直磁気異方性増大の起源解明”, 吉田海仁,小野広喜,石青,藤本一志,梅田佳孝,筒井健三郎,三浦直也,山本航平,石山修, 中村永研, 松尾豊,横山利彦,水口将輝,宮町俊生, 第48回日本磁気学会学術講演会(2024年9月24-27日)
  3. “窒素サーファクタントエピタキシーにより作製した FeCo 規則合金薄膜界面の構造安定性”, 宮町俊生,梅田佳孝,小野広喜,山本航平,石山修,岩山洋士,中村永研,横山利彦,水口将輝 第48回日本磁気学会学術講演会(2024年9月24-27日)
  4. “Coverage-dependent spin reorientation transition in Ni thin films on Cu(001) induced by Pd overlayers”, K. Tsutsui, H. Ono, K. Yoshida, K. Yamamoto, O. Ishiyama, T. Yokoyama, M. Mizuguchi, T. Miyamachi, 12th Vacuum and Surface Sciences Conference of Asia and Australia (VASSCAA-12) (Oct.13-17 2024)
  5. “Probing the magnetic coupling at the H2Pc/γ’-Fe4N organic-inorganic hybrid interface by nitrogen K-edge x-ray absorption spectroscopy”, H. Ono, Y. Umeda, K. Yoshida, K. Tsutsui, K. Yamamoto, O. Ishiyama, T. Yokoyama, M. Mizugushi, T. Miyamachi, 12th Vacuum and Surface Sciences Conference of Asia and Australia (VASSCAA-12) (Oct.13-17 2024)
  6. “Interfacial structural and electronic properties of FM/AFM magnetic multilayer revealed by scanning tunneling microscopy”, T. Miyamachi, S. Nakashima, Y. Takagi, T. Yokoyama, F. Komori, 32nd International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM32) (Nov.18-20 2024)
  7. “Investigating microscopic origin of enhanced perpendicular magnetic anisotropy in C70-Co organic-inorganic hybrid interface”, K. Yoshida, H. Ono, Y. Umeda, K. Tsutsui, K. Yamamoto, O. Ishiyama, Y. Matsuo, T. Yokoyama, M. Mizuguchi, T. Miyamachi, 32nd International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM32) (Nov.18-20 2024)
  8. “UVSOR BL4B における表面・界面ナノ磁性研究”, 宮町俊生, UVSOR Symposium2024 (Nov.5-6 2024)
  9. “Cu(001)単結晶基板上のNi薄膜の構造と電子・磁気状態の膜厚依存性”, 岡村尚弥, 筒井健三郎, 小野広喜, 山本航平, 石山修, 横山利彦, 水口将輝, 宮町俊生, UVSOR Symposium2024 (Nov.5-6 2024)
  10. “Cu(001)単結晶基板上に成⻑した窒化コバルト単原子層の構造と電子・磁気状態”, 岩井敦志, 小野広喜, 石青, 梅田佳孝, 山本航平, 石山修, 横山利彦, 水口将輝, 宮町俊生, UVSOR Symposium2024 (Nov.5-6 2024)
  11. “フェナントロリン誘電体とCoナノ島による有機-無機界面磁気結合”, 藤本一志, 小野広喜, 吉田海仁, 筒井健三郎, 前島尚行, 石山修, 珠玖良昭, 阿波賀邦夫, 横山利彦, 水口将輝, 宮町俊生, UVSOR Symposium2024 (Nov.5-6 2024)
  12. “Contribution of Co ions in CoPc to the Magnetic Properties of Pcs/γ'-Fe4N Organic-Inorganic Hybrid Thin Films”, 小野広喜, 梅田佳孝, 吉田海仁, 筒井健三郎, 山本航平, 石山修, 横山利彦, 水口将輝, 宮町俊生, UVSOR Symposium2024 (Nov.5-6 2024)
  13. C70-Co/有機-無機ハイブリッド界面における構造・磁気異方性の評価”, 吉田海仁, 小野広喜, 藤本一志, 梅田佳孝, 筒井健三郎, 三浦直也, 石青, 山本航平, 前島尚行, 石山修, 岩山洋士, 中村永研, 松尾豊, 横山利彦, 水口将輝, 宮町俊生, IEEE Magnetics Society 名古屋支部若手研究会 (2025年2月11日)
  14. “Annealing Induced Ordered Structures of H2Pc Monolayer on γ'-Fe4N Thin Film”, H. Ono, Y. Umeda, K. Yoshida, K. Tsutsui, K. Yamamoto, O. Ishiyama, T. Yokoyama, M. Mizuguchi, T. Miyamachi, DPG Spring Meetings 2025 of the Condensed Matter Section (SKM) (Mar.21 2025)
  15. “Detecting correlation between surface and interface magnetism of Mn/Fe thin film heterostructures on the atomic scale”, T. Miyamachi, S. Nakashima, Y. Takagi, T. Yokoyama, F. Komori, DPG Spring Meetings 2025 of the Condensed Matter Section (SKM) (Mar.21 2025)
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

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