[論文レビュー] Direct writing of CoFe alloy nanostructures by focused electron beam induced deposition from a heteronuclear precursor

Fabrizio Porrati, Merlin Pohlit+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2015

Advanced Materials Characterization Techniques参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ヘテロノクレアルカルボニル前駆体 HFeCo₃(CO)₁₂ を用いた集束電子ビーム誘起堆積（FEBID）により、コバルト鉄（CoFe）合金磁性ナノ構造の直接的プロセスが実証された。この手法により、金属含有量が高く（最大84 at%金属、約80 at% CoFe相）、250 Kまで強磁性を示す堆積物が得られ、スピントロニクス応用向けに高分解能で直接ライティング可能な機能性磁性ナノ構造が実現された。

ABSTRACT

Recently, focused electron beam induced deposition has been employed to prepare functional magnetic nanostructures with potential in nanomagnetic logic and sensing applications by using homonuclear precursor gases like Fe(CO)5 or Co2(CO)8. Here we show that an extension towards the fabrication of bi-metallic compounds is possible by using a single-source heteronuclear precursor gas. We have grown CoFe alloy magnetic nanostructures from the HFeCo3(CO)12 metal carbonyl precursor. The compositional analysis indicate that the samples contain about 80 at% of metal and 10 at% of carbon and oxygen. Four-probe magnetotransport measurements are carried out on nanowires of various sizes down to a width of 50 nm, for which the room temperature resistivity of 43~$μΩ$cm is found. Micro-Hall magnetometry reveals that 50~nm$ imes$250~nm nanobars of the material are ferromagnetic up to the highest measured temperature of 250 K. Finally, the TEM microstructural investigation shows that the deposits consist of a bcc Co-Fe phase mixed with a FeCo2O4 spinel oxide phase with nanograins of about 5 nm diameter.

研究の動機と目的

• 単一源前駆体を用いた直接ライティング法により、バイメタル磁性ナノ構造を形成すること。
• FEBID における二重前駆体ガス系の限界（組成制御性の低さ、金属含有量の低さ）を克服すること。
• ヘテロノクレアルカルボニル前駆体を用いて、CoFe合金ナノ構造の高金属含有量と再現性の高い組成を達成すること。
• スピントロニクス応用を想定し、作製されたナノ構造の磁気的・電気的・微細構造的特性を評価すること。

提案手法

• Co と Fe を同時に堆積可能なヘテロノクレアル前駆体 HFeCo₃(CO)₁₂ を FEBID に用い、単一分子源からの Co と Fe の同時堆積を実現した。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）を用い、電子ビーム走査により前駆体の分解とナノ構造の成長を誘起した。
• ナノワイヤー（幅50 nm）に対して四端子磁気抵抗測定を実施し、電気的抵抗率を評価した。
• 50 nm × 250 nm のナノバーに対してマイクロホール磁気測定を実施し、250 K までに強磁性を示すかを評価した。
• 透過型電子顕微鏡（TEM）およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDX）を用いて、相と組成の分析を行った。
• TEM 製品作製時のサンプル保護および微細構造的分析のための制御された結晶化を目的に、Pt-C FEBID を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のヘテロノクレアル前駆体を用いることで、FEBID により高金属含有量の CoFe 合金ナノ構造を直接作製可能か？
• RQ2 FEBID で成長した CoFe ナノ構造の磁気的挙動はいかなるものか？強磁性はどの温度まで維持されるか？
• RQ3 堆積物に存在する微細構造的相は何か？金属的 Co-Fe 相と酸化物相の相対的含有量はどの程度か？
• RQ4 ナノ構造の元素組成および抵抗率は、電子ビームのパラメータおよび幾何学的形状にどのように依存するか？
• RQ5 マイクロホール磁気測定で観察された特徴的なワームウエスト型ヒステリシスループの原因は何か？

主な発見

• HFeCo₃(CO)₁₂ を用いた FEBID により、金属含有量が最大84 at%に達する CoFe 合金ナノ構造が得られ、通常の二重前駆体からの FEBID 堆積物と比較して顕著に高い金属含有量であった。
• 組成分析の結果、金属含有量は約80 at%（Co:Fe 比 3:1）、炭素 10 at%、酸素 10 at% であり、体心立方（bcc）Co-Fe 相とスピンゲル型酸化物相 FeCo₂O₄ の混合相であることが示された。
• 四端子測定により、50 nm 幅のナノワイヤーの室温抵抗率は 43 μΩ·cm であった。これは金属的挙動を示すものであった。
• マイクロホール磁気測定により、50 nm × 250 nm のナノバーに 250 K まで強磁性秩序が確認され、特徴的なワームウエスト型ヒステリシスループが観察された。
• TEM 分析により、ナノ結晶性の体心立方（bcc）Co-Fe 相（金属中の割合が約72.5 at%）と少量のスピンゲル型酸化物相（金属中の割合が約7.5 at%）が同定され、結晶粒径は約5 nm であった。
• ワームウエスト型ヒステリシスループは、材料の多相性と、寸法制限下での力学的不安定な磁気的状態が複合的に作用する逆転メカニズムに起因するとされた。