原子サイズの高精度で乱れのない立体表面の作製に成功――ピラミッドの形状が生み出す特殊な磁気特性

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奈良先端科学技術大学院大学は2021年1月5日、大阪大学や大連交通大学との共同研究において、原子サイズの高精度で乱れのない立体表面の作製に成功したと発表した。ナノ立体構造化デバイス工程の基幹技術の一つとなることが期待される。

3次元立体表面は、2次元の平坦な基板表面と異なり、これまで最表面の凹凸をnmオーダーで制御することが困難で実現していなかった。そこで研究では、最も重要な半導体材料であるシリコン(Si)基板上に、表面の凹凸の深さが0.1nmと原子サイズの超高精度で乱れのない原子配列構造を持つピラミッド形の物質を作製する方法を開発した。

また、そのピラミッド斜面上に作製した鉄ナノ薄膜が特異な磁石の性質(強磁性特性)を示すことを見出し、この現象がピラミッド立体構造という特殊な形が生み出す電子の磁石の性質(磁気スピン)の状態変化に由来していることを付き止めた。磁性ナノ薄膜をピラミッド形状にすると、その頂上に捕獲される磁化渦という磁気スピンが渦まいて配列する構造が創り出す特異な磁気特性について理論計算で予見されていたが、これまで実験的には確かめられていなかったという。

立体構造化に当たっては、結晶面の配列を考慮。形態をデザインし、Si基板上に安定した原子配列表面構造を持つ結晶面から形成されたピラミッド構造を作製した。作製したピラミッド構造は、基板表面の垂直方向に対して54度の傾斜を持ち、四角錘のピラミッド構造が4つの斜面(ファセット斜面)によって構成されている。

立体の四つのファセット斜面の表面構造は、SEM観察からでは原子精度で観察できないため、表面科学的アプローチの一つである低速電子線回折(LEED)法を表面原子構造評価技術として用いた。ピラミッド構造を取ったファセット斜面表面からのLEED回折パターンは、エバルト球という計算上の図形とピラミッド構造の関係から解析した。

理論的シミュレーションでは、観察された非常に複雑な4回対称のLEEDパターンが、立体構造からのファセット面表面の逆格子ロッドとエバルト球との交点で全て説明できることを明らかにした。ファセット表面はSi{111}と表される4方向の面であり、平坦表面と同様の構造である「7×7超構造」を示すことが分かった。

銅触媒の電子顕微鏡画像、銅触媒の活性画像

研究では、清浄化したSi{111}7×7超構造ファセット表面上に、高品質な2nm~50nmの強磁性体Feナノ薄膜、半導体ナノ薄膜の成長を実現し、ピラミッド構造上に成長させたFeナノ薄膜が特異な強磁性特性を示すことを実験的に見出している。

ピラミッド形状をもつ30nm-Feナノ薄膜の磁化(縦軸)と印加磁場(横軸)の関係

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