JPH06213985A - スピン分布検出装置及び該装置を利用するスピン分布検出方法 - Google Patents
スピン分布検出装置及び該装置を利用するスピン分布検出方法Info
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- JPH06213985A JPH06213985A JP2367393A JP2367393A JPH06213985A JP H06213985 A JPH06213985 A JP H06213985A JP 2367393 A JP2367393 A JP 2367393A JP 2367393 A JP2367393 A JP 2367393A JP H06213985 A JPH06213985 A JP H06213985A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明の目的は、磁性体、特に強磁性体の原
子レベルでの微細なスピン構造を決定することのできる
装置、および該装置を利用したスピン分布検出方法の提
供。 【構成】 導電性と磁性を有する探針、該探針を走査す
る走査部、該探針と強磁性体間へ電流を流すための電
源、および該探針と強磁性体間を流れるトンネル電流の
コンダクタンス変化検出部を有することを特徴とする強
磁性体のスピン分布検出装置。
子レベルでの微細なスピン構造を決定することのできる
装置、および該装置を利用したスピン分布検出方法の提
供。 【構成】 導電性と磁性を有する探針、該探針を走査す
る走査部、該探針と強磁性体間へ電流を流すための電
源、および該探針と強磁性体間を流れるトンネル電流の
コンダクタンス変化検出部を有することを特徴とする強
磁性体のスピン分布検出装置。
Description
【０００１】
【技術分野】本発明は、強磁性体のスピン分布状態を検
出する検出素子、および該素子を用いた強磁性体のスピ
ン分布検出方法に関する。
出する検出素子、および該素子を用いた強磁性体のスピ
ン分布検出方法に関する。
【０００２】
【従来技術】磁性体は、スピン構造により、強磁性体、
反強磁性体等に分類されるが、スピン分布、構造を原子
レベルで決定する方法は、中性子回折法、ローレンツ電
子顕微鏡法、さらには、最近、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）を応用した磁気間力顕微鏡法がある。特に、本発明
に関連する磁気間力顕微鏡法（ＭＦＭ）は、磁性体の探
針と測定対象である磁性体間に働く、引力ないし斥力を
探針と一体となったカンチレバーが受け、レバーのそり
を光学的に検知し、磁化の方向を決定する方法である
が、強磁性体試料を用いた場合、常磁性体を用いた探針
が強磁性体からの漏洩磁界の影響を受け、真の磁化方向
を決定しにくかったり、検出できる力の大きさに限界が
ある。探針が試料に接近すればするほど原子間力という
別の力が寄与してくるといった欠点がある。一方、本発
明と同様、スピン偏極電子のトンネル効果を利用し、強
磁性体の表面あるいは深さ方向のスピン分布状態を検出
する検出方法が提案されている〔R.Wiesendanger, D.Bu
rgler, G.Tarrach, A.Wadas, D.Brodbeck, H.J.Gunther
odt,G.Guntherodt, R.J.Gambino and R.Ruf. J.Vac.Sc
i. Technol. B, vol.9,No.2(1991）〕。該方法は、探針
と試料間に電圧をかけるとスピン偏極した電子がトンネ
ルし、試料から探針へ流れ、このとき、トンネル電流の
コンダクタンスが、スピン偏極度に比例して変化するこ
とを利用し、反強磁性体であるＣｒのスピン構造を観察
し、Ｃ軸に↑（アップスピン）、↓（ダウンスピン）に
交互に並んでいる構造であることが確認できている。し
かしながら、この方法は、スピン方向が互いに１８０゜
の角度をなしている反強磁性体の場合のみしか、スピン
分布状態を決定できていない。スピン波、磁壁といった
隣接スピンが、連続的に角度が変化しているような微細
なスピン構造を決定することのできる装置、および方法
が求められていた。
反強磁性体等に分類されるが、スピン分布、構造を原子
レベルで決定する方法は、中性子回折法、ローレンツ電
子顕微鏡法、さらには、最近、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）を応用した磁気間力顕微鏡法がある。特に、本発明
に関連する磁気間力顕微鏡法（ＭＦＭ）は、磁性体の探
針と測定対象である磁性体間に働く、引力ないし斥力を
探針と一体となったカンチレバーが受け、レバーのそり
を光学的に検知し、磁化の方向を決定する方法である
が、強磁性体試料を用いた場合、常磁性体を用いた探針
が強磁性体からの漏洩磁界の影響を受け、真の磁化方向
を決定しにくかったり、検出できる力の大きさに限界が
ある。探針が試料に接近すればするほど原子間力という
別の力が寄与してくるといった欠点がある。一方、本発
明と同様、スピン偏極電子のトンネル効果を利用し、強
磁性体の表面あるいは深さ方向のスピン分布状態を検出
する検出方法が提案されている〔R.Wiesendanger, D.Bu
rgler, G.Tarrach, A.Wadas, D.Brodbeck, H.J.Gunther
odt,G.Guntherodt, R.J.Gambino and R.Ruf. J.Vac.Sc
i. Technol. B, vol.9,No.2(1991）〕。該方法は、探針
と試料間に電圧をかけるとスピン偏極した電子がトンネ
ルし、試料から探針へ流れ、このとき、トンネル電流の
コンダクタンスが、スピン偏極度に比例して変化するこ
とを利用し、反強磁性体であるＣｒのスピン構造を観察
し、Ｃ軸に↑（アップスピン）、↓（ダウンスピン）に
交互に並んでいる構造であることが確認できている。し
かしながら、この方法は、スピン方向が互いに１８０゜
の角度をなしている反強磁性体の場合のみしか、スピン
分布状態を決定できていない。スピン波、磁壁といった
隣接スピンが、連続的に角度が変化しているような微細
なスピン構造を決定することのできる装置、および方法
が求められていた。
【０００３】
【目的】本発明の目的は、磁性体、特に強磁性体の原子
レベルでの微細なスピン構造を決定することのできる装
置、および該装置を利用したスピン分布検出方法の提供
にある。
レベルでの微細なスピン構造を決定することのできる装
置、および該装置を利用したスピン分布検出方法の提供
にある。
【０００４】
【構成】本発明は、磁性体、特に強磁性体のスピン分
布、スピン構造を原子レベルで決定するために、磁性を
もつ導電性探針を探針の走査方向に対して並べ、好まし
くは、複数本を並べ強磁性体のスピン分布を検出する素
子及び該素子を利用した強磁性体の表面のスピン分布状
態検出方法に関する。
布、スピン構造を原子レベルで決定するために、磁性を
もつ導電性探針を探針の走査方向に対して並べ、好まし
くは、複数本を並べ強磁性体のスピン分布を検出する素
子及び該素子を利用した強磁性体の表面のスピン分布状
態検出方法に関する。
【０００５】本発明の素子の構成を図１に基づいて、具
体的に説明する。本発明の素子は、反強磁性単結晶の探
針１Ａ、１Ｂ、強磁性体２、探針を走査する走査部３、
探針１と強磁性体２間へ電流を流すための定電流電源
４、強磁性体にかけるバイアス電圧用電源５、コンダク
タンス変化検出部６から構成される。強磁性体２から探
針１へ真空中において、電子がトンネルすると、強磁性
体２における電子のスピン偏極度と、探針１における電
子のスピン偏極度により、トンネル電流のコンダクタン
スＧが決まる。さらに、コンダクタンスＧは、強磁性体
２と探針１のスピンがなす角θにより変わる。Ｇは、探
針１のスピン偏極度Ｐ1、強磁性体２のスピン偏極度Ｐ2
とすると、Ｇ＝Ｇ0′（１＋Ｐ1′Ｐ2′ｃｏｓθ）で表
わされる。上式中、Ｐ1′＝Ｐ1α1、Ｐ2′＝Ｐ2α2で、
α1、α2は各トンネル障壁の高さである。Ｇ0′はスピ
ンに関係なく、探針と強磁性体のトンネル障壁の高さと
厚さで決まる定数である。また、探針１と強磁性体２の
なす角θは、ｃｏｓθ＝（Ｇ−Ｇ0′）／Ｇ0′Ｐ1′
Ｐ2′から求められる。探針１が強磁性体２の試料面に
対し垂直にスピンが向いている場合、さらに、強磁性体
２が試料面に垂直に異方性をもつ場合、角度θは強磁性
体２が垂直方向から何度傾いているかということを表わ
している。この方法において角度分布は、強磁性体２、
探針１の各スピンの大きさに依存しない。探針１から強
磁性体２へ流す電流は、定電流であり、この大きさは、
０．１〜１０ｎＡ、バイアス電圧は０〜１０Ｖを加え
る。θは、０≦θ≦π（ｒａｄ．）がとり得る範囲であ
り、これらを信号強度Ｉ（コンダクタンスＧに比例）に
換算し、０≦Ｉ≦１のグレーレベルで表わす。本発明で
使用する探針１は、反強磁性体であり、該強磁性体とし
ては、鉄族系金属あるいは鉄族系金属を含む合金が好ま
しい。これらの合金の材料としては、例えば室温で反強
磁性を示すＮｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等の単結晶が挙げられる。
前記Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等は磁気異方性を有するか、Ｎ
ｉ、Ｍｎの場合、ａ軸方向を試料面に対し垂直となるよ
うにし、Ｃｒの場合、ｃ軸方向を垂直方向となるように
して用いる。探針１が反強磁性体である理由として強磁
性体からの漏洩磁界により探針のスピン方向が影響を受
けないためであり、反強磁性体のスピンが回転するに
は、強磁性体が飽和する以上の磁界が必要であり、実際
探針にはそのような大きな磁界はかからない。強磁性体
も探針も導電性を有することが必要である。探針は、電
解研磨等により、先端を尖鋭にし、理想的には、原子１
個ないし数個の状態が良いが現実はこれに近い状態にな
るようにする。先端を理想的状態にするには、最近のＳ
ＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）を応用した原子操作法を
使用することにより、原子１個にすることも可能であ
る。探針走査する場合、いうまでもなく、探針が試料表
面と接触しないように、定電流となるよう、ピエゾ素子
を使用して、探針と試料表面との間隔を一定に保つ。間
隔としては１０Å以下である。
体的に説明する。本発明の素子は、反強磁性単結晶の探
針１Ａ、１Ｂ、強磁性体２、探針を走査する走査部３、
探針１と強磁性体２間へ電流を流すための定電流電源
４、強磁性体にかけるバイアス電圧用電源５、コンダク
タンス変化検出部６から構成される。強磁性体２から探
針１へ真空中において、電子がトンネルすると、強磁性
体２における電子のスピン偏極度と、探針１における電
子のスピン偏極度により、トンネル電流のコンダクタン
スＧが決まる。さらに、コンダクタンスＧは、強磁性体
２と探針１のスピンがなす角θにより変わる。Ｇは、探
針１のスピン偏極度Ｐ1、強磁性体２のスピン偏極度Ｐ2
とすると、Ｇ＝Ｇ0′（１＋Ｐ1′Ｐ2′ｃｏｓθ）で表
わされる。上式中、Ｐ1′＝Ｐ1α1、Ｐ2′＝Ｐ2α2で、
α1、α2は各トンネル障壁の高さである。Ｇ0′はスピ
ンに関係なく、探針と強磁性体のトンネル障壁の高さと
厚さで決まる定数である。また、探針１と強磁性体２の
なす角θは、ｃｏｓθ＝（Ｇ−Ｇ0′）／Ｇ0′Ｐ1′
Ｐ2′から求められる。探針１が強磁性体２の試料面に
対し垂直にスピンが向いている場合、さらに、強磁性体
２が試料面に垂直に異方性をもつ場合、角度θは強磁性
体２が垂直方向から何度傾いているかということを表わ
している。この方法において角度分布は、強磁性体２、
探針１の各スピンの大きさに依存しない。探針１から強
磁性体２へ流す電流は、定電流であり、この大きさは、
０．１〜１０ｎＡ、バイアス電圧は０〜１０Ｖを加え
る。θは、０≦θ≦π（ｒａｄ．）がとり得る範囲であ
り、これらを信号強度Ｉ（コンダクタンスＧに比例）に
換算し、０≦Ｉ≦１のグレーレベルで表わす。本発明で
使用する探針１は、反強磁性体であり、該強磁性体とし
ては、鉄族系金属あるいは鉄族系金属を含む合金が好ま
しい。これらの合金の材料としては、例えば室温で反強
磁性を示すＮｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等の単結晶が挙げられる。
前記Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等は磁気異方性を有するか、Ｎ
ｉ、Ｍｎの場合、ａ軸方向を試料面に対し垂直となるよ
うにし、Ｃｒの場合、ｃ軸方向を垂直方向となるように
して用いる。探針１が反強磁性体である理由として強磁
性体からの漏洩磁界により探針のスピン方向が影響を受
けないためであり、反強磁性体のスピンが回転するに
は、強磁性体が飽和する以上の磁界が必要であり、実際
探針にはそのような大きな磁界はかからない。強磁性体
も探針も導電性を有することが必要である。探針は、電
解研磨等により、先端を尖鋭にし、理想的には、原子１
個ないし数個の状態が良いが現実はこれに近い状態にな
るようにする。先端を理想的状態にするには、最近のＳ
ＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）を応用した原子操作法を
使用することにより、原子１個にすることも可能であ
る。探針走査する場合、いうまでもなく、探針が試料表
面と接触しないように、定電流となるよう、ピエゾ素子
を使用して、探針と試料表面との間隔を一定に保つ。間
隔としては１０Å以下である。
【０００６】本発明のもう一つの特徴は、上記検出原理
に基づき、前記探針を複数本用いて、該探針を走査方向
に対して前後に並べ、各探針間の差信号を検出し、隣接
する各探針間のスピン角度分布を明確にすることが可能
となる。このとき、各探針間の間隔は数μｍ以下が好ま
しい。本発明のスピン分布検出の対象とする磁性体につ
いても、強磁性体しかも磁気異方性（厚さ方向あるいは
面内方向）を有する材料が好ましい。何故ならば、これ
ら材料の場合には偏極度は１に近く、コンダクタンスの
大きさが大きいために、信号変化も大きくなり、スピン
分布状態が明確になる。
に基づき、前記探針を複数本用いて、該探針を走査方向
に対して前後に並べ、各探針間の差信号を検出し、隣接
する各探針間のスピン角度分布を明確にすることが可能
となる。このとき、各探針間の間隔は数μｍ以下が好ま
しい。本発明のスピン分布検出の対象とする磁性体につ
いても、強磁性体しかも磁気異方性（厚さ方向あるいは
面内方向）を有する材料が好ましい。何故ならば、これ
ら材料の場合には偏極度は１に近く、コンダクタンスの
大きさが大きいために、信号変化も大きくなり、スピン
分布状態が明確になる。
【０００７】
【実施例】強磁性体２として、Ｃｏ97Ｃｒ3薄膜（厚さ
２０００Å）を用い、Ｃｒ（００１）探針を用い、０．
０１μｍ以下の間隔に２本走査方向に並べた。Ｃｏ97Ｃ
ｒ3薄膜は基板に対し、垂直に異方性をもつ強磁性膜で
ある。Ｃｒ（００１）単結晶探針は、先端が、図２の
（ａ）に示すような状態になるよう、硝酸、フッ酸によ
り電解研磨した。探針２本に対して各々２ｎＡ、２．５
Ｖの定電流、バイアス電圧を加えて、コンダクタンスを
測定する。針は図２の（ｃ）の左から右へ走査した。探
針は、Ｓｉあるいは絶縁性基板上に薄膜を設けて薄膜を
フォトリソグラフィーにより２分割し、０．０１μｍ以
下の間隔にし、２本の探針とする。探針は上から見ると
図２の（ｂ）のように配置されている。走査方向に垂直
方向は０．５μｍ間隔である。図２の（ｃ）のＣ〜Ｅは
スピンが数１００Åにわたって連続的に変化している領
域であり、ここをまず１Ａの針が走査されると図３の実
線のようなコンダクタンス変化を示す。この領域は、い
わゆる磁壁と呼ばれるもので、１０００Åより小さい。
コンダクタンスＧは、探針と強磁性体のスピンが平行の
時
２０００Å）を用い、Ｃｒ（００１）探針を用い、０．
０１μｍ以下の間隔に２本走査方向に並べた。Ｃｏ97Ｃ
ｒ3薄膜は基板に対し、垂直に異方性をもつ強磁性膜で
ある。Ｃｒ（００１）単結晶探針は、先端が、図２の
（ａ）に示すような状態になるよう、硝酸、フッ酸によ
り電解研磨した。探針２本に対して各々２ｎＡ、２．５
Ｖの定電流、バイアス電圧を加えて、コンダクタンスを
測定する。針は図２の（ｃ）の左から右へ走査した。探
針は、Ｓｉあるいは絶縁性基板上に薄膜を設けて薄膜を
フォトリソグラフィーにより２分割し、０．０１μｍ以
下の間隔にし、２本の探針とする。探針は上から見ると
図２の（ｂ）のように配置されている。走査方向に垂直
方向は０．５μｍ間隔である。図２の（ｃ）のＣ〜Ｅは
スピンが数１００Åにわたって連続的に変化している領
域であり、ここをまず１Ａの針が走査されると図３の実
線のようなコンダクタンス変化を示す。この領域は、い
わゆる磁壁と呼ばれるもので、１０００Åより小さい。
コンダクタンスＧは、探針と強磁性体のスピンが平行の
時
【数１】 反平行の時、
【数２】 両者の変化量は
【数３】 図２（ｃ）の縦軸のｋはｋ＝Ｐ′ｃｒＰ′ｃｏｃｒ＞
０。ただし、
０。ただし、
【数４】 値を基準にする。従って、変化量をグレーレベルＩに対
応させ、その値から角度分布がわかる。隣接する角度分
布が微細な場合には、探針２本を用いて、０．００５μ
ｍの間隔（走査方向）にした。この場合、０．００５μ
ｍ＝５０Å間隔でコンダンクタンスの差分が得られ、差
信号を増幅すればその間隔でのスピン角度がより明確に
なり、微小部分でのスピン角度が厳密に求められる。図
２の（ｃ）の場合において、差信号の最大値ΔＧｍａｘ
とし、増幅率ｍとすると、図４のようなグラフが得られ
る。従って、これらを加味した場合の修正後のコンダク
タンス変化量が図３の点線のようになる。
応させ、その値から角度分布がわかる。隣接する角度分
布が微細な場合には、探針２本を用いて、０．００５μ
ｍの間隔（走査方向）にした。この場合、０．００５μ
ｍ＝５０Å間隔でコンダンクタンスの差分が得られ、差
信号を増幅すればその間隔でのスピン角度がより明確に
なり、微小部分でのスピン角度が厳密に求められる。図
２の（ｃ）の場合において、差信号の最大値ΔＧｍａｘ
とし、増幅率ｍとすると、図４のようなグラフが得られ
る。従って、これらを加味した場合の修正後のコンダク
タンス変化量が図３の点線のようになる。
【０００８】
【効果】本発明によると、磁性体の原子レベルでの微細
なスピン構造を決定することのできるスピン分布検出装
置、および該装置を利用したスピン分布検出方法が提供
される。
なスピン構造を決定することのできるスピン分布検出装
置、および該装置を利用したスピン分布検出方法が提供
される。
【図１】本発明のスピン分布検出装置の１例を示すブロ
ック図である。
ック図である。
【図２】（ａ）本発明のスピン分布検出装置の探針の先
端の形状を模式的に示す図である。 （ｂ）同上の探針の配置を示す平面図である。 （ｃ）Ｃ〜Ｅは、スピンが連続的に変化している強磁性
体の領域を模式的に示す図である。
端の形状を模式的に示す図である。 （ｂ）同上の探針の配置を示す平面図である。 （ｃ）Ｃ〜Ｅは、スピンが連続的に変化している強磁性
体の領域を模式的に示す図である。
【図３】図２の（ｃ）のＣ〜Ｅ領域を走査した場合のコ
ンダクタンスおよび修正コンダクタンス変化量を示す図
である。
ンダクタンスおよび修正コンダクタンス変化量を示す図
である。
【図４】図２の（ｃ）のＣ〜Ｅ領域を探針２本を用いて
走査した場合の差信号の変化を示す図である。
走査した場合の差信号の変化を示す図である。
１Ａ 探針 １Ｂ 探針 ２ 強磁性体 ３ 走査部 ４ 定電流電源 ５ バイアス電圧用電源 ６ コンダクタンス変化検出部 ７ 磁化の向き（紙面の表から裏方向への向き） Ａ 図２のＣ〜Ｅ領域を針ｌＡが走査した場合のコンダ
クタンス変化量を示す。 Ｂ 図２のＣ〜Ｅ領域と探針２本を用いて走査して得ら
れた差信号の結果に基づいて修正した後のコンダクタン
ス変化量を示す。 ΔＧｍａｘ 差信号の最大値 ΔＧｍｉｎ 差信号の最小値 → スピンの向きを示す ← スピンの向きを示す
クタンス変化量を示す。 Ｂ 図２のＣ〜Ｅ領域と探針２本を用いて走査して得ら
れた差信号の結果に基づいて修正した後のコンダクタン
ス変化量を示す。 ΔＧｍａｘ 差信号の最大値 ΔＧｍｉｎ 差信号の最小値 → スピンの向きを示す ← スピンの向きを示す
Claims (4)
- 【請求項１】 導電性と磁性を有する探針、該探針を走
査する走査部、該探針と強磁性体間へ電流を流すための
電源、および該探針と強磁性体間を流れるトンネル電流
のコンダクタンス変化検出部を有することを特徴とする
強磁性体のスピン分布検出装置。 - 【請求項２】 導電性と磁性を有する探針が、室温以下
で反強磁性、かつ磁気異方性の材料で構成されたもので
ある請求項１記載のスピン分布検出装置。 - 【請求項３】 導電性と磁性を有する探針が、複数本の
探針で構成され、かつ該探針の各先端が、強磁性体の測
定領域面積に相当する原子層で構成された、尖鋭な形状
のものである請求項１または２記載のスピン分布検出装
置。 - 【請求項４】 請求項１、２または３記載のスピン分布
検出装置の探針と被検出体の強磁性体間に電流を流し、
前記探針と強磁性体間を流れるトンネル電流から強磁性
体のスピンと探針のスピンのなす角度を検出し、該角度
に基づいて強磁性体のスピン分布状態を検出する方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2367393A JPH06213985A (ja) | 1993-01-19 | 1993-01-19 | スピン分布検出装置及び該装置を利用するスピン分布検出方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2367393A JPH06213985A (ja) | 1993-01-19 | 1993-01-19 | スピン分布検出装置及び該装置を利用するスピン分布検出方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06213985A true JPH06213985A (ja) | 1994-08-05 |
Family
ID=12117004
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2367393A Pending JPH06213985A (ja) | 1993-01-19 | 1993-01-19 | スピン分布検出装置及び該装置を利用するスピン分布検出方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06213985A (ja) |
-
1993
- 1993-01-19 JP JP2367393A patent/JPH06213985A/ja active Pending
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