[論文レビュー] Role of interfaces in the biased composition of TbFe(Co) thin films

Eloi Haltz, Raphaël Weil+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2018

Magnetic properties of thin films参考文献 41被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、TbFe(Co)薄膜における界面効果が、バルクに類似した磁性層における組成の偏りを引き起こし、磁性補償温度（Tcomp）がバルク挙動から著しくずれる原因であることを明らかにした。RBS、EELS、STEMを用いて、テルビウム（Tb）が界面、特に酸化性キャッピング層に移行することを示し、これが有効なTb濃度を低下させ、磁性特性を変化させることを実証した。この影響は、電流駆動ドメインウォール運動への応用に顕著に影響を与える。

ABSTRACT

Ferrimagnetic TbFe or TbFeCo amorphous alloy thin films have been grown by co-evaporation in ultra-high vacuum. They exhibit an out-of-plane magnetic anisotropy up to their Curie temperature with a nucleation and propagation reversal mechanism suitable for current induced domain wall motion. Rutherford back scattering experiments confirmed a fine control of the Tb depth-integrated composition within the evaporation process. However, a large set of experimental techniques were used to evidence an interface related contribution in such thin films as compared to much thicker samples. In particular, scanning transmission electron microscopy experiments evidence a depth dependent composition and perturbed top and bottom interfaces with preferential oxidation and diffusion of terbium. Despite of that, amorphous and homogeneous alloy film remains in a bulk-like part. The composition of that bulk-like part of the magnetic layer, labeled as effective composition, is biased when compared with the depth-integrated composition. The magnetic properties of the film are mostly dictated by this effective composition, which we show changes with different top and bottom interfaces.

研究の動機と目的

• 共蒸発法で成長させたTbFe(Co)薄膜における組成の偏りの起源を解明すること、特に深さ積分組成と有効組成の乖離に焦点を当てる。
• バッファ層およびキャッピング層がアモルファスTbFe(Co)薄膜における界面化学および磁性特性に与える影響を理解すること。
• 界面組成の変化と測定可能な磁性補償温度（Tcomp）のシフトを相関させること、これはスピントロニクス素子の主要パラメータである。
• 異なるキャッピング材料（Al、Pt、Ta、V）が界面におけるTb拡散および酸化に与える影響を評価すること。
• スピントロニクス応用に向けた、予測可能な磁性異方性およびTcompを有するTbFe(Co)ベースのヘテロ構造を設計するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 超高真空（UHV）下でTbとFe/Coを共蒸発し、3台のクォーツバランスを用いたリアルタイムフィードバック制御により、正確な深さ積分組成を達成する。
• Rutherford Backscattering Spectroscopy（RBS）を用いて深さ積分組成におけるTb組成を測定し、蒸発設定値の妥当性を検証する。
• 走査型透過電子顕微鏡（STEM）とEELSを組み合わせ、深さ依存の組成を分析し、界面酸化およびTb拡散を検出する。
• 鏡面X線反射率（XRR）を用いて層厚みを補正し、RBSデータを補足する。
• 磁性測定（VSM）を用いて補償温度（Tcomp）を決定し、磁性異方性およびドメインウォールダイナミクスを評価する。
• Al、Pt、Ta、Vを用いたバッファおよびキャッピング層の系統的変更により、有効組成およびTcompに及ぼす界面効果を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深さ積分組成が制御されているにもかかわらず、界面層がアモルファスTbFe(Co)薄膜における有効Tb組成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 界面におけるTb拡散および酸化が、バルク挙動と比較して磁性補償温度（Tcomp）にどの程度の変化をもたらすか？
• RQ3 薄膜のTcompがバルクのTcomp vs. Tb組成関係からどのようにずれるのか、またこれはキャッピング層の材料および厚さにどのように依存するか？
• RQ4 界面工学（例：VやPtの使用）を用いることで、Tb移行を効果的に抑制し、意図した有効組成を保持できるか？
• RQ5 有効組成の偏りが、TbFe(Co)ヘテロ構造における電流駆動ドメインウォール運動（CIDWM）の実現可能性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• RBSおよびEELSにより、深さ積分組成が正確に制御されていても、界面におけるTbの枯渇により有効磁性層で4%の組成の偏りが確認された。
• STEM分析により、特にAlキャッピング層を用いた場合、上部および下部界面でTbの酸化および拡散が優先的に発生し、Tbが豊富な界面領域が形成されていることが判明した。
• 7 nmのTbFe薄膜の補償温度（Tcomp）は、3 nmのAlキャッピングを施した場合、5 nmのAlキャッピングと比較して最大160 Kも低温にシフトした。これはTbの移行および酸化が強化されていることを示している。
• バッファ層にバナジウム（V）を用いても、Tb移行に対する効果的な拡散遮断層として機能せず、Vが存在してもTcompのシフトは同様に観察された。これはTb移行に対する保護が限定的であることを示している。
• PtおよびTaキャッピング層では、RBSが断面積の重複により効果を発揮しないが、Tcompのシフト傾向は依然として確認され、界面効果が有効組成の顕著な偏りを引き起こしていることを裏付けた。
• 有効TcompのTb含有量依存性は、バルク挙動と一致する傾き約40 K/原子パcentを示すが、実際のTcompは界面でのTb損失のため体系的に低くなる。これは界面化学が磁性特性の調整に果たす重要な役割を強調している。