【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.10】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24BA0012

利用課題名 / Title

3d窒化物磁性薄膜の磁気輸送特性の評価

利用した実施機関 / Support Institute

筑波大学 / Tsukuba Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者）/Internal Use (by ARIM members)

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）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（副 / Sub）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

キーワード / Keywords

磁化補償, フェリ磁性,成形/ Molding,イオンミリング/ Ion milling,スピントロニクス/ Spintronics,スピントロニクスデバイス/ Spintronics device

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)

末益 崇

所属名 / Affiliation

筑波大学数理物質系

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

安田　智裕,旗手　蒼,曽布川　優樹,秋田　宗志

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

谷川　俊太郎

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance

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

BA-009：パターン投影リソグラフィシステム
BA-025：終点検出器付き イオンミリング

報告書データ / Report

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

逆ペロブスカイト型構造をもつMn₄Nは、エピタキシャル薄膜が垂直磁気異方性を示し、磁化も小さいため[1]、高速ダイナミクスが期待されるフェリ磁性材料である[2]。特に、不純物の添加により角サイトと面心サイトの2つのMn副格子の磁化が相殺する磁化補償が室温で生じるため、超高速の電流駆動磁壁移動が達成されてきた[3]。これまでの研究で、NiとCoで磁化補償が室温で生じることが分かっている。本研究では、非磁性元素であるCuをドープしたMn₄N膜について、磁気輸送特性を評価した。

実験 / Experimental

SrTiO₃(001)基板上に、分子線エピタキシー法により、厚さ10 nmのCuドープMn₄N(Mn_4-xCu_xN)薄膜をエピタキシャル成長した。Cuの組成は、MnおよびCuの堆積レート比から評価し、Cu組成xを0.15まで変えた。薄膜成長の後、試料をHall-bar形状に加工して、面直方向に磁場を印加してHall測定を室温で行った。試料加工の際、Hall-bar形状のレジストをパターン投影リソグラフィシステムで作製し、その後、イオンミリングでSrTiO₃基板に達するまでMn_4-xCu_xN薄膜をエッチングして形成した。

結果と考察 / Results and Discussion

図1にCu組成の異なる3つの試料で得られた磁気輸送特性を示す。図1に示す通り、x=0.10とx=0.15では、ヒステリシスの回転方向が異なることが分かる。また、x=0.10で保磁力がx=0.0およびx=0.15と比較して、大きくなっていることが分かる。これらの現象は、磁化補償組成を跨ぐ際に観察されることから、x=0.10とx=0.15の間のCu組成で、磁化補償が生じると考えられる。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1 CuドープMn₄N(Mn_4-xCu_xN)エピタキシャル膜の磁気輸送特性

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

(参考文献)
[1] T. Suemasu, L. Vila, and J. P. Attane, Journal of the Physical Society of Japan 90, 081010 (2021).
[2] T. Gushi, M. J. Klug, J. Pena Garcia, S. Ghosh, J.P. Attane, H. Okuno, O. Fruchart, J. Vogel, T. Suemasu, S. Pizzini, and L. Vila, Nano Letters 19, 8716 (2019).
[3] S. Ghosh, T. Komori, A. Hallal, J. Pena Garcia, T. Gushi, T. Hirose, H. Mitarai, H. Okuno, J. Vogel, M. Chshiev, J.P. Attane, L. Vila, T. Suemasu, and S. Pizzini, Nano Letters 21, 2580 (2021).

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)

1. Aoi Hatate, Magnetic compensation in Mn4−xCuxN films on SrTiO3 (001) with noncollinear magnetic structures, Physical Review Materials, 8, (2024).
   DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.L091403
   
2. Tomohiro Yasuda, Antiferromagnetic coupling in ferrimagnetic Mn4N-based bilayer structures, Applied Physics Letters, 125, (2024).
   DOI: 10.1063/5.0215560
   
3. Aoi Hatate, X-ray magnetic circular dichroism of Mn4−Ga N epitaxial thin films confirming ferrimagnetic-ferromagnetic phase transition by nonmagnetic Ga doping, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 597, 171973(2024).
   DOI: 10.1016/j.jmmm.2024.171973
   

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

1. Tomohiro Yasuda, Aoi Hatate, Kenta Amemiya and Takashi Suemasu " Magnetic compensation of epitaxial Mn4−xCuxN at room temperature " The 85th JSAP Autumn Meeting 2024, 20p-D61-1, Niigata (Online), Sep. 20 (2024).

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