JP3571756B2

JP3571756B2 - スピン偏極ｓｔｍ装置

Info

Publication number: JP3571756B2
Application number: JP12631794A
Authority: JP
Inventors: 浩一郎猪俣; 圭一郎柚須
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-06-08
Filing date: 1994-06-08
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JPH07333233A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、磁性体の磁化状態を原子レベルで検出することを可能にしたスピン偏極ＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）は、表面の１個１個の原子を実空間で観察することを可能にした装置であり、Ｗ等の非磁性体からなる探針と試料間に働くトンネル電流を検出して、試料の原子レベルでの表面形状を観察すること等に利用されている。さらに、ＳＴＭ装置は他の物理量を検出することで、例えば原子間力を利用したＡＦＭ（原子間力顕微鏡）や、磁気力を利用したＭＦＭ（磁気力顕微鏡）等、多くの広がりを見せている。さらに最近では、ＳＴＭ装置を磁気情報の記録・再生に用いようとする研究もなされている。ただし、通常のＷ等を探針に用いたＳＴＭ装置では、トンネル電流等からスピンに関する情報を得ることはできない。
【０００３】
トンネル電流からスピンに関する情報を得る方法としては、スピン偏極ＳＴＭ（ＳＰ−ＳＴＭ）技術が知られている。これにより、磁性体のスピン状態を原子レベルの分解能をもって検出することが可能となる。例えば、Ｗｉｅｓｅｎｄａｎｇｅｒらは、強磁性ＣｒＯ_２チップを用いて、反強磁性体であるＣｒ表面のスピン状態を観察することに成功している（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６５，２４７（１９９０））。しかし、この方法は試料のスピン構造が明確に分かっている場合には有効であるが、強磁性体やスピン状態が未知の試料に対しては適用することができない。また、強磁性体からなるチップを用い、観察しようとする試料のスピン状態を外部磁界で変化させて、スピン状態の違いに伴うトンネル電流の違いから試料の磁化状態を判定しようとすると、一般に強磁性体チップの磁化状態も変化してしまうため、実際には試料の磁化状態を判定することはできない。
【０００４】
さらに、ＳＴＭ装置では、探針を走査させて、試料のトポロジカルな変化に対応したトンネル電流の違いから試料表面の原子の凹凸を検知するのであるが、原子スピンに関する情報を得るスピン偏極ＳＴＭ装置では、探針を走査させたとき、試料のトポロジカルな変化に伴うトンネル電流と、スピンの違いによるトンネル電流とを区別できなければならない。このためには、探針を取り換えることなく、探針の磁化状態を外部パラメータで変化させ得ることが望ましい。
【０００５】
最近、末岡らはＧａＡｓ半導体チップを用いて、磁性体の磁化状態を観察する研究を行っている（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３２，２９８９（１９９３））。これは、円偏光した励起光によって、スピン偏極されたＧａＡｓの伝導電子を磁性体にトンネルさせる方法である。この場合、円偏光の方向を変えることで、スピン偏極の方向を変えることができるため、原理的には両者のトンネル電流の違いを利用して、磁性体の磁化状態を原子レベルの分解能で検出することが可能となる。しかし、一般にＧａＡｓチップは、その作製が困難であり、実際にはまだその観察には成功していない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、スピン偏極ＳＴＭ装置においては、試料のトポロジカルな変化に伴うトンネル電流と、スピンの違いによるトンネル電流とを区別できなければならないため、探針の磁化状態を外部パラメータで変化させ得ることが望ましい。ＧａＡｓ半導体チップからなる探針は、このようなスピン偏極ＳＴＭ装置用として有効であるが、一般にその作製が困難であり、実用的ではない。
【０００７】
本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、磁化状態を外部パラメータで変化させることができ、かつ容易に作製することが可能な探針を用いることによって、実用的に各種試料の磁化状態を正確に検出することを可能にしたスピン偏極ＳＴＭ装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のスピン偏極ＳＴＭ装置は、エネルギーギャップが0.03eV以上の半導体からなるスペーサ層を介して積層された複数の磁性体層を有し、光照射により前記磁性体層間の磁気的相互作用が変化する積層膜からなる探針と、前記積層膜からなる探針に光を照射し、前記磁性体層間の磁気的相互作用を変化させる手段と、前記探針と試料間に働くトンネル電流または磁気力を検出する手段とを具備することを特徴としている。
すなわち、極最近、例えばFeとSiOあるいはFeとSiを交互に積層した積層膜において、光の照射によりFe層間の磁気的な交換相互作用が変化するという新しい現象が見いだされており（Phys.Rev.Lett.71,185(1993)、Z.Phys.B92,137(1993)）、本発明はこのような磁化状態が外部パラメータで変化し得る積層膜をスピン偏極ＳＴＭ装置の探針に用いるというものである。
【０００９】
【作用】
本発明のスピン偏極ＳＴＭ装置においては、探針として、光により磁性体層間の磁気的相互作用が変化する磁性体層とスペーサ層との積層膜を用いている。探針として用いた積層膜中の磁性体層間の磁気的相互作用は、光照射により変化するため、光を照射する前の状態（初期状態）と光照射時とでは、探針と試料間に働くトンネル電流や磁気力が変化する。またこのとき、試料のスピンが探針方向を向いているか、あるいは探針と反対方向を向いているかによっても、探針と試料間に働くトンネル電流や磁気力が変化する。従って、例えば初期状態における探針と試料間に働くトンネル電流または磁気力と、光照射時におけるトンネル電流または磁気力とを比較することによって、試料の磁化状態を正確に判定することが可能となる。
【００１０】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施例によるスピン偏極ＳＴＭ装置の概略構成を示す図であり、図２はこのスピン偏極ＳＴＭ装置の探針として用いた積層膜の構造を示す断面図である。図１において、１は探針であり、この探針１は図２に示すように、磁性体層２とスペーサ層３とを交互に積層した積層膜４からなるものである。この積層膜４は、光照射により磁性体層２間の磁気的な交換相互作用が可逆的に変化する、いわゆる光誘導磁気効果を有するものであり、例えば非磁性基板５上に形成して、探針１として使用される。また、微細加工により積層膜４を形成することも可能である。
【００１２】
上記積層膜４からなる探針１は、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向に自在に移動可能なスキャナ６に保持されており、この探針１に対して、その走査時にレーザ光等を随時照射することが可能な図示しない光照射手段が設けられている。スキャナ６は、直交された３つの圧電体により構成されており、スキャナ６の動作は主に走査回路７により制御される。積層膜４からなる探針１により検出された、探針１と磁性体試料８間の例えばスピン偏極トンネル電流は、トンネル電流増幅回路９で増幅された後に、磁性体試料８の磁化状態を判定する手段としてのスピン方向判定回路１０に送られ、後に詳述するスピン方向の判定方法に従って磁性体試料８のスピンに関する情報として出力される。
【００１３】
なお、磁性体試料８の表面凹凸が大きいような場合には、例えば図１中に点線で示すように、トンネル電流増幅回路９からの出力を一旦サーボ回路１１に送り、光照射前の初期状態におけるスピン偏極トンネル電流が設定値以上となるように、スキャナ６のＺ軸方向の動作をフィードバック制御すればよい。
【００１４】
探針１として用いた積層膜４において、磁性体層２はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびこれらの２種以上の合金からなるものである。また、スペーサ層３としては、光を照射した際に、磁性体層２間の磁気的な交換相互作用を変化させることが可能な材料、例えばエネルギーギャップが０．０３ｅＶ以上、さらには０．０５ｅＶ以上の半導体が好ましく用いられる。スペーサ層３として用いる半導体のエネルギーギャップが０．０３ｅＶ未満であると、室温において光誘導磁気効果を発現することが困難となる。
【００１５】
ここで、磁性体層２とスペーサ層３との積層膜４としては、特に光を照射しないとき、すなわち初期状態では、スペーサ層３を介した磁性体層２間のスピンが互いに略反平行で、光を照射したときにスピンの方向が略平行に変化する積層膜４が、このようなスピン配列を容易に実現できる点で特に望ましい。初期状態における磁性体層２間のスピンの向きは、スペーサ層３の構成材料や厚さにより異なり、例えばＳｉ、ａ−Ｓｉ、ＳｉＯ、ＺｎＯ、遷移金属シリサイドＭ_ｘＳｉ_ｙ（ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびこれらの２種以上の合金から選ばれた１種を示し、ｘおよびｙは任意の数である）等を用いることによって、上述したようなスピンの初期状態を満足させることができる。またこのとき、積層膜４の面内には、一軸磁気異方性が導入されていることが望ましく、これにより探針１の磁化状態を安定化でき、トンネル電流等の測定が容易となる。ただし本発明では、スピンの向きは磁性体層２の厚さ方向であっても構わない。
【００１６】
また、探針１として用いる積層膜４は、光を遮断すると直ちに光を照射しない状態、すなわち初期のスピン配列（磁化状態）に戻ることが望ましい。このような場合、光をパルス状で照射すれば、それに応じて磁性体試料８からのスピンに依存したトンネル電流を検出することができる。光を遮断した際に、積層膜４の磁化状態が直ちに初期状態に戻るかどうかは、磁性体層２の厚さｄ［ｃｍ］、異方性Ｋ［ｅｒｇ／ｃｍ^３］と、スペーサ層３の厚さ等に基づく磁性体層２間の磁気的な交換相互作用の大きさＪ［ｅｒｇ／ｃｍ^２］等により決定され、これらの値が（Ｊ／ｄ）Ｋ＜１を満足することにより、積層膜４の磁化状態を光遮断後直ちに初期状態に戻すことができる。
【００１７】
なお、本発明において、探針１として用いる積層膜４に照射する光としては、例えば半導体レーザ等のレーザ光を挙げることができ、具体的にはスペーサ層３の構成材料のエネルギーギャップに対応した波長のレーザ光をスペーサ層３に照射すればよい。
【００１８】
磁性体層２の具体的な厚さは、探針１の分解能および上記条件を満足させるために、１〜１０ｎｍの範囲とすることが好ましい。また、スペーサ層３の厚さは、磁性体層２間の交換相互作用を変化させるのに必要な光エネルギーにも影響し、スペーサ層３の厚さが薄いほど上記光エネルギーを少なくすることができるが、薄すぎると上記式中のＪの値が増大するので、上記条件を考慮した上で１〜１０ｎｍの範囲とすることが好ましい。
【００１９】
上述したような構成の積層膜４は、例えばＭＢＥ法や超高真空スパッタ法等の超高真空を用いる薄膜形成法で作製することができる。また、ＲＦマグネトロンスパッタ法、イオンビームスパッタ法、真空蒸着法等の初期真空度が１×１０^−５Ｐａ以下の通常の薄膜形成技術によっても作製することができる。
【００２０】
この実施例では、スピン偏極ＳＴＭ装置の探針１として用いる積層膜４として、イオンビームスパッタ法により厚さ３ｎｍのＦｅ膜（磁性体層２）と厚さ４ｎｍのＳｉＯ膜（スペーサ層３）とを交互に積層した多層積層膜をＳｉ基板上に作製した。この際に用いたイオンビームスパッタ装置を図３に示す。
【００２１】
図３において、チャンバ２１の排気口２２は、図示しない真空ポンプに接続されており、チャンバ２１内の圧力は圧力ゲージ２３により測定される。チャンバ２１内には、基板ホルダ２４が設置され、この基板ホルダ２４に基板２５が保持される。基板ホルダ２４内にはヒータ２６が配設されていると共に、基板ホルダ２４付近には冷却水２７が流されており、これらにより基板ホルダ２４および基板２５の温度が調節可能となっている。基板ホルダ２４の温度は、熱電対２８により測定される。基板２５の前面にはシャッタ２９が設けられている。基板２５と対向する位置には、ターゲットホルダ３０が設けられ、その表面に複数のターゲット３１が取り付けられている。ターゲットホルダ３０は、冷却水３２により冷却される。ターゲット２１に対向する位置にはイオンガン３３が設けられ、イオンガン３３には、例えばＡｒガス３４が供給される。
【００２２】
上述したようなイオンビームスパッタ装置を用いて、まずチャンバ２１内にＳｉ基板２５をセットし、チャンバ２１内を６．７×１０^−５Ｐａまで排気したのち、Ａｒガスを１．３×１０^−２Ｐａまで導入し、スパッタＡｒの加速電圧を５００Ｖ、ビーム電流３０ｍＡの条件にて、Ｆｅ、ＳｉＯの順番に交互にスパッタリングを行った。積層数は２０とした。この後、積層膜４は先端径が好ましくは１〜１０ｎｍ程度となるように加工され、探針１が作製される。ここで、探針１の好ましい先端径を１〜１０ｎｍとしたのは、１ｎｍ未満の先端径を有する探針１を作製することは加工上困難であり、また先端径が１０ｎｍを超えると、磁性体の磁化状態を判定する際の分解能が低下するおそれがあるからである。
【００２３】
このようにして得た積層膜に外部からＡｒレーザ光を照射し、その前後の磁化曲線をＫｅｒｒ効果測定装置を用いて測定した。その結果を図４に示す。図４（ａ）は照射前であり、図４（ｂ）は光照射時の磁化曲線である。図４から明らかなように、光照射前の磁化は零であるが、光照射時には大きな磁化が発生し、磁化状態が大きく異なっており、積層膜が光誘導磁気効果を有していることが分かる。これは、光照射前にはＦｅ層間のスピンが互いに反平行であったものが、光照射によりスピンが平行に変化したことを意味する。また、光照射を止めると、元の磁化零の状態に直ちに戻った。
【００２４】
次に、上述したような積層膜４からなる探針１を用い、探針１と磁性体試料８間のトンネル電流を検出して、磁性体試料８の磁化状態を判定する方法について述べる。
【００２５】
積層膜４からなる探針１は、図５に示すように、スピンが反平行に向いた方向が、観察しようとする磁性体試料８面の磁化方向と平行または反平行となるように配置される。ただし、探針１と磁性体試料８間の磁気力を検出する場合は、磁性体試料８の磁化方向が探針１との対向面と平行である場合でも、図５に示すように探針１のスピンが反平行に向いた方向を磁性体試料８面に向けて、磁性体試料８からの漏洩磁界で磁性体試料８の磁化状態が判定される。そして、まず図６（ａ）に示すように、探針１に光を照射する前の初期状態において、すなわち磁性体層２間のスピンが互いに反平行の状態において、磁性体試料８から探針１へのスピン偏極トンネル電流Ｉ_０を測定する。次いで、探針１に光を照射すると、探針１のスピンは交換相互作用の変化によって、図６（ａ）から図６（ｂ）のように、磁性体層２間のスピンが互いに平行な状態に変化する。
【００２６】
このとき、磁性体試料８から探針１へのスピン偏極トンネル電流Ｉは、磁性体試料８のスピンの向きが磁性体層２間のスピンが互いに平行となった探針１のスピンの向きと同じ場合（図６（ｂ−１）：Ｉ_↑↑）と、異なる場合（図６（ｂ−２）：Ｉ_↑↓）とで大きさが異なる。また、これらスピン偏極トンネル電流Ｉ_↑↑、Ｉ_↑↓は、光照射前の初期状態におけるスピン偏極トンネル電流Ｉ_０とも異なり、これらの間にはＩ_↑↑＞Ｉ_０＞Ｉ_↑↓の関係が成立する。
【００２７】
従って、光を照射する前の初期状態におけるスピン偏極トンネル電流Ｉ_０を参照情報とし、それと光照射時のスピン偏極トンネル電流Ｉ_↑↑またはＩ_↑↓とを比較することにより、磁性体試料８のスピンの向き、すなわち磁化状態を原子レベルで決定することができる。そして、この磁化状態の判定は、各磁区毎に初期状態におけるスピン偏極トンネル電流Ｉ_０との比較により行っているため、トポロジカルなトンネル電流の差と区別することができ、これにより磁性体試料８の磁化状態を正確に判定することが可能となる。
【００２８】
上述したようなスピン偏極ＳＴＭ装置によれば、例えば磁性体試料８の磁化状態を原子レベルの分解能で観測することが可能となる。また、磁性体試料８として垂直磁気記録媒体を用いれば、スピン偏極ＳＴＭ装置は例えばナノメートル領域の磁区の超高密度磁気再生装置として使用することができる。
【００２９】
なお、上記実施例においては、探針と試料間のトンネル電流を測定するスピン偏極ＳＴＭ装置に適用した例について説明したが、本発明はこれに限らず、探針と試料間の磁気力を検出するスピン偏極ＳＴＭ装置に用いることもできる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスピン偏極ＳＴＭ装置によれば、磁性体の磁化状態を原子レベルの分解能で正確に観測することができ、極めて高い学術的意義をもたらすばかりでなく、例えばナノメートル領域の磁区を判定する超高密度磁気再生が可能となり、今後の超高密度磁気記録再生の開発に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるスピン偏極ＳＴＭ装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示すスピン偏極ＳＴＭ装置の探針として用いた積層膜の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例にて探針として用いた積層膜の作製に用いたイオンビームスパッタ装置の構成を示す図である。
【図４】図３に示すイオンビームスパッタ装置で作製した積層膜の光誘導磁気効果を示す図である。
【図５】積層膜からなる探針の配置状態を示す図である。
【図６】光誘導磁気効果を利用した試料の磁化状態の判定方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１……探針
２……磁性体層
３……スペーサ層
４……積層膜
６……スキャナ
９……トンネル電流増幅回路
１０…スピン方向判定回路

Claims

エネルギーギャップが0.03eV以上の半導体からなるスペーサ層を介して積層された複数の磁性体層を有し、光照射により前記磁性体層間の磁気的相互作用が変化する積層膜からなる探針と、
前記積層膜からなる探針に光を照射し、前記磁性体層間の磁気的相互作用を変化させる手段と、
前記探針と試料間に働くトンネル電流または磁気力を検出する手段と
を具備することを特徴とするスピン偏極ＳＴＭ装置。
前記積層膜は、初期状態における前記磁性体層間のスピンが互いに略反平行で、光照射時に前記スピンが略平行となることを特徴とする、請求項１記載のスピン偏極ＳＴＭ装置。
前記初期状態における前記探針と試料間に働くトンネル電流または磁気力と、前記光照射時の前記探針と試料間に働くトンネル電流または磁気力との比較から、前記試料の磁化状態を判定する手段を有することを特徴とする、請求項２記載のスピン偏極ＳＴＭ装置。
前記積層膜は、光を遮断すると前記初期状態のスピン配列に戻ることを特徴とする、請求項２記載のスピン偏極ＳＴＭ装置。