[論文レビュー] Properties of group-IV-based ferromagnetic semiconductor GeFe: Growth temperature dependence, lattice constant, location of Fe atoms, and their relevance to the magnetic properties

Yuki K. Wakabayashi, Shinobu Ohya+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2014

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、GeFe強磁性半導体薄膜の成長温度依存性を調査し、鉄含有量にかかわらず、キュリー温度（TC）と格子定数の間の普遍的相関関係を明らかにした。RBSおよびPIXEを用いて、約15%のFe原子が四面体空孔サイトに占拠していることが同定され、置換的Fe濃度よりも非均一なFe分布が、強磁性行動を支配していることが示された。

ABSTRACT

We report the growth temperature dependence of the properties of the group-IV-based ferromagnetic semiconductor Ge1-xFex films (x = 6.5% and 10.5%), including the lattice constant, Curie temperature (TC), and Fe-atom locations. While TC strongly depends on the growth temperature, we find a universal relationship between TC and the lattice constant, which does not depend on the Fe content x. By using the channeling Rutherford backscattering and particle-induced X-ray emission measurements, it is clarified that about 15% of the Fe atoms exist in the tetrahedral interstitial sites in the Ge0.935Fe0.065 lattice and that the substitutional Fe concentration is not correlated with TC. Considering these results, we suggest that the non-uniformity of the Fe concentration plays an important role in determining the ferromagnetic properties of GeFe.

研究の動機と目的

• Ge1-xFex薄膜の構造的および磁気的性質に及ぼす成長温度の影響を理解すること。
• 高度な特性評価技術を用いて、Ge格子内におけるFe原子の正確な配置を特定すること。
• GeFeにおけるキュリー温度（TC）を決定づけるFe濃度分布の役割を明確にすること。
• さまざまなFeドーピングレベルにおいて、TCと格子定数の間の普遍的関係を確立すること。
• グループIVA系希薄磁性半導体における強磁性の起源に関する長年の曖昧さを解消すること。

提案手法

• 分子線エpitaxyを用いて、成長温度を変化させながらGe1-xFex薄膜（x = 6.5%および10.5%）を成長させた。
• Fe原子のサイト占有状態を特定するために、チャネリングRutherfordバックスクattering分光法（RBS）を採用した。
• Fe濃度および分布を定量するために、粒子誘発X線エミッション（PIXE）を活用した。
• 超伝導量子干渉計（SQUID）磁化計測定を用いて、磁気的性質、特にキュリー温度（TC）を測定した。
• X線回折から導かれる格子定数と、さまざまな成長条件下でのTCの相関関係を分析した。
• さまざまなFeドーピングレベル（x = 6.5%および10.5%）におけるTC–格子定数の普遍的関係を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 成長温度がGe1-xFex薄膜の格子定数およびキュリー温度（TC）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 Fe原子はGe格子内で置換的サイトにあるのか、あるいは空孔サイトにあるのか？ その配置が磁気的性質に与える影響は？
• RQ3 置換的Fe原子濃度は、観測されたキュリー温度（TC）と直接相関しているか？
• RQ4 GeFeにおいて、さまざまなFeドーピングレベルにおいて、TCと格子定数の間の普遍的関係が存在するか？
• RQ5 Fe濃度の非均一性は、GeFeの強磁性行動にどのような役割を果たしているか？

主な発見

• キュリー温度（TC）と格子定数の間には、Fe含有量（x = 6.5%および10.5%）にかかわらず普遍的な関係が存在する。
• チャネリングRBSによる確認により、Ge0.935Fe0.065格子において約15%のFe原子が四面体空孔サイトに占拠していることが判明した。
• 置換的Fe原子濃度は、キュリー温度（TC）と直接相関しない。
• 観測されたTCは成長温度に強く依存しており、磁気的性質が動的制御を受けることが示唆された。
• 非均一なFe濃度分布が、GeFeにおける強磁性行動を支配する主要因であることが特定された。
• 成長温度が上昇するにつれて格子定数が増加し、それに伴いTCも上昇することが相関した。