大型放射光施設 SPring-8

公開日

2025年03月21日

2025年3月21日
東京理科大学
高輝度光科学研究センター
兵庫県立大学

➢ 鉄(Fe)-コバルト(Co)-イリジウム(Ir)合金は優れた磁気特性を有することが知られていますが、その特性の起源については未解明のままでした。
➢ 組成傾斜を有する高品質な単結晶薄膜(Fe₇₅Co₂₅)_100-xIr_x(x = 0 ~ 11%)を作製し、軟X線と硬X線^(＊1)を用いたX線磁気円二色性(XMCD)^(＊2)測定により、各元素の磁気モーメントを評価しました。
➢ XMCD測定により、Ir添加がFeやCoの軌道磁気モーメント^(＊3)を増強することで、スピン軌道相互作用^(＊4)を強化することを明らかにしました。また、第一原理計算^(＊5)により、Ir添加が電子の局在化を促進し、5d重元素と3d遷移金属が強く相互作用することで磁気モーメントが増強されることを明らかにしました。
➢ 本研究成果のさらなる発展により、高効率モーターや磁気センサーなど、高性能なデバイス開発の設計指針を提供し、磁性材料分野の進展に大きく貢献することが期待されます。

高い磁気特性を持つ磁性体は、不揮発性メモリ、磁気センサー、高密度ストレージなど広範な分野の発展において不可欠な材料です。特に、Fe₇₅Co₂₅合金は、3d遷移金属の中でも優れた磁気特性を持ち、高いキュリー温度や優れた相安定性を備えていることから、有望な磁性材料の一つとして注目されています。次世代デバイスの開発には、これらの特性を深く理解し、精密に制御することが重要な鍵となります。
これまでの研究から、一部の磁性材料に5d重元素を添加することで、磁気特性を制御できることが明らかになっています。例えば、Fe-Co合金にIrを添加した単結晶Fe-Co-Ir薄膜は、異方性磁気抵抗効果(AMR)^(＊8)、異常ホール効果(AHE)^(＊9)、異常ネルンスト効果(ANE)^(＊10)などの興味深い性質を示すことが知られています。しかし、これらの現象のメカニズムに対しては、依然として十分な理解が得られていません。
そこで本研究では、Fe-Co-Ir合金に注目し、優れた磁気特性を引き起こすメカニズムを詳細に解明することを目的としました。具体的には、組成傾斜を有する単結晶(Fe₇₅Co₂₅)_100-xIr_x (x = 0 ~ 11 at%)合金膜を作製し、軟X線と硬X線を用いたXMCD測定により、Ir添加が磁気特性に与える影響を調査しました。

室温アルゴン雰囲気下で、MgO基板上に厚さ30 nmの均一な(Fe₇₅Co₂₅)_100-xIr_x (x = 0 ~ 11 at%)層を成膜しました。成膜後、真空中でポストアニール処理を施し、さらに、Fe-Co-Ir層の酸化を防ぐため、上部に2 nmのルテニウム(Ru)層を作製しました。蛍光X線分析により、幅7 mmの範囲でFe_75.4Co_24.6から(Fe_76.1Co_23.9)_89.0Ir_11.0までの組成傾斜を有することが確認されました。
作製した合金膜について、XMCD測定を用いて元素ごとの磁気モーメントを詳しく評価しました。その結果、スピン磁気モーメントと軌道磁気モーメントをFe₇₅Co₂₅と比較した場合、Feではそれぞれ1.07倍、1.44倍、Coでは1.18倍、1.12倍となりました。このことから、Ir添加によりFeとCoの軌道磁気モーメントが増強されること、特に軌道磁気モーメントの寄与がスピン磁気モーメントを上回ることが明らかになりました。
また、汎関数理論計算によって、Ir添加が電子の局在化を促進し、スピン軌道相互作用を増大させることが示唆されました。特に、Irの5d電子とFe、Coの3d電子との相互作用が主要な要因であることが確認され、FeとCoの電子状態が低いエネルギー準位へシフトすることで、軌道成分が磁気モーメントへ与える影響が増大することが明らかになりました。さらに、B2秩序構造の磁気モーメントはA2無秩序構造の磁気モーメントよりも大きく、B2秩序構造が磁気特性の増強に寄与していることが示唆されました。

本研究を主導した東京理科大学の山崎 貴大助教は、「磁性材料は、データストレージデバイスや高効率モーター、精密磁気センサーなど、現代社会を支える重要な技術に広く応用されています。本研究では、高効率かつハイスループットな材料評価のワークフローと理論解析手法を確立し、未踏の磁性材料探索や効率的な材料設計を可能にする基盤を構築することができました。本研究成果は、環境負荷を低減する高効率モーターや次世代高密度ストレージ技術の開発を促進し、情報社会の進化と持続可能な社会の実現に大きく寄与することが期待されます」と、コメントしています。

※本研究は、日本学術振興会(JSPS)の科研費(No. 23K13636, 22K14590, 22K14590, 21H04656)、科学技術振興機構(JST)の戦略的創造研究推進事業のCREST(No. JPMJCR21O1)、ACT-X(No. JPMJAX22AL)の助成を受けて実施したもので す。また、XMCD測定は大型放射光施設SPring-8のビームラインBL25SUとBL39XUで行われました（課題番号: 2024B1266, 2023B1421, 2023A1008, 2023A1179, 2022B1113, 2022B1004, 2022A1407, 2022A1027）。

山崎 貴大 東京理科大学 研究推進機構 総合研究院 助教
河﨑 崇広 東京理科大学大学院 先進工学研究科 マテリアル創成工学専攻 修士課程2年
小嗣 真人 東京理科大学 先進工学部 マテリアル創成工学科 教授
岩崎 悠真 国立研究開発法人物質・材料研究機構 マテリアル基盤研究センター 材料設計分野 データ駆動型材料設計グループ 主任研究員
桜庭 裕弥 国立研究開発法人物質・材料研究機構磁性・スピントロニクス材料研究センター 磁気機能デバイスグループ グループリーダー
河村 直己 公益財団法人高輝度光科学研究センター 放射光利用研究基盤センター 分光推進室・動的分光イメージングチーム 主幹研究員
大河内 拓雄 兵庫県立大学 高度産業科学技術研究所 教授

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