[論文レビュー] Robust perpendicular magnetic anisotropy in Ce substituted yttrium iron garnet epitaxial thin films

Manik Kuila, Archna Sagdeo+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2021

Magneto-Optical Properties and Applications参考文献 45被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、脈動レーザー蒸着法を用いてGdGaAs(111)基板上に成長したCeドープYIGエpi薄膜において、頑健な垂直磁気異方性（PMA）を実証した。PMAは広い温度範囲（最大400 K）にわたり安定しており、MOKE、FMR、磁気ドメイン像像技術により確認された。薄膜厚さによるチューニング性と高い温度安定性を有し、スピントロニクス素子における室温応用が可能である。

ABSTRACT

Cerium substituted yttrium iron garnet (Ce:YIG) epitaxial thin films are prepared on gadolinium gallium garnet (GGG) substrate with pulsed laser deposition (PLD). It is observed that the films grown on GGG(111) substrate exhibit perpendicular magnetic anisotropy (PMA) as compared to films grown on GGG(100) substrate. The developed PMA is confirmed from magneto-optical Kerr effect, bulk magnetization and ferromagnetic resonance measurements. Further, the magnetic bubble domains are observed in the films exhibiting PMA. The observations are explained in terms of the growth direction of Ce:YIG films and the interplay of various magnetic anisotropy terms. The observed PMA is found to be tunable with thickness of the film and a remarkable temperature stability of the PMA is observed in all the studied films of Ce:YIG deposited on GGG(111) substrate.

研究の動機と目的

• Ce:YIGエピ薄膜における垂直磁気異方性（PMA）を安定化させること、これは希少であり通常は室温で不安定である。
• 基板の表面方位（GdGaAs(100) 対 GdGaAs(111)）および成膜パラメータがPMA形成に与える影響を調査すること。
• Ce:YIG薄膜におけるPMAの起源を特定すること、特に成長誘起異方性および応力の役割を解明すること。
• PMAの温度安定性を評価し、スピントロニクスおよび磁気光デバイスにおける室温応用可能性を検討すること。
• XRR、RSM、AFM、MOKE、FMRを統合した多様な技術を用いて構造的・磁気的・光学的性質の相関を確立すること。

提案手法

• 基板温度780 °C、酸素分圧110 mTorrの条件下で、脈動レーザー蒸着（PLD）法を用いて、GdGaAs(111)およびGdGaAs(100)基板上にCe:YIG薄膜を成長させた。
• 薄膜厚さ、粗さ、格子定数を評価するために、X線反射率（XRR）および逆空間マッピング（RSM）を用いた。
• 原子間力顕微鏡（AFM）により、表面粗さが1 nm未満の滑らかな表面が確認された。
• PMAの検出およびコercivityの測定を目的として、さまざまな温度（80–460 K）で縦磁気光学カー効果（P-MOKE）測定を実施した。
• 磁気異方性および異方性磁場の抽出を目的として、偏角依存性のフェロ磁性共鳴（FMR）測定を実施した。
• PMAの安定性およびドメインの温度依存的変化を可視化するため、キヤー顕微鏡を用いて磁気バブルドメイン構造を像像した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適化されたPLD条件下で、GdGaAs(111)基板上に成長したCe:YIG薄膜は、頑健な垂直磁気異方性（PMA）を示すか？
• RQ2 基板の表面方位（GdGaAs(111) 対 GdGaAs(100)）は、Ce:YIG薄膜におけるPMA発現にどのように影響するか？
• RQ3 Ce:YIG薄膜におけるPMAの温度安定性はどの程度か？室温およびそれ以上の温度でも維持可能か？
• RQ4 PMAの主な寄与要因は何か？（磁気弾性異方性エネルギー（KME）、成長誘起異方性（KGROWTH）、応力誘起効果のうち）
• RQ5 薄膜厚さは、PMAを有するCe:YIG薄膜におけるコercivityおよび磁気バブルドメイン特性にどのように影響するか？

主な発見

• GdGaAs(111)基板上に成長したCe:YIG薄膜は、P-MOKE、FMR、磁気ドメイン像像により確認された頑健なPMAを示すが、GdGaAs(100)基板上では観察されない。
• PMAは400 Kまで安定しており、平面内異方性への再配向は観察されず、先行研究で報告された約173 Kでの遷移とは対照的である。
• コercivity（HC）は温度低下に伴い増加し、400 Kでは約10 mT、80 Kでは約25 mTにまで上昇する。これは低温での磁気的安定性の向上を示している。
• PMAを有する薄膜では明確な磁気バブルドメインが観察され、65 nm厚の薄膜では80 Kから400 Kの温度範囲でバブルサイズがほぼ一定を保ち、高い熱的安定性を示している。
• 弾性定数から計算された磁気弾性異方性エネルギー（KME）は0.50–0.82 kJ/m³にとどまり、観察されたPMAを説明するには不十分であるため、成長誘起異方性（KGROWTH）が支配的であると示唆される。
• PMAは薄膜厚さによってチューニング可能であり、30 nmおよび65 nmの薄膜では強いPMAを示すが、10 nmの薄膜では応力が無視できるほど小さいため、PMAはKGROWTHによる寄与のみである。