WO2005083161A1 - 遷移金属又は稀土類金属などの磁性不純物を含まず、不完全な殻を持つ元素を固溶した透明強磁性化合物及びその強磁性特性の調整方法 - Google Patents

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    • H01F1/0009—Antiferromagnetic materials, i.e. materials exhibiting a Néel transition temperature

Definitions

  • the present invention relates to a transparent ferromagnetic compound which does not contain a magnetic impurity such as a transition metal or a rare earth metal and has a solid solution of an element having an incomplete shell, and a method for adjusting the ferromagnetic properties thereof.
  • the present invention relates to a single-crystal wide-bandgap conjugate having a wide bandgap and realizing ferromagnetic properties in a transparent compound, and a method for adjusting the ferromagnetic properties thereof. More specifically, the present invention relates to a transparent ferromagnetic wide band gap compound having a large magneto-optical effect and obtaining desired ferromagnetic properties, for example, a ferromagnetic transition temperature, and a method for adjusting the ferromagnetic properties thereof.
  • This material has the property of transmitting even light with wavelengths from the visible region as large as 3 eV or more to ultraviolet light and even ultra-ultraviolet light, and has a large spin 'orbit interaction with this material, whose exciton binding energy is large. If a ferromagnetic material can be obtained, significant progress will be made in the production of optical quantum devices such as spin transistors and optical isolators that utilize the degree of freedom of spin, and in optical quantum computers that utilize coherent spin states, and in the development of devices for quantum information processing. There is expected.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-72496
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-130915
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-255695
  • Patent Document 4 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-255698
  • Patent Document 5 JP-A-2002-260922
  • Patent Document 6 JP-A-2003-318026
  • Patent Document 7 JP-A-2003-137698
  • Non-Patent Document 2 “Stabilization of Ferromagnetic States by Electron Doping in Fe—, Co—, or Ni—doped ZnO” Kazunori Sato and Hiroshi Katayama- Yoshida, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40, (2001) pp . L334— L336
  • Non-Patent Document 3 "Search for ⁇ -VI and mv Group Ferromagnetic Semiconductors by Doping 4d Transition Metals" Seika Seike, Hiroshi Yoshida, Proceedings of the Joint Lecture Meeting on Applied Physics
  • Non-Patent Document 4 ⁇ Half Metallic Transparent Ferromagnetic Semiconductor Material Design with 4d Transition Metal Doping '' Seika Seike, Akira Yanase, Hiroshi Yoshida, Proceedings of the Japan Society of Applied Physics, Vol.64, (2003.08.30) No .l, p.415
  • Non-Patent Document 5 ⁇ Design of Ferromagnetic Transition Temperature Rise Method by ⁇ Doping and Simultaneous Doping '' Yuki Oishi, VANAND, Hiroshi Yoshida, Proceedings of the Japan Society of Applied Physics, Vol.64, (2003.08.30) No .l, p.416
  • Electromagnetic materials that can be applied to devices can be manufactured. Further, a completely spin-polarized transparent ferromagnetic material having a giant magneto-optical effect and having ferromagnetism while transmitting light is desired.
  • the ferromagnetic transition temperature (Curie temperature) is set to a temperature (room temperature) at which the magnetic state changes when irradiated with light. It is necessary to be able to make the ferromagnetic characteristics to the desired characteristics, for example, by setting the temperature slightly higher.
  • the present invention provides a transparent ferromagnetic conjugate that is completely spin-polarized using a wide bandgap conjugate that transmits light.
  • the present invention provides a method for adjusting the ferromagnetic properties of a transparent ferromagnetic compound that can adjust its ferromagnetic properties, such as a ferromagnetic transition temperature, in producing a transparent ferromagnetic compound. I do.
  • a wide band gap compound is an alkaline earth having a large band gap.
  • Chalcogen compounds CaO, MgO, SrO, BaO, etc.
  • alkali 'chalcogen compounds KS, Li
  • I-VII compounds NaCl, KCl, etc.
  • II-VI compounds ZnO, ZnS, etc.
  • the present inventors obtain a single crystal having a ferromagnetic property by using an alkaline-earth 'chalcogenide conjugate having a wide band gap particularly suitable as a light transmitting material and a large lattice constant.
  • elements with incomplete outermost p-shells such as B, C, N, 0, F, Si, and Ge
  • chalcogen atoms at low temperatures can be converted to chalcogen atoms at low temperatures by a non-equilibrium crystal growth method. It has been found that a single crystal can be sufficiently obtained even by replacing up to about atomic% (mixed crystal formation).
  • elements having an incomplete outermost p-electron shell such as B, C, N, 0, F, Si, and Ge, have high values.
  • Spin state change its solid solution concentration, change the combination of these two or more elements, change the ratio of its solid solution concentration, and add n-type and Z- or P-type dopants Can change the ferromagnetic transition temperature, stabilize the ferromagnetic state more than the antiferromagnetic or spin-glass state, and the paramagnetic state. State or paramagnetic state, but the energy that normally maintains the ferromagnetic state) can be adjusted, and the minimum transmission wavelength varies depending on the type of dissolved element, and two or more elements can be selectively solidified. By melting and forming a mixed crystal, the desired filter machine That that can have a, it was found.
  • a single crystal having desired magnetic properties can be obtained.
  • a completely spin-polarized transparent ferromagnetic also known as a non-metallic ferromagnet with one spin state having a bandgap and the other spin traveling around
  • an alkaline earth 'chalcogen compound can be used to obtain an alkaline earth 'chalcogen compound.
  • the completely spin-polarized transparent ferromagnetic alkaline earth 'chalcogeni conjugate' is obtained by adding at least one kind of alkali earth 'chalcogeni conjugate which has an incomplete outermost p-electron shell. Element is contained.
  • the alkaline earth 'chalcogenide compound' is a compound composed of an alkaline earth metal (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) and a chalcogen atom (0, S, Se, Te).
  • Examples are (BeO, BeS, BeSe, BeTe, MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTe, RaO, RaS, RaSe, RaTe).
  • the above compound has a large lattice constant! /, So that the orbital of the impurity and that of the base atom are weakly mixed.
  • the above-mentioned elements with an incomplete P shell in the outermost shell are 0, S, Se, Te, etc.
  • the chalcogen atom can be replaced by a single crystal having the same crystal structure even if it is replaced by a non-equilibrium crystal growth method at a low temperature of about 250 ° C to about 25 at%, while maintaining its transparency. It has the property of perfect spin-polarized ferromagnetism with the same crystal structure.
  • the impurity p-electron state caused by the element having the incomplete p-electron shell in the outermost shell is reduced. It hybridizes with the atomic orbitals of the parent compound to form a narrow, impurity band, which provides a large electron correlation effect, becomes ferromagnetic, and realizes a completely spin-polarized transparent ferromagnetic state.
  • the ferromagnetic properties change more directly than doping these compounds with holes or electrons, and the ferromagnetic properties such as the ferromagnetic transition temperature can be adjusted. Considering application to spin electronics operating at room temperature or higher, it is practically preferable that the ferromagnetic transfer temperature be 300 K or higher.
  • the doped carrier enters the narrow impurity band formed in the band gap, and thus does not appear in the outermost doped shell.
  • the number of occupied electrons in the p-electron impurity state of an element having a perfect p-electron shell can be changed, and the ferromagnetic properties can be adjusted by controlling the valence electrons of the p-electrons forming the impurity band.
  • the method for adjusting the ferromagnetic properties of the alkaline earth 'chalcogenide conjugate according to the present invention is carried out according to the following (1) or (2).
  • At least one element having an incomplete p-shell in the outermost shell is dissolved in the alkaline earth chalcogen compound as described above, and the concentration of the dissolved element is adjusted.
  • At least one of an n-type dopant and a p-type dopant is added, and the concentration of the added dopant is adjusted.
  • the ferromagnetic transition temperature can be adjusted to a desired temperature by adjusting the concentration (the concentration of at least one element having an incomplete p-shell in the outermost shell and a dopant).
  • concentration the concentration of at least one element having an incomplete p-shell in the outermost shell and a dopant.
  • an element and a dopant having an incomplete p-electron shell in the at least one outermost shell are dissolved to adjust the ferromagnetic stability energy, and the at least one outermost shell is formed.
  • the ferromagnetic state can be stabilized by lowering the total energy by the kinetic energy of holes or electrons introduced by an element or dopant itself with an incomplete P electron shell, and at least one of the outermost
  • the ferromagnetic state is achieved by dissolving elements and dopants with an incomplete p-electron shell in the shell and controlling the magnitude and sign of the magnetic interaction between the elements by holes or electrons introduced by the elements themselves. Can be stabilized.
  • an elemental force having an incomplete p-electron shell in the outermost shell forms a solid solution with at least one selected element and a dopant, and the hole or the electron introduced by the solid-solution element itself forms:
  • elements having an incomplete p-electron shell such as B, C, N, 0, F, Si, and Ge in the alkaline earth and chalcogenide conjugation solid solution are dissolved.
  • a simple spin-polarized transparent ferromagnetic single crystal can be obtained.
  • alkaline earth 'chalcogenide conjugate' will be described with reference to the completely spin-polarized transparent ferromagnetic conjugate, the method for producing the same and the method for adjusting the ferromagnetic properties thereof. This will be described as a specific example.
  • the above technology related to alkaline earth 'chalcogenide conjugates with a large band gap and a large lattice constant is based on alkali' chalcogen compounds
  • the completely spin-polarized transparent ferromagnetic alkaline earth 'chalcogenide conjugate' of the present invention comprises at least one element having an incomplete outermost p-electron shell in the alkaline earth 'chalcogenide conjugate'. It is solid solution.
  • the MBE method is used in order to form such a thin film of an alkaline earth 'chalcogeni conjugate' in which an element having an incomplete p-electron shell in the outermost shell is formed.
  • Figure 1 as a schematic view of an apparatus used for MBE method, a 1.33 X 10- b Pa about the substrate holder of ultra-high vacuum can be maintained in the chamber one 1 4, for example, SiC, such as SiO or sapphire
  • a substrate 5 for growing an alkaline earth 'chalcogenide' such as CaO is placed on a glass substrate, and the substrate 5 can be heated by the heater 7.
  • a material (source source) Ca of an element constituting the growing compound so as to face the substrate 5 held by the substrate holder 4.
  • Si, Ge, and other cells containing an element with an incomplete p-electron shell in the outermost shell one cell is shown, but two or more cells are provided when two or more types are dissolved
  • a cell 2d containing Sb and Bi and an RF radical cell 3a for generating radical oxygen (0) are provided.
  • a solid material such as Ca can be made into an atomic state by putting a chalcogen compound of these metals into a cell.
  • the cells 2a to 2d for holding solids are not shown, but are provided in each of them so that the solid source can be atomized and evaporated by heating.
  • the coil is activated by an RF (high frequency) coil 8.
  • RF high frequency
  • an element having an incomplete p-electron shell in the outermost shell, and an n-type dopant material, a solid source having a purity of 99.99999% is atomized, and an active state is formed by the above-described radical cell to form an atomic 0. Use it with a dagger.
  • elements having Ca, 0 or an incomplete p-electron shell in the outermost shell can be made into atomic form by irradiating a molecular gas with electromagnetic waves in the microwave region.
  • X 10- 5 Pa further Li of p-type dopant at a atomic p-type dopant, Na, K, Rb, Cs , Fr, N, P, As, Sb, Bi , and more at 6.40 X 10- 5 Pa, also, B, C, N, 0, or atomic incomplete 2p electronic element having an shell 1.53 X 10- 5 Pa, such as F, while at the same time flowing over the substrate 5, board temperature 250- 750 °
  • a CaO thin film 6 with C an element having an incomplete P electron shell in the outermost shell is added during film formation.
  • a desired magnetic state can be produced based on the design.
  • a MBE molecular beam epitaxy
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • a film can be formed in a non-equilibrium state, and an element having an incomplete P electron shell in the outermost layer at a desired concentration is doped at a high concentration.
  • the method of growing the film is not limited to these methods, and targets activated alkaline earth chalcogen compound solids and elemental solids with an incomplete P-electron shell in the outermost shell are used, and the activated dopant is sprayed onto the substrate.
  • a thin film can also be formed by a laser abrasion method in which a film is formed while being applied.
  • FIG. 2 shows a change in the ferromagnetic transition temperature (Tc (K)) when the concentration of C or N dissolved in CaO (impurity concentration at%) is changed.
  • Figure 3 shows the B, C, or N concentration (impurity concentration at%), the total energy in the antiferromagnetic spin glass state, and the total energy in the ferromagnetic state when B, C, or N is dissolved in CaO.
  • ⁇ E meanV
  • Positive values indicate that the ferromagnetic state is stable, and negative values indicate that the antiferromagnetic spin-glass state is stable. From the difference ⁇ E between the total energy of the antiferromagnetic spin glass state and the total energy of the ferromagnetic state in CaO shown in Fig. 3, only the substance with the incomplete outermost p-electron shell forms a solid solution alone. Only to show ferromagnetism can help.
  • the CaO thin film in which C or N is dissolved as shown in FIG. 3 shows that the antiferromagnetic spin glass state energy and The energy difference ⁇ E per element with an incomplete P electron shell in the ferromagnetic state is 0.2521 x 13.6 meV and 0.1720 x 13.6 meV, respectively, which indicates that it shows stable ferromagnetism.
  • FIG. 4 shows the electronic density of states of C in the case where 5 at% of C is dissolved with respect to 0 of CaO.
  • the horizontal axis shows the energy for Fermi energy, and the vertical axis shows the density of states (number of states / cell eV).
  • Fig. 5 shows the electrons of N when 5 at% N is dissolved in CaO Indicates the density of states.
  • FIG. 6 shows the electronic state density of Si in a case where 3 at% of Si is dissolved with respect to 0 of CaO. Each of them shows a half-metallic state (upward spin force S metal and downward spin semiconductor).
  • ferromagnetism As a solid solution concentration, ferromagnetism is exhibited even at a few at%, and at most lat% to 25 at% which does not impair crystallinity and transparency, it is easy to obtain sufficient ferromagnetism. It is also possible to form a solid solution of at least one element with an incomplete p-electron shell in the outermost shell of a higher concentration.If the solid solubility limit is exceeded, the original crystallinity of the compound is lost May be undesirable. There is no need to use only one kind of element that has an incomplete p-electron shell in the outermost shell. As described later, two or more kinds can be dissolved.
  • an element having an incomplete outermost p-electron shell was dissolved in the CaO compound, but BeO, BeS Be BeSe ⁇ BeTe, MgO, MgS ⁇ MgSe ⁇ MgTe ⁇ instead of CaO.
  • the band gap size is large. It can control and change the wavelength of the transmitted light.
  • the half-metal state is, as shown in Fig. 416, an electronic state exists in only one spin state in the Fermi level, and a state having an opposite spin opens a band gap and opens the Fermi level. State cannot exist, and the electron is 100% spin-polarized and travels throughout the material.Therefore, complete spin is achieved by spin injection into another material or by sandwiching an insulator with this material. It can be an indispensable material when developing devices related to magnetic memories and arithmetic devices that use polarization.
  • the mixed crystal is formed by an element having an incomplete p-electron shell in the outermost shell, 0 2 — It is replaced with B 2 —, C 2 —, N 2 —, etc. that have an incomplete P electron shell in the outer shell, and maintains the rock salt structure.
  • elements such as B, C, or N, which have an incomplete p-electron shell in the outermost shell, have an electronic structure in which electrons and holes travel through impurity bands formed in a large band gap. As shown in Fig. 3, the outermost shell without doping holes or electrons has an imperfect p-electron shell. The ferromagnetic state is stabilized while the element is doped.
  • the half-metal transparent ferromagnetic CaO-based compound has a large magnetic moment at C of 1.30 ⁇ 9.274 ” ⁇ (1.30 / ⁇ (bore).
  • a spin-polarized transparent ferromagnetic magnet is obtained.
  • the amount of holes or electrons can be changed, and the ferromagnetic state can be changed.
  • the electrons and holes introduced by the ⁇ -type dopant or the ⁇ -type dopant cause the P orbital of the element having an incomplete P electron shell in the outermost shell formed in the band gap of CaO and the p orbital of CaO. It enters a strongly hybridized impurity band, changes its ferromagnetic state, and changes its ferromagnetic transition temperature.
  • electrons are supplied by doping with an n-type dopant.
  • FIG. 7 shows the relationship between the hole concentration (%) and electron concentration (%) and the Curie temperature (K) when p-type and n-type dopants are doped.
  • the introduction of a large amount of holes destabilizes the ferromagnetism.
  • the ferromagnetism disappears, so that the ferromagnetic characteristics can be adjusted.
  • a solid solution of an element with an incomplete p-electron shell in the outermost shell, such as B shows a spingus state.
  • doping holes stabilizes the ferromagnetic state.
  • the ferromagnetic transition temperature rises and can be brought into a ferromagnetic state, and the ferromagnetic transition temperature can be adjusted by changing the hole concentration, that is, the concentration of the p-type dopant.
  • Sc, Y, F, Cl, Ba, and I can be used as the n-type dopant, and these chalcogenide conjugates can also be used as doping materials.
  • the donor concentration is preferably 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more.
  • doping to about 10 2 Q —10 21 cm— 3 corresponds to about 110 at% of the above-mentioned solid solution concentration.
  • the p-type dopant Li KNa, K, Rb, Cs, Fr, N, P, As, Sb, and Bi can be used as described above. In this case, the p-type dopant is hard to be doped, but the p-type concentration can be increased by simultaneously doping the n-type dopant slightly.
  • FIGS. 8 to 11 show examples of alkaline earth and chalcogen compounds such as MgO, SrO, and BaO, and the outermost shell as an example.
  • the figure shows the case where C, an element with a perfect p-electron shell, is dissolved.
  • Figure 8 shows the change in ferromagnetic transition temperature (T (K)) when the concentration of C dissolved in MgO, SrO, or BaO was changed.
  • T (K) ferromagnetic transition temperature
  • FIG. 9 shows the electronic density of states when 5 at% of C is dissolved in MgO.
  • Figure 10 shows the electronic density of states when 5 at% of C is dissolved in SrO.
  • Figure 11 shows the electronic density of states when 5 at% of C is dissolved in BaO.
  • the horizontal axis shows the energy with respect to the Fermi energy
  • the vertical axis shows the state density (number of states / cell eV). It shows a half-metallic state (the spin is upward and the downward spin is a semiconductor).
  • the C concentration of MgO is 0.5 at% or more and 6 at% or less
  • that of SrO and BaO is 5 at% or more and 25 at% or less.
  • FIG. 12 shows that Si, Ge, which is an element having an incomplete P electron shell in the outermost shell such as Si, Ge, is alkali Impurity concentration (at%) of chalcogen compound dissolved in KS and total energy of antiferromagnetic spin glass state
  • Fig. 13 shows the ferromagnetic transition temperature (Curie when the concentration of Si and Ge dissolved in K S was changed).
  • Fig. 14 shows the results obtained by dissolving 10 at% of Si in K
  • Figure 15 shows a solid solution of 10 at% of Si in KS. Tokiden
  • the horizontal axis shows the energy with respect to the Fermi energy, and the vertical axis shows the state density (number of states / cell eV). It shows a half metallic state (upward spin catalel and downward spin is semiconductor).
  • concentration of Si and Ge be 5 at% or more and 25 at% or less.
  • the entire ferromagnetic state is controlled by the kinetic energy of holes or electrons introduced by an element having an incomplete p-electron shell in the outermost solid solution. Energy can be changed and introduced to reduce its total energy Therefore, the ferromagnetic state can be stabilized.
  • the magnitude and sign of the magnetic interaction between atoms is greatly changed by the introduced holes or electrons, and by controlling these by the holes or electrons, the ferromagnetic state can be stabilized or conversely. It is possible to destabilize or lose the ferromagnetism and turn into an antiferromagnetic spin glass state.
  • the transparent ferromagnetic conjugate of the present invention can be obtained by combining with ZnO, a transparent conductive oxide (TCO), and an optical fiber which are already used as n-type and p-type transparent electrodes.
  • Quantum computer-Large-capacity magneto-optical recording, and as a photoelectron material from visible light to ultraviolet region, can be applied to high-performance information communication and quantum computers.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an example of an apparatus for forming a completely spin-polarized transparent ferromagnetic single crystal thin film of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing a change in ferromagnetic transition temperature (Tc (K)) when the concentration of C or N dissolved in CaO is changed.
  • FIG. 3 is a graph showing the energy difference AE (meV) between the total energy in the antiferromagnetic spin glass state and the total energy in the ferromagnetic state when B, C, or N is dissolved in CaO.
  • FIG. 4 is a diagram showing an electronic density of states of C in CaO.
  • FIG. 5 is a view showing an electronic state density of N in CaO.
  • FIG. 6 is a diagram showing the electronic state density of Si in CaO.
  • FIG. 7 Strength when Ca is dissolved in CaO and n-type and p-type dopants are added.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a change in a magnetic transition temperature (Curie temperature (K)).
  • FIG. 9 is a graph showing an electronic state density (state number / cell eV) when 5 at% of C is dissolved in MgO.
  • FIG. 10 is a diagram showing an electronic state density (state number / cell eV) when 5 at% of C is dissolved in SrO.
  • FIG. 1 l is a diagram showing the electronic state density (state number / cell eV) when 5 at% of C is dissolved in BaO.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a change in ferromagnetic transition temperature (Curie temperature (K)) of the ferromagnetic layer.
  • Figure 15 Diagram showing the electronic density of states (number of states / celleV) when 10 at% Si is dissolved in KS.

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Abstract

　アルカリ土類・カルコゲン化合物、アルカリ・カルコゲン化合物、I-VII族化合物、II-VI族化合物、III-V族化合物、IV-VI2族化合物、IV-IV族化合物、II-VII2族化合物の群から選ばれる化合物であって、B、C、N、O、F、Si、Geなどの最外殻に不完全なp電子殻を持つ少なくとも１種の元素を固溶していることで、強磁性転移温度が室温以上であることを特徴とする光を透過しながら高い強磁性特性を有する単結晶の透明強磁性化合物。これらの最外殻に不完全なp電子殻を持つ元素の濃度の調整、アクセプターおよびドナーの添加などにより価電子制御を行いその強磁性特性を調整する。

Description

明 細 書
遷移金属又は稀土類金属などの磁性不純物を含まず、不完全な殻を持 つ元素を固溶した透明強磁性化合物及びその強磁性特性の調整方法 技術分野
[0001] 本発明は、ワイドバンドギャップを持ち、透明な化合物に強磁性特性を実現させた 単結晶のワイドバンドギャップィ匕合物及びその強磁性特性の調整方法に関する。さら に詳しくは、大きな磁気光学効果を有し、所望の強磁性特性、例えば、強磁性転移 温度などが得られる透明強磁性ワイドバンドギャップ化合物及びその強磁性特性の 調整方法に関する。
背景技術
[0002] 従来の磁性不純物として 3d遷移金属、 4d遷移金属、 5d遷移金属、又はランタン系 稀土類金属元素を固溶した透明強磁性材料 (特許文献 1一 7、非特許文献 1一 5)は d電子又は f電子の殻内電子励起により特定の可視光領域の光の吸収が生じる。
[0003] アルカリ土類.カルコゲン化合物は無色.透明であり、そのバンドギャップ（Eg)が
3eV以上と大きぐ可視領域から紫外光、さらには超紫外光の波長の光でも透過する という性質を有すると共に、そのエキシトンの結合エネルギーが大きぐこの材料で大 きなスピン'軌道相互作用をする強磁性材料が得られれば、スピンの自由度を利用し たスピントランジスターや光アイソレータ、又はコヒーレントなスピン状態を利用した光 量子コンピュータなどの光量子デバイス作製や量子情報処理のためのデバイス開発 に大きな発展が期待される。
[0004] しかし、従来はアルカリ土類 ·カルコゲンィ匕合物などのワイドバンドギャップィ匕合物に 最外殻に不完全な P殻を持つ元素をドープした完全スピン分極透明強磁性状態の例 はなぐ高い強磁性転移温度 (キューリ一点）をもつアルカリ土類'カルコゲン化合物 などのワイドバンドギャップ化合物の強磁性状態の実現は報告されて 、な!/、。
[0005] 特許文献 1：特開 2001-72496号公報
特許文献 2：特開 2001-130915号公報
特許文献 3：特開 2002-255695号公報 特許文献 4：特開 2002-255698号公報
特許文献 5：特開 2002-260922号公報
特許文献 6：特開 2003-318026号公報
特許文献 7：特開 2003-137698号公報
^^特干文献 1：「Material Design of uaN-Based Ferromagnetic Diluted Magnetic SemiconductorsJ Kazunori Sato and Hirosni Katayama— Yoshida'Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40,(2001) pp. L485-L487
非特許文献 2：「Stabilization of Ferromagnetic States by Electron Doping in Fe— ,Co— ,or Ni— doped ZnO」 Kazunori Sato and Hiroshi Katayama- Yoshida, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40, (2001) pp. L334— L336
非特許文献 3：「4d遷移金属ドープによる Π-VI族および m-v族強磁性半導体の探索 」清家聖嘉,吉田博,応用物理学関係連合講演会講演予稿集
,Vol.50,(2003.03.27)No.l,p.525
非特許文献 4 :「4d遷移金属ドープによるハーフメタリック透明強磁性半導体マテリア ルデザイン」清家聖嘉,柳瀬章,吉田博,応用物理学会学術講演会講演予稿集 ,Vol.64, (2003.08.30)No.l,p.415
非特許文献 5 :「 δドーピングと同時ドーピングによる強磁性転移温度上昇法のデザ イン」大石雄紀, VANAND,吉田博,応用物理学会学術講演会講演予稿集 , Vol.64, (2003.08.30)No.l,p.416
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
光を透過しながら高い強磁性特性を有する単結晶の強磁性化合物薄膜が得られ れば、これらの磁気光学効果を利用して、大量の情報伝達に必要な光アイソレータ や光による高密度磁気記録が可能になり、また、電子の持っている電荷の自由度に カロえてスピンの自由度と光を積極的に利用した将来の大容量 ·超高速 ·超省エネル ギ一の情報伝達に必要なデバイスに応用する電子光磁気材料を作製することができ る。さらに、巨大な磁気光学効果を持ち、しかも、光を透過しながら強磁性を有する完 全スピン分極透明強磁性材料が望まれて 、る。 [0007] 前述のように、アルカリ土類 ·カルコゲンィ匕合物などの化合物を用いて、可視領域の 光を通し、磁気光学効果を利用する安定した透明強磁性特性が得られれば、半導 体レーザなどの発光素子と組み合わせて利用することができ、磁気状態を反映させ た円偏光した光を発生させることができ、大きなスピン'軌道相互作用による巨大な磁 気光学効果を利用する磁気光学スピンデバイス応用が、光情報通信やスピンエレク トロ-タスへと広がる。さら〖こ、磁化の円偏向特性を利用して磁化状態を読み取る強 磁性体メモリを構成する場合、強磁性転移温度 (キュリー温度)を光の照射により磁 性状態が変化するような温度 (室温よりわずかに高い温度）に設定するなど、強磁性 特性が所望の特性になるように作製できる必要がある。
課題を解決するための手段
[0008] 本発明は、光を透過するワイドバンドギャップィ匕合物を用いて、完全スピン分極した 透明強磁性ィ匕合物を提供する。また、本発明は、透明強磁性化合物を作製するに当 り、例えば、強磁性転移温度などの、その強磁性特性を調整することができる透明強 磁性化合物の強磁性特性を調整する方法を提供する。
[0009] ここで!/、うワイドバンドギャップ化合物とは、大きなバンドギャップを持つアルカリ土 類.カルコゲン化合物 (CaO,MgO,SrO,BaOなど)、アルカリ 'カルコゲン化合物（K S,Li
2
0など）、 I-VII族化合物 (NaCl,KClなど)、 II-VI族化合物 (ZnO,ZnSなど)、 III-V族化合
2
物（GaN,GaAsなど）、 IV-VI族化合物（SiO ,GeOなど）、 IV-IV族化合物（SiGe,GeC
2 2 2
など）、 II-VII族化合物（CaF ,CaClなど)などを指す。以下では、具体例としてアル
2 2 2
カリ土類'カルコゲンィ匕合物（CaO,CaS,CaSe,CaTeなど）の場合を説明する力 以下 の技術は前述の全てのワイドバンドギャップ化合物の場合に応用することができる。
[0010] 本発明者らは、光を透過する材料として特に適したワイドバンドギャップを持ち、し 力も格子定数が大きいアルカリ土類'カルコゲンィ匕合物を用い、強磁性特性を有する 単結晶を得るため鋭意検討を重ねた結果、最外殻に不完全な p殻を持つ元素（ B,C,N,0,F,Si,Geなど）は、非平衡結晶成長法により低温でカルコゲン原子の 25原子 %程度までを置き換え (混晶形成)ても十分に単結晶が得られることを見出した。
[0011] そして、例えば、 C及び Nをアルカリ土類 ·カルコゲンィ匕合物に固溶させると、電子状 態の変化力 ホール又は電子をドープする（電子を増やしたり減らしたりする）ことに より、通常は強磁性状態を示さない最外殻に不完全な P電子殻を持つ元素によって 強磁性が得られることを見出した。
[0012] すなわち、最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素をアルカリ土類 'カルコゲンィ匕合 物に固溶させることにより、 P電子にホールや電子を添加したのと同様の効果が得ら れるので、アルカリ土類'カルコゲンィ匕合物に最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素 単体を固溶させるだけで安定した完全スピン偏極透明強磁性状態にすることができ ることを見出した。
[0013] そして、本発明者らが、さらに鋭意検討を重ねた結果、 B、 C、 N、 0、 F、 Si、 Geなど の最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素は、高スピン状態となり、その固溶濃度を変 化させたり、これらの 2種類以上の元素の組合せや、その固溶濃度の割合を変えたり 、 n型及び Z又は P型のドーパントを添加したりすることにより、強磁性転移温度を変え 得ること、反強磁性やスピングラス状態及び常磁性状態よりも強磁性状態を安定化さ せ得ること、その強磁性状態のエネルギー (例えば、僅かの差でスピングラス状態又 は常磁性状態になるが、通常は強磁性状態を維持するエネルギー）を調整し得るこ と、固溶した元素の種類により最低透過波長が異なり、 2種類以上の元素を選択的に 固溶して混晶を形成することにより、所望のフィルタ機能を持たせ得ること、を見出し た。
[0014] さらに、これらの最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素の固溶濃度や 2種類以上 の元素の混合割合を調整することにより、所望の磁気特性を有する単結晶性で、 つ、完全スピン分極透明強磁性 (一方のスピン状態にバンドギャップがあり他方のス ピンだけが遍歴する状態でノヽーフメタリック強磁性とも 、う）のアルカリ土類'カルコゲ ン化合物が得られることを見出した。
[0015] 本発明による完全スピン偏極透明強磁性アルカリ土類'カルコゲンィ匕合物は、アル カリ土類'カルコゲンィ匕合物に、最外殻に不完全な p電子殻を持つ少なくとも 1種の元 素が含有されている。ここに、アルカリ土類'カルコゲンィ匕合物とは、アルカリ土類金 属 (Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra)とカルコゲン原子 (0,S,Se,Te)とからなる化合物、具体例として は（BeO,BeS,BeSe,BeTe,MgO,MgS,MgSe,MgTe,CaO,CaS,CaSe,CaTe,SrO,SrS, SrSe,SrTe,BaO,BaS,BaSe,BaTe,RaO,RaS,RaSe,RaTe)などである。 [0016] 上記化合物の格子定数は大き!/、ので不純物の軌道と母体原子の軌道の混成が弱 ぐ前述の最外殻に不完全な P殻を持つ元素は 0、 S、 Se、 Teなどのカルコゲン原子を 置換することができ、非平衡結晶成長法により 250°C程度の低温で 25at%位まで置換 しても同じ結晶構造の単結晶を維持すると共に、その透明性を維持しながら、同じ結 晶構造で完全スピン偏極強磁性の性質を呈する。
[0017] 前記最外殻に不完全な p電子殻を持つ少なくとも 2種の元素が含有されることにより 、前記最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素に起因する不純物 p電子状態が、母体 となる化合物の原子軌道と混成し、幅の狭 、不純物バンドを形成するため大きな電 子相関効果が得られ、強磁性となり、しかも完全スピン分極透明強磁性状態を実現 する。これらの化合物に対してホール又は電子をドープするよりも直接的に強磁性特 性が変化し、強磁性転移温度などの強磁性特性を調整することができる。強磁性転 移温度は、室温以上で作動するスピンエレクトロニクスへの応用を考えると 300度 K以 上になるようにすることが、実用上好ましい。
[0018] n型ドーパント及び p型ドーパントの少なくとも一方がドーピングされると、ドープされ たキャリア一はバンドギャップ中に形成された幅の狭い不純物バンドに入るため、ド ープした最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素の p電子不純物状態の占有電子数 を変えることができ、不純物バンドを形成している p電子の価電子制御により、その強 磁性特性を調整することができる。
[0019] 本発明によるアルカリ土類'カルコゲンィ匕合物の強磁性特性の調整方法は、下記 の（1)又は（2)により行う。
(1)前記のようなアルカリ土類'カルコゲン化合物に、前記の最外殻に不完全な p殻を 持つ少なくとも 1種の元素を固溶し、固溶した元素の濃度の調整、
(2)さらに、 n型ドーパント又は p型ドーパントの少なくとも一方を添加し、添加したドー パントの濃度の調整。
[0020] 具体的には、前記濃度 (少なくとも一種の最外殻に不完全な p殻を持つ元素及びド 一パントの濃度)の調整により、強磁性転移温度を所望の温度に調整することができ 、また、前記少なくとも 1種の最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素及びドーパントを 固溶させ、強磁性の安定ィ匕エネルギーを調整すると共に、少なくとも 1種の最外殻に 不完全な P電子殻を持つ元素又はドーパント自身により導入されたホール又は電子 による運動エネルギーによって全エネルギーを低下させることにより、強磁性状態を 安定化させることができ、また、少なくとも 1種の最外殻に不完全な p電子殻を持つ元 素及びドーパントを固溶させ、元素自身により導入されたホール又は電子によって、 元素間の磁気的相互作用の大きさと符号を制御することにより、強磁性状態を安定 ィ匕させることができる。
[0021] さらに、前記最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素力 選ばれる少なくとも 1種の 元素及びドーパントを固溶させ、固溶された元素自身により導入されたホール又は電 子によって、原子間の磁気的相互作用の大きさと符号を制御すると共に、不完全な p 電子殻を持つ元素の固溶による光の透過特性を制御することにより、所望の光フィル タ特性を有する完全スピン分極透明強磁性のアルカリ土類 ·カルコゲンィ匕合物とする ことができる。
発明の効果
[0022] 本発明によれば、アルカリ土類 ·カルコゲンィ匕合物等に B、 C、 N、 0、 F、 Si、 Geなど の最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素を固溶させるだけで、完全スピン分極透明 強磁性単結晶が得られる。
発明を実施するための最良の形態
[0023] 次に、図面を参照しながら本発明の完全スピン分極透明強磁性ィ匕合物、その製造 方法及びその強磁性特性の調整方法にっ ヽて、アルカリ土類'カルコゲンィ匕合物を 具体例として説明をする。大きなバンドギャップを持ち、かつ大きな格子常数を持つ アルカリ土類'カルコゲンィ匕合物に関する以上の技術は、アルカリ 'カルコゲン化合物
、 ι-νπ族化合物、 π-νι族化合物、 m-v族化合物、 ιν-νι 2族化合物、 ιν-ιν族化合物
、 II-VII 2族化合物などのアルカリ土類 ·カルコゲンィ匕合物以外の大きなバンドギャップ
、格子常数を持つ化合物全般に対しても応用できる。
[0024] 本発明の完全スピン分極透明強磁性アルカリ土類'カルコゲンィ匕合物は、アルカリ 土類'カルコゲンィ匕合物に、最外殻に不完全な p電子殻を持つ少なくとも 1種の元素 が固溶されて 、る。このような最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素を固溶するアル カリ土類'カルコゲンィ匕合物の薄膜を成膜するには、例えば、 MBE法を使用する。図 1に、 MBE法に用いる装置の概略図を示すように、 1.33 X 10— bPa程度の超高真空を 維持できるチャンバ一 1内の基板ホルダー 4に、例えば、 SiC、 SiOやサファイアなど
2
カゝらなる基板上に CaOなどのアルカリ土類'カルコゲンィ匕合物を成長させる基板 5を 設置し、ヒータ 7により基板 5を加熱できるようになって 、る。
[0025] そして、基板ホルダー 4に保持される基板 5と対向するように、成長する化合物を構 成する元素の材料（ソース源） Caを入れたセル 2a、 B、 C、 N、 0、 F、 Si、 Geなどの最外 殻に不完全な p電子殻を持つ元素を入れたセル（1個し力示されて 、な 、が、 2種類 以上を固溶させる場合は 2個以上設けられている）2b、 n型ドーパントの Sc、 Y、 F、 Cl、 Baゝ Iなどを入れたセノレ 2cゝ p型ドーノ ン卜の Uゝ Naゝ Kゝ Rbゝ Csゝ Frゝ Nゝ Pゝ Asゝ Sbゝ Bi などを入れたセル 2d、ラジカル酸素（0)を発生させる RFラジカルセル 3aが設けられ ている。なお、 Caなどの固体原料はこれらの金属のカルコゲン化合物をセルに入れ て原子状にすることもできる。
[0026] なお、固体（単体）を入れるセル 2a— 2dは、図示されていないが、それぞれに設け られ、加熱により固体ソースを原子状にして蒸発させられる様になっており、ラジカル セル 3aは、図 1に示されるように RF (高周波）コイル 8により活性ィ匕させている。この Ca 、最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素及び n型ドーパント材料としては、純度 99.99999%の固体ソースを原子状にし、また原子状の 0をつくるため前述のラジカル セルにより活性ィ匕して使用する。なお、 Ca、 0や最外殻に不完全な p電子殻を持つ元 素は分子ガスにマイクロ波領域の電磁波を照射することにより原子状にすることもで きる。
[0027] そして、 CaOを成長させながら、 n型ドーパントの Sc、 Y、 F、 Cl、 Ba、 Iなどを流量 1.53
X 10— 5Paで、さらに p型ドーパントである原子状 p型ドーパントの Li、 Na、 K、 Rb、 Cs、 Fr 、 N、 P、 As、 Sb、 Biなどを 6.40 X 10— 5Paで、また、 B、 C、 N、 0、又は Fなどの原子状の 不完全な 2p電子殻を持つ元素を 1.53 X 10— 5Paで、同時に基板 5上に流しながら、基 板温度 250— 750°Cで CaO薄膜 6を成長することにより、成膜時に、最外殻に不完全 な P電子殻を持つ元素を添加する。このようにして強磁性状態とスピングラス状態を示 す透明強磁性半導体について原子種を変えることにより所望の磁性状態をデザイン に基づ!/、て作製することができる。 [0028] 前述の例では、最外殻に不完全な p電子殻を持った元素を含むアルカリ土類'カル コゲンィ匕合物の薄膜を成膜する方法として、 MBE (分子線エピタキシー)装置を用い たが、 MOCVD (有機金属化学気相成長)装置でも同様に成膜することができる。
[0029] このような MBE法や MOCVD法などを用いれば、非平衡状態で成膜することができ 、所望の濃度で最外殻に不完全な P電子殻を持つ元素を高濃度にドーピングするこ とができる。成膜の成長法としては、これらの方法に限らず、アルカリ土類'カルコゲン 化合物固体、最外殻に不完全な P電子殻を持つ元素固体をターゲットとし、活性化し たドーパントを基板上に吹きつけながら成膜するレーザ'アブレーシヨン法でも薄膜を 成膜することができる。
[0030] 以上の説明では、 n型ドーパントや p型ドーパントをドーピングする例で説明して 、る 力 後述の図 2、図 3に示す例及び後述する表 1及び表 2に示す例は、いずれのドー パントもドーピングしないで、 C、又は Nを含む最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素 のみを固溶させた例である。
[0031] 図 2に、 CaOに固溶させる C又は Nの濃度 (不純物濃度 at%)を変えたときの強磁性 転移温度 (Tc (K) )の変化を示す。図 3に、 B、 C、又は Nを CaOに固溶させたときの B 、 C、又は Nの濃度 (不純物濃度 at%)と反強磁性スピングラス状態の全エネルギーと 強磁性状態の全エネルギーとの差 Δ E (meV)を示す。正の値は強磁性状態が安定 であることを示し、負の値は、反強磁性スピングラス状態が安定であることを示してい る。図 3に示される CaOにおける反強磁性スピングラス状態の全エネルギーと強磁性 状態の全エネルギーとの差 Δ Eから、最外殻に不完全な p電子殻を持つ物質のみを 単独で固溶させるだけで強磁性を示すことが分力る。
[0032] このようにして、 C、又は Nを固溶させた CaO薄膜は、図 3に示されるように、 C、又は Nが 5at%固溶された時に、反強磁性スピングラス状態エネルギーと強磁性状態にお ける不完全な P電子殻を持つ元素あたりのエネルギーの差 Δ Eがそれぞれ 0.2521 X 13.6meV、 0.1720 X 13.6meV大きく、安定な強磁性を示していることが分力る。
[0033] 図 4に、 CaOの 0に対して Cを 5at%固溶した場合の Cの電子状態密度を示す。横 軸にフェルミエネルギーに対するエネルギーを、縦軸に状態密度 (状態数/ cell eV) を示している。同様に、図 5に、 CaOの 0に対して Nを 5at%固溶した場合の Nの電子 状態密度を示す。同様に、図 6に、 CaOの 0に対して Siを 3at%固溶した場合の Siの 電子状態密度を示す。いずれも、ハーフメタリック（上向きスピン力 Sメタルで下向きスピ ンは半導体)状態を示している。固溶濃度としては、数 at%でも強磁性を示し、また、 多くしても結晶性及び透明性を害することがなぐ好ましくは lat%— 25at%であれば 、充分な強磁性を得やすい。それ以上多くの濃度の最外殻に不完全な p電子殻を持 つ少なくとも 1種の元素を固溶させることも可能である力 固溶限を超えると、化合物 のもともとの結晶性が失われることがあり、好ましくない。この最外殻に不完全な p電子 殻を持つ元素は 1種類である必要はなぐ後述するように 2種類以上を固溶すること ができる。
[0034] この例では、 CaO化合物に最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素を固溶させたが 、 CaOの代わりに BeO、 BeSゝ BeSeゝ BeTe、 MgO、 MgSゝ MgSeゝ MgTeゝ CaO、 CaS、 CaSeゝ CaTeゝ SrO、 SrSゝ SrSeゝ SrTeゝ BaO、 BaSゝ BaSeゝ BaTeゝ RaO、 RaSゝ RaSe、 RaTe (以下 CaO系化合物とよぶ）などの化合物では、バンドギャップの大きさが制御 でき、透過する光の波長を変化させることができる。これらは最外殻に不完全な p電子 殻を持つ元素を固溶させた CaOと同じように完全スピン分極 (ハーフメタル)透明強磁 性半導体となり単結晶が得られる。
[0035] ハーフメタル状態とは、図 4一 6に示したように、フェルミ準位において一方のスピン 状態だけに電子状態が存在し、逆向きスピンを持つ状態はバンドギャップが開きフエ ルミ準位における状態が存在する事ができず、従って電子は 100%スピン分極したも のが物質の中を遍歴するため、他の物質へのスピン注入や絶縁体を本物質でサンド イッチする事により完全スピン分極を利用した磁気メモリや演算装置に関するデバイ スを開発するときには不可欠の材料となることができる。
[0036] 本発明の完全スピン分極ノヽーフメタル透明強磁性 CaO系化合物によれば、 0最外 殻に不完全な p電子殻を持つ元素で混晶が形成されているため、 02—が最外殻に不 完全な P電子殻を持つ B2—、 C2—、 N2—などと置換されて、岩塩構造を維持する。しかも、 B、 C、又は Nなどの最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素は、電子やホールが大き なバンドギャップ中にできた不純物バンドを遍歴する電子構造になっており、図 3に 示されるように、ホールや電子をドープすることなぐ最外殻に不完全な p電子殻を持 つ元素をドープした状態のままで強磁性状態が安定化する。
[0037] しかも、このハーフメタル透明強磁性 CaO系化合物は、後述する表 1及び表 2にも 示されるように、その磁気モーメントが大きぐ Cで 1.30 Χ 9.274』ΖΤ(1.30 /ζ (ボーァ
Β
磁子）） Νで 0.631 Χ 9.274』ΖΤ (0.631 /ζ )の磁気モーメントを持ち、強ぐし力も、完全
Β
スピン分極した透明強磁性磁石が得られる。
[0038] η型ドーパント又は ρ型ドーパントをドープすると、ホール又は電子の量を変化させる ことができ、その強磁性状態を変化させることができる。この場合、 η型ドーパント又は ρ型ドーパントにより導入された電子やホールは、 CaOのバンドギャップ中に形成され る最外殻に不完全な P電子殻を持つ元素の P軌道と CaOの p軌道の強く混成した不純 物バンドに入り、その強磁性状態を変化させ、強磁性転移温度にも変化を与える。例 えば、 n型ドーパントをドープすることにより、電子を供給したことになる。
[0039] 例えば、 n型ドーパント又は p型ドーパント（ホールをドープする）のドーピングによる 反強磁性スピングラス状態の全エネルギーと強磁性状態の全エネルギー差である Δ Eの変化が顕著である C、 Nの場合を例にして、図 7に、 p型及び n型ドーパントをドー プしたときのホール濃度（％)及び電子濃度（％)とキュリー温度 (K)の関係を示す。
[0040] このように大量のホールの導入により強磁性が不安定化、一方、 n型ドーパントによ り電子をドープすると強磁性が消失するので、その強磁性特性を調整することができ る。一方、 Bなどの最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素を固溶した物質はスピング ラス状態を示すが、 C、 Nとは逆にホールをドープすることによって強磁性状態を安定 化して強磁性転移温度が上昇し、強磁性状態にさせることができ、強磁性転移温度 をホール濃度、すなわち p型ドーパントの濃度を変えることによって調整できる。
[0041] n型ドーパントとしては、 Sc、 Y、 F、 Cl、 Ba、 Iを使用することができ、ドーピングの原料 としては、これらのカルコゲンィ匕合物を使用することもできる。また、ドナー濃度として は、 1 X 1018cm— 3以上であることが好ましい。例えば 102Q— 1021cm— 3程度にドープすれ ば、前述の固溶濃度の 1一 10at%程度に相当する。また、 p型ドーパントとしては、前 述のように Liゝ Na、 K、 Rb、 Cs、 Fr、 N、 P、 As、 Sb、 Biを用! /、ること力 ^できる。この場合、 p 型ドーパントはドーピングしにくいが、 n型ドーパントを同時に僅かにドーピングするこ とにより、 p型濃度を大きくすることができる。 [0042] 以上、 CaOを例として説明した力 CaO以外の CaO系化合物を利用した例として、 図 8ないし図 11に、アルカリ土類.カルコゲン化合物の MgO、 SrO又は BaOに、最外 殻に不完全な p電子殻を持つ元素である Cを固溶させた場合を示す。図 8は、 MgO、 SrO又は BaOに固溶させる Cの濃度を変えたときの強磁性転移温度 (T (K))の変化を
C
示す。図 9に、 MgOに Cを 5at%固溶させたときの電子状態密度を示す。図 10に、 SrO に Cを 5at%固溶させたときの電子状態密度を示す。図 11に、 BaOに Cを 5at%固溶さ せたときの電子状態密度を示す。図 9一図 11において、横軸にフェルミエネルギー に対するエネルギーを、縦軸に状態密度 (状態数 /cell eV)を示している。ハーフメタ リック (上向きスピンカ^タルで下向きスピンは半導体)状態を示して!/、る。高 、強磁性 転移温度を実現するためには、 MgOについては C濃度を 0.5at%以上 6at%以下、 SrO及び BaOについては C濃度を 5at%以上 25at%以下とするのが望ましい。
[0043] 以上、アルカリ土類 ·カルコゲンィ匕合物を例として説明したが、図 12に、 Si,Geなどの 最外殻に不完全な P電子殻を持つ元素である Si,Geをアルカリ 'カルコゲン化合物の K Sに固溶させたときの不純物濃度 (at%)と反強磁性スピングラス状態の全エネルギー
2
と強磁性状態の全エネルギーとのエネルギー差 AE(meV)の関係を示す。正の値は 強磁性状態が安定であることを示し、負の値は、反強磁性スピングラス状態が安定で あることを示している。
[0044] 図 13に、 K Sに固溶させる Si、 Geの濃度を変えたときの強磁性転移温度 (キュリー
2
温度 (K))の変化を示す。図 14に、 K Sに Siを 10at%固溶させたものに、さらに n型及び
2
p型のドーパントを添加したときのホール濃度（％)及び電子濃度（％)と強磁性転移 温度 (キュリー温度 (K》の関係を示す。図 15に、 K Sに Siを 10at%固溶させたときの電
2
子状態密度を示す。横軸にフェルミエネルギーに対するエネルギーを、縦軸に状態 密度 (状態数/ cell eV)を示している。ハーフメタリック（上向きスピンカ タルで下向 きスピンは半導体)状態を示している。高い強磁性転移温度を実現するためには、 Si および Geの濃度を 5at%以上 25at%以下とするのが望ましい。
[0045] 以上のように、本発明によれば固溶される最外殻に不完全な p電子殻を持った元素 自身などにより導入されたホール又は電子の運動エネルギーによって、強磁性状態 の全エネルギーを変化させることができ、その全エネルギーを低下させるように導入 するホール又は電子を調整して 、るため、強磁性状態を安定ィ匕させることができる。 また、導入されるホール又は電子によって原子間の磁気的相互作用の大きさ及び符 号が大きく変化し、そのホール又は電子によってこれらを制御することにより、強磁性 状態を安定化させたり、逆に不安定化させたりして強磁性を消失させ反強磁性スピン グラス状態にすることができる。
実施例
[0046] 最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素の濃度を変えることによる磁気特性の変化 を調べた。前述の 5at%濃度の最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素を含有させたも のの他に濃度が 15at%、 25at%のものを作製し、それぞれの磁気モーメント（ X 9.247J/T)及び強磁性転移温度 (度 K)を調べた。磁気モーメント及び強磁性転移 温度は SwUID (superconducting
quantum interference device；超伝導量子干渉素子）による帯磁率の測定から得ら れたものである。その結果が表 1及び表 2に示されている。
[0047] [表 1]
Figure imgf000014_0001
[0048] [表 2] 最外殻に不 最外殻に不 磁気モーメン 強磁性転移
完全な 2P電 完全な 2p電 ト B ) 温度（度 K)
子殻を持つ 子殻を持つ
元素の 元素の
種類 濃度（at%)
C 20 1 .31 484
N 20 0.702 413
[0049] 前述のように、最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素は、高スピン状態となり、この 表 1及び 2、ならびに図 2からも明らかなように、その濃度を変化させることにより、強 磁性的なスピン間相互作用と強磁性転移温度を調整し、制御することができることが 分かる。
産業上の利用可能性
[0050] 本発明の透明強磁性ィ匕合物は、すでに実現している n型及び p型の透明電極として 使用されている ZnOや透明伝導酸化物 (TCO)、光ファイバと組み合わせることにより 、量子コンピュータゃ大容量光磁気記録、また、可視光から紫外領域に亘る光エレク トロ-タス材料として、高性能な情報通信、量子コンピュータへの応用が可能となる。 図面の簡単な説明
[0051] [図 1]本発明の完全スピン分極透明強磁性単結晶薄膜を形成する装置の一例を示 す模式図である。
[図 2]CaOに固溶させる C又は Nの濃度を変えたときの強磁性転移温度 (Tc(K))の変化 を示す図である。
[図 3]B、 C、又は Nを CaOに固溶させたときの反強磁性スピングラス状態の全エネルギ 一と強磁性状態の全エネルギーとのエネルギー差 AE(meV)を示す図である。
[図 4]CaO中の Cの電子状態密度を示す図である。
[図 5]CaO中の Nの電子状態密度を示す図である。
[図 6]CaO中の Siの電子状態密度を示す図である。
[図 7]CaOに対して、 Cを固溶させ、さらに n型及び p型のドーパントを添カ卩したときの強 磁性転移温度 (キュリー温度 (K))の変化を示す説明図である。
[図 8]MgO、SrO又は BaOに固溶させる Cの濃度を変えたときの強磁性転移温度
(Tc(k))の変化を示す図である。
[図 9]MgOに Cを 5at%固溶させたときの電子状態密度 (状態数 /cell eV)を示す図であ る。
[図 10]SrOに Cを 5at%固溶させたときの電子状態密度 (状態数 /cell eV)を示す図であ る。
[図 1 l]BaOに Cを 5at%固溶させたときの電子状態密度 (状態数 /cell eV)を示す図で ある。
[図 12]Si、 Geを K Sに固溶させたときの反強磁性スピングラス状態の全エネルギーと
2
強磁性状態の全エネルギーとのエネルギー差 Δ E(meV)を示す図である。
[図 13]K Sに固溶させる Si、 Geの濃度を変えたときの強磁性転移温度 (キュリー温度
2
(k))の変化を示す図である。
[図 14]K Sに Siを 10at%固溶させたものにさらに n型及び p型のドーパントを添カ卩したと
2
きの強磁性転移温度 (キュリー温度 (K))の変化を示す説明図である。
[図 15]K Sに Siを 10at%固溶させたときの電子状態密度 (状態数/ celleV)を示す図で
2
ある。
符号の説明
1 チャンバ一
2a, 2b, 2c, 2d, 3a セル
4 基板ホルダー
5 基板
6 最外殻に不完全な p電子殻を持つ元素を固溶させた CaO薄膜
7 ヒータ

Claims

請求の範囲
[1] アルカリ土類 ·カルコゲンィ匕合物、アルカリ 'カルコゲンィ匕合物、 ι-νπ族化合物、 π-νι族化合物、 m-v族化合物、 ιν-νι族化合物、
2 ιν-ιν族化合物、 π-νπ族化合物
2 の群力 選ばれる化合物であって、最外殻に不完全な ρ電子殻を持つ少なくとも 1種 の元素を固溶して 、ることで、強磁性転移温度が室温以上であることを特徴とする単 結晶の透明強磁性化合物。
[2] 化合物が MgO、 CaO、 SrO、 BaOよりなる群から選ばれるアルカリ土類 'カルコゲン化 合物又は K Sからなるアルカリ 'カルコゲンィ匕合物であって、最外殻に不完全な p電子
2
殻を持つ少なくとも 1種の元素が C、 N、 Si、または Geであることを特徴とする請求項 1 記載の単結晶の透明強磁性化合物。
[3] n型ドーパント及び p型ドーパントの少なくとも一方がドーピングされて 、ることを特徴 とする請求項 1記載の透明強磁性化合物。
[4] アルカリ土類 ·カルコゲンィ匕合物、アルカリ 'カルコゲンィ匕合物、 I-VII族化合物、 π-νι族化合物、 m-v族化合物、 ιν-νι族化合物、
2 ιν-ιν族化合物、 π-νπ族化合物
2 の群から選ばれる化合物の成膜時に、最外殻に不完全な ρ電子殻をもつ少なくとも 1 種の元素を添加することを特徴とする請求項 1記載の単結晶の透明強磁性ィ匕合物の 製造方法。
[5] 請求項 4記載の方法において、固溶させる元素の濃度の調整により強磁性特性を 調整することを特徴とする単結晶の透明強磁性化合物の強磁性特性の調整方法。
[6] 請求項 4記載の方法において、成膜時にさらに η型ドーパント又は ρ型ドーパントの 少なくとも一方を前記化合物に添加することを特徴とする透明強磁性ィ匕合物の強磁 性特性の調整方法。
[7] 強磁性特性が強磁性転移温度であることを特徴とする請求項 5又は 6記載の透明 強磁性化合物の強磁性特性の調整方法。
[8] 強磁性特性の調整は、強磁性のエネルギー状態を調整するとともに、固溶させた 前記元素自身により導入されたホール又は電子によるキャリアー数の調整によってス ピングラス状態に比べて強磁性状態の全エネルギーを相対的に低下させることにより 、所望の強磁性状態をスピングラス状態に対して安定化させ、発現させることであるこ とを特徴とする請求項 5又は 6記載の透明強磁性化合物の強磁性特性の調整方法。
[9] 固溶させた前記元素自身により導入されたホール又は電子によって、原子間の磁 気的相互作用の大きさと符号を制御することにより、強磁性状態を安定化させること を特徴とする請求項 5又は 6記載の透明強磁性化合物の強磁性特性の調整方法。
[10] 固溶させた前記元素自身により導入されたホール又は電子によって、原子間の磁 気的相互作用の大きさと符号を制御するとともに、最外殻に不完全な p電子殻を持つ 元素を固溶させることによってバンドギャップの大きさを調整して光の透過特性を制 御することにより、所望の光フィルタ特性を有する強磁性ィ匕合物とすることを特徴とす る請求項 5又は 6記載の透明強磁性化合物の強磁性特性の調整方法。
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