【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.30】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24TU0126

利用課題名 / Title

NiO(111)/強磁性界面の交換バイアス効果

利用した実施機関 / Support Institute

東北大学 / Tohoku 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）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【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

交換バイアス効果, 界面構造, 断面TEM,電子顕微鏡/ Electronic microscope,集束イオンビーム/ Focused ion beam

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)

大沼 樹生

所属名 / Affiliation

筑波大学　数理物質科学研究群

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

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

今野豊彦,兒玉裕美子

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-

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

TU-504：超高分解能透過電子顕微鏡
TU-507：集束イオンビーム加工装置
TU-508：集束イオンビーム加工装置

報告書データ / Report

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

不定比性酸化物反強磁性体NiO(111)/強磁性界面における交換バイアス効果の評価を行った。NiO(111)は作製条件により大きく組成比が変化し、その構造や界面状態に影響を与える。我々は、作成条件の変化に伴うNiO(111)/強磁性界面に生じる交換バイアス効果の変化を観測している。そこで本研究では、界面の断面構造に対してTEMによる評価を行い、界面状態の変化が与える交換バイアス効果への影響評価を行った。

実験 / Experimental

反応性スパッタリング法を用いて、NiO(111)/パーマロイ（Py）の二層構造を作製した。NiO(111)薄膜は、導入する反応性ガス（酸素）の流量を制御することで、さまざまな組成比を有するように調整した。これらのNiO(111)/強磁性界面における交換バイアス効果は、上部に形成した強磁性金属（パーマロイ）層の異方性磁気抵抗効果（AMR）を用いて評価した。その結果、酸素流量の増加に伴い、NiO薄膜の不定比性が増大することがXRDおよびXPSの測定から確認された。さらに、酸素流量の増加に伴って、交換バイアス効果が低下する傾向が明らかとなった。この交換バイアス効果の低下がNiOの組成比に起因するのか、あるいは作製条件の変化による界面状態の変化に起因するのかを明らかにするため、集束イオンビーム加工装置を用いて断面TEM試料を作製し、透過型電子顕微鏡を用いてNiO(111)/強磁性層界面の形態観察を実施した。

結果と考察 / Results and Discussion

全ての試料において、方位がほぼ揃ったNiOの柱状構造と、その上に堆積したパーマロイ薄膜が観察された。このような良好な構造的整合性が確認された一方で、界面付近ではパーマロイ中のFeの一部がNiOを還元し、NiOの反強磁性状態が乱されている可能性が示唆された。このような界面付近の状態は、NiO(111)の作製条件の違いによらず一様に観測されており、交換バイアス効果の低下は界面状態よりも、むしろNiOの化学量論比からの逸脱、すなわち理想的な反強磁性状態の乱れに起因していると考えられる。断面TEM観察により、強磁性金属成分がNiOに固溶することが交換バイアス効果の低減に大きく影響する可能性が確認された。今後は、適切な強磁性層材料の選定や成膜条件の最適化を行い、本研究で示されたような界面の乱れを抑制することが求められる。さらに、化学量論比に近いNiO薄膜上に適した強磁性層材料の検討や、その成膜方法の最適化を通じて、NiO(111)/強磁性層系における交換バイアス効果の増強を目指す必要がある。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

NiO(111)/Pyの断面TEM像（stem, 500k）

NiO(111)/Pyの元素組成マッピング(EDS)

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.

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