JP7817702B2 - Tetragonal thin film structure - Google Patents
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Description
本発明は、支持基板上に正方晶系薄膜を備えた正方晶系薄膜構造体に関し、例えば正方晶系薄膜として、FeNiNもしくはL10型の規則構造を有するL10型のFeNi規則合金の薄膜を備えるものに適用して好適である。 The present invention relates to a tetragonal thin film structure having a tetragonal thin film on a support substrate, and is suitable for application to a structure having, for example, a thin film of FeNiN or an L10 type FeNi ordered alloy having an L10 type ordered structure as the tetragonal thin film.
L10型の規則構造を有するFeNi(鉄-ニッケル)規則合金は、高い磁気異方性を有しており、レアアースや貴金属を全く使用しない磁石材料および磁気記録などの磁気デバイス材料として期待されている。STO(チタン酸ストロンチウム:SrTiO3)の支持基板上に、窒素プラズマ中のMBE(分子線エピタキシー法)により作製したFeNiN薄膜を脱窒素することで、L10型のFeNi規則合金薄膜を形成できる(非特許文献1参照)。 FeNi (iron-nickel) ordered alloys with an L1 0 ordered structure have high magnetic anisotropy and are expected to be used as rare earth or precious metal-free magnet materials and magnetic device materials for magnetic recording, etc. L1 0 ordered FeNi alloy thin films can be formed on STO (strontium titanate: SrTiO 3 ) support substrates by denitrifying an FeNiN thin film prepared by MBE (molecular beam epitaxy) in nitrogen plasma (see Non-Patent Document 1).
しかしながら、非特許文献1に開示されている製造方法を用いて、主表面が(100)面方位となっている支持基板に対してFeNiN薄膜を成膜すると、FeNiNのc軸が90°交差するバリアントが2種類できてしまうことが確認された。これは、(100)面での結晶構造が中心軸を中心とした4回対称になっているためであり、立方晶構造のそれぞれ辺に対してc軸が交差するようにFeNiNが成長するため、マルチバリアント状態になる。このときの各バリアントの寸法は~5nmとなっていた。 However, when the manufacturing method disclosed in Non-Patent Document 1 is used to form an FeNiN thin film on a support substrate whose main surface has a (100) plane orientation, it has been confirmed that two types of variants are formed, in which the c-axes of the FeNiN intersect at 90 degrees. This is because the crystal structure on the (100) plane has four-fold symmetry around the central axis, and the FeNiN grows so that the c-axis intersects each edge of the cubic crystal structure, resulting in a multi-variant state. The dimensions of each variant in this case were approximately 5 nm.
結晶方位軸が直交するマルチバリアント状態であると、磁気特性、電気特性、光学特性などが優れた配向方向の特性と、悪い配向方向の特性とが平均化され、本来シングルバリアント状態で得られる特性を利用することができないなどの課題がある。例えば結晶磁気異方性定数Kuを例に挙げると、直交するバリアント間では平均化された値になり、結晶磁気異方性が低下する。 When the crystal orientation axes are orthogonal to each other in a multi-variant state, the magnetic, electrical, and optical properties of the orientation directions with excellent properties are averaged with the properties of the orientation directions with poor properties, posing a problem in that the properties that would normally be obtained in a single-variant state cannot be utilized. For example, the magnetocrystalline anisotropy constant Ku becomes an averaged value between orthogonal variants, resulting in reduced magnetocrystalline anisotropy.
なお、ここでいう「バリアント」とは、支持基板上に正方晶系薄膜を成膜した際に、正方晶系薄膜の持つ結晶方位のことであり、「シングルバリアント」は結晶方位を1つの軸方向にのみ持ち、「マルチバリアント」は結晶方位を複数の軸方向に持っていることを意味する。正方晶系薄膜の全域が「シングルバリアント」である必要はないが、「マルチバリアント」で尚かつ各バリアントの寸法が小さいと、優位となるバリアントが無いため、特性が平均化されることで良好な特性が得られなくなる。このため、より良好な特性を得るためには、シングルバリアントの寸法が大きく得られることが重要となる。 The term "variant" here refers to the crystal orientation of a tetragonal thin film when it is deposited on a support substrate. "Single variant" means that the crystal orientation is in only one axis, while "multi-variant" means that the crystal orientation is in multiple axis directions. The entire tetragonal thin film does not need to be "single variant," but if it is "multi-variant" and the dimensions of each variant are small, there will be no dominant variant, and the properties will average out, making it impossible to achieve good properties. For this reason, in order to obtain better properties, it is important to be able to obtain large dimensions for the single variant.
本発明は上記点に鑑みて、より特性の優れた構造の正方晶系薄膜構造体を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention aims to provide a tetragonal thin film structure with superior properties.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の正方晶系薄膜構造体は、(110)面方位の主表面を少なくとも一部に有し、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有した支持基板(10)と、支持基板における(110)面方位の主表面上に形成され、主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜(20)と、を備え、支持基板は立方晶系に属する結晶構造を有し、支持基板における主表面の(110)面方位、と正方晶系薄膜における(110)面方位および(101)面方位それぞれでのRMS不整合度の差分であるRMS不整合度差が1.9%以下である。
また、請求項8に記載の正方晶系薄膜構造体は、(110)面方位の主表面を少なくとも一部に有し、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有した支持基板(10)と、支持基板における(110)面方位の主表面上に形成され、主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜(20)と、を有し、支持基板はLaAlO
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で構成されており、正方晶系薄膜は、FeNiNの薄膜またはL10型の規則構造を有するL10型のFeNi規則合金の薄膜であると共に、島状構造であり、それぞれの島の外表面のうち少なくとも1つの面が{111}面である。
In order to achieve the above object, a tetragonal thin film structure according to claim 1 comprises a support substrate (10) having at least a portion of a main surface with a (110) plane orientation and having a crystal structure belonging to a cubic or tetragonal system, and a tetragonal thin film (20) formed on the main surface of the support substrate with a (110) plane orientation and having a uniaxial in-plane orientation in a plane tangent to the main surface , wherein the support substrate has a crystal structure belonging to a cubic system, and the RMS mismatch difference, which is the difference in RMS mismatch between the (110) plane orientation of the main surface of the support substrate and the (110) plane orientation and the (101) plane orientation of the tetragonal thin film, is 1.9% or less .
A tetragonal thin film structure according to claim 8 comprises a support substrate (10) having at least a portion of a main surface with a (110) plane orientation and having a crystal structure belonging to a cubic or tetragonal system, and a tetragonal thin film (20) formed on the main surface of the support substrate with a (110) plane orientation and having uniaxial in-plane orientation in a plane contacting the main surface, wherein the support substrate is made of LaAlO3 , the tetragonal thin film is a thin film of FeNiN or a thin film of an L10 type FeNi ordered alloy having an L10 type ordered structure, and has an island structure, and at least one plane of the outer surface of each island is a {111} plane.
このように、(110)面方位の主表面を少なくとも一部に有する立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造の支持基板を用いて、支持基板上に正方晶系薄膜を成膜することで、正方晶系薄膜の結晶がシングルバリアントとなるようにできる。したがって、より特性の優れた構造の正方晶系薄膜構造体とすることが可能となる。 In this way, by using a support substrate with a cubic or tetragonal crystal structure having at least a portion of its main surface oriented in the (110) plane, and depositing a tetragonal thin film on the support substrate, the crystals of the tetragonal thin film can be made single variant. This makes it possible to create a tetragonal thin film structure with superior properties.
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。 Note that the reference symbols in parentheses attached to each component indicate an example of the correspondence between that component and the specific components described in the embodiments described below.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that in the following embodiments, identical or equivalent parts will be denoted by the same reference numerals.
(第1実施形態)
第1実施形態にかかる正方晶系薄膜構造体について、図1Aおよび図1Bを参照して説明する。なお、図1Aおよび図1Bにおいて、図中に示した矢印はc軸の方向を示している。
(First embodiment)
A tetragonal thin film structure according to a first embodiment will be described with reference to Figures 1A and 1B, in which the arrows indicate the direction of the c-axis.
図1Aに示すように、本実施形態の正方晶系薄膜構造体は、支持基板10上に正方晶系薄膜20を形成したもので構成されている。 As shown in Figure 1A, the tetragonal thin film structure of this embodiment is composed of a tetragonal thin film 20 formed on a support substrate 10.
支持基板10は、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有し、正方晶系薄膜20と接する界面の少なくとも一部が(110)面方位とされている。例えば、支持基板10としては、STO(110)、LAO(110)、MgO(110)を用いることができる。STOについては、立方晶格子定数が0.3905nmとなっている。LAOについては、立方晶格子定数が0.379nmとなっている。MgOについては、立方晶格子定数が0.4213nmとなっている。 The support substrate 10 has a cubic or tetragonal crystal structure, with at least a portion of the interface with the tetragonal thin film 20 having a (110) plane orientation. For example, STO(110), LAO(110), or MgO(110) can be used as the support substrate 10. The cubic lattice constant of STO is 0.3905 nm. The cubic lattice constant of LAO is 0.379 nm. The cubic lattice constant of MgO is 0.4213 nm.
なお、LAOは、アルミン酸ランタン(LaAlO3)であり、MgOは酸化マグネシウムである。STO、LAO、MgOの後に記載した(110)は、これらによって支持基板10を構成する場合の支持基板10の主表面の面方位が(110)であることを意味している。ここでは、(110)を挙げているが、後述する(100)、(001)等についても同様である。 Note that LAO is lanthanum aluminate (LaAlO 3 ), and MgO is magnesium oxide. The (110) written after STO, LAO, and MgO means that when the support substrate 10 is formed from these, the plane orientation of the main surface of the support substrate 10 is (110). Here, (110) is mentioned, but the same applies to (100), (001), etc., which will be described later.
正方晶系薄膜20は、図1Aおよび図1Bに示すように、支持基板10の主表面に接した一面において、一軸の面内配向を有した薄膜である。正方晶系薄膜20は、一軸の面内配向として、矢印は[001]方向を示し、矢印方向に(001)配向、支持基板10との界面に対して(110)配向している。より詳しくは、垂直方向には(001)配向しておらず、正方晶系薄膜20は、同一方向に配向したバリアントが含まれる成分割合である面内(001)配向率が60%以上になっており、好ましくは70%以上になっている。さらに、面内で90°回転した面内(110)配向率が60%以上になっており、好ましくは70%以上になっている。例えば、正方晶系薄膜20としては、Fe、Ni、Nを元素として含む材料の薄膜、L10型の規則構造を有するL10型のFeNi規則合金の薄膜が挙げられる。 As shown in FIGS. 1A and 1B , the tetragonal thin film 20 is a thin film having a uniaxial in-plane orientation on one surface in contact with the main surface of the support substrate 10. The tetragonal thin film 20 has a uniaxial in-plane orientation, with the arrow indicating the [001] direction, a (001) orientation in the direction of the arrow, and a (110) orientation with respect to the interface with the support substrate 10. More specifically, the tetragonal thin film 20 does not have a (001) orientation in the vertical direction, and the in-plane (001) orientation rate, which is the proportion of components containing variants oriented in the same direction, is 60% or more, preferably 70% or more. Furthermore, the in-plane (110) orientation rate rotated 90° in-plane is 60% or more, preferably 70% or more. Examples of the tetragonal thin film 20 include thin films of materials containing elements Fe, Ni, and N, and thin films of L10 - type FeNi ordered alloys having an L10-type ordered structure.
Fe、Ni、Nを含む材料の薄膜としては、例えばFeNiNがある。FeNiNの場合、FeNiN(100)ではa軸での格子定数が0.4002nmとなっており、FeNiN(001)ではc軸での格子定数が0.3713nmとなっている。正方晶系薄膜20をFeNiNの薄膜とする場合、支持基板10に対して窒素プラズマ中においてFeNiを蒸着する手法や、Fe層とNi層を交互に蒸着したのち窒化処理を行う手法などによってFeNiNの薄膜を得ることができる。また、正方晶系薄膜20をFeNiNで構成する場合、Fe2Ni2N、FeNi、酸化物などFeNiN以外の成分が含まれていても良い。 An example of a thin film made of a material containing Fe, Ni, and N is FeNiN. In the case of FeNiN, the lattice constant along the a-axis of FeNiN(100) is 0.4002 nm, and the lattice constant along the c-axis of FeNiN(001) is 0.3713 nm. When the tetragonal thin film 20 is made of FeNiN, the thin film can be obtained by a method of depositing FeNi on the support substrate 10 in nitrogen plasma, or by a method of depositing Fe and Ni layers alternately and then performing a nitriding treatment. Furthermore, when the tetragonal thin film 20 is made of FeNiN, components other than FeNiN, such as Fe 2 Ni 2 N, FeNi, or oxides, may be included.
また、正方晶系薄膜20をL10型の規則構造を有するL10型のFeNi規則合金の薄膜とする場合、FeNiNの薄膜を成膜した後に、脱窒素処理を行うことでL10型のFeNi規則合金の薄膜を得ることができる。正方晶系薄膜20をL10型のFeNi規則合金の薄膜とすれば、正方晶系薄膜構造体がFeNi超格子を含むFeNi規則合金構造体となる。このようなFeNi規則合金構造体は、磁石材料および磁気記録、磁気センサ等のデバイス材料に適用可能であり、高い保磁力を有した磁性特性に優れたものとなる。 Furthermore, when the tetragonal thin film 20 is an L10 type FeNi ordered alloy thin film having an L10 type ordered structure, a thin film of the L10 type FeNi ordered alloy can be obtained by forming an FeNiN thin film and then performing a denitrification process. If the tetragonal thin film 20 is an L10 type FeNi ordered alloy thin film, the tetragonal thin film structure becomes an FeNi ordered alloy structure including an FeNi superlattice. Such an FeNi ordered alloy structure is applicable to magnetic materials and device materials for magnetic recording, magnetic sensors, etc., and has excellent magnetic properties with high coercivity.
ここで、本実施形態の正方晶系薄膜構造体と従来のようにSTO(100)の主表面に正方晶系薄膜を形成する場合について比較して説明する。ここでは、支持基板をSTO、正方晶系薄膜をFeNiNとする場合を例に挙げる。また、以下の説明では、STO(100)の主表面に正方晶系薄膜を形成する構造を比較構造という。 Here, we will compare the tetragonal thin film structure of this embodiment with the conventional case where a tetragonal thin film is formed on the main surface of STO(100). Here, we will use an example where the support substrate is STO and the tetragonal thin film is FeNiN. In the following explanation, the structure where a tetragonal thin film is formed on the main surface of STO(100) will be referred to as the comparative structure.
図2Aに示すように、STO(100)の支持基板J10の上に正方晶系薄膜J20を形成した比較構造においては、図2Bに示すように、FeNiNのc軸が90°交差するバリアントが2種類できてしまう。TEM(透過電子顕微鏡)観察などを行ったところ、各バリアントの寸法が~5nmと小さな微細化したものになっていた。 In a comparative structure in which a tetragonal thin film J20 is formed on an STO(100) support substrate J10 as shown in Figure 2A, two types of variants are formed in which the c-axes of the FeNiN intersect at 90°, as shown in Figure 2B. TEM (transmission electron microscope) observations revealed that the dimensions of each variant were small, measuring approximately 5 nm.
図3中の(a)に示すように、STOは、立方晶の結晶構造を有している。このため、比較構造において支持基板J10に用いられているSTO(100)は、図3中の(b)に示すように中心軸を中心として90°回転するごとに同じ格子構造になる4回対称になる。これに対して、本実施形態の構造において支持基板10に用いられているSTO(110)は、図3中の(c)に示すように中心軸を中心として180°回転するごとに同じ格子構造になる2回対称になる。 As shown in (a) of Figure 3, STO has a cubic crystal structure. Therefore, the STO (100) used in the support substrate J10 in the comparative structure has four-fold symmetry, meaning that the same lattice structure is obtained every time it is rotated 90° around the central axis, as shown in (b) of Figure 3. In contrast, the STO (110) used in the support substrate 10 in the structure of this embodiment has two-fold symmetry, meaning that the same lattice structure is obtained every time it is rotated 180° around the central axis, as shown in (c) of Figure 3.
一方、図4中の(a)に示すように、FeNiNは正方晶の結晶構造を有しており、Niが配置されるレイヤーとFeおよびNが配置されるレイヤーを備えている。そして、図4中の(c)に示すように、FeNiN(100)については、STO(100)に近い結晶構造となる。なお、図4中の(b)に示した(110)面の法線方向から見たFeNiN(110)の結晶構造は、図4中の(d)に示したように、STO(100)とは異なった表面配列となる。 On the other hand, as shown in Figure 4(a), FeNiN has a tetragonal crystal structure, with a layer where Ni is arranged and a layer where Fe and N are arranged. As shown in Figure 4(c), FeNiN(100) has a crystal structure close to STO(100). Note that the crystal structure of FeNiN(110) viewed from the normal direction of the (110) plane shown in Figure 4(b) has a surface arrangement different from that of STO(100), as shown in Figure 4(d).
図5に示すように、支持基板J10としてSTO(100)を使用した比較構造においては、STO(100)における各軸とFeNiN(100)におけるa軸とが整合し、支持基板J10上にFeNiN(100)がエピタキシャル成長させられることになる。そして、STO(100)は立方晶であるため、互いに直交する各軸の原子配列および格子定数は同じになっている。したがって、立方晶で主表面が(100)面方位となる支持基板J10を使用してFeNiNを成長させる場合、FeNiNと整合する軸方向が2通り、つまり成長方向が二方向存在することになる。このため、図2Aおよび図2Bに示すように、正方晶系薄膜J20を構成するFeNiNのc軸が90°交差するバリアントが2種類できている。 As shown in Figure 5, in a comparative structure using STO(100) as the support substrate J10, the axes of the STO(100) align with the a-axis of the FeNiN(100), allowing the FeNiN(100) to be epitaxially grown on the support substrate J10. Because STO(100) is a cubic crystal, the atomic arrangement and lattice constants of the mutually orthogonal axes are identical. Therefore, when growing FeNiN using a cubic support substrate J10 with a (100) plane orientation on its main surface, there are two axial directions that align with the FeNiN, i.e., two growth directions. Therefore, as shown in Figures 2A and 2B, two variants are created in which the c-axes of the FeNiN constituting the tetragonal thin film J20 intersect at 90°.
これに対して、支持基板10としてSTO(110)を使用した本実施形態の構造では、STO(110)において、FeNiNと整合するのがc軸だけに限定される。したがって、立方晶で主表面が(110)面方位となる支持基板10を使用してFeNiNを成長させる場合、FeNiNと整合する軸方向が1通り、つまり成長方向が一方向のみに限定される。このため、図1Aおよび図1Bに示すように、正方晶系薄膜20を構成するFeNiNのc軸が単方向に向いたシングルバリアントになる。 In contrast, in the structure of this embodiment, which uses STO(110) as the support substrate 10, only the c-axis of the STO(110) is compatible with FeNiN. Therefore, when growing FeNiN using a support substrate 10 that is cubic and has a (110) plane orientation, there is only one axial direction that is compatible with FeNiN, meaning that the growth direction is limited to only one direction. For this reason, as shown in Figures 1A and 1B, the c-axis of the FeNiN that makes up the tetragonal thin film 20 is a single variant, oriented in a single direction.
このように、(110)面方位の立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造の支持基板10を用いて、支持基板10上に正方晶系薄膜20を成膜することで、正方晶系薄膜20の結晶がシングルバリアントとなるようにできる。したがって、より特性の優れた構造の正方晶系薄膜構造体とすることが可能となる。なお、正方晶系薄膜20の全域においてシングルバリアントである必要は無く、寸法が大きなシングルバリアント、例えば30nm以上のものが得られていれば良い。つまり、部分的に他のバリアントの部分があっても良いが、その部分の寸法よりもシングルバリアントの部分の寸法の方が十分に大きくなっていれば良い。 In this way, by using a support substrate 10 with a cubic or tetragonal crystal structure with a (110) plane orientation and depositing a tetragonal thin film 20 on the support substrate 10, the crystals of the tetragonal thin film 20 can be made single variant. This makes it possible to obtain a tetragonal thin film structure with superior properties. Note that the entire tetragonal thin film 20 does not need to be single variant; it is sufficient to obtain a single variant with large dimensions, for example, 30 nm or more. In other words, it is fine to have parts of other variants, as long as the dimensions of the single variant parts are sufficiently larger than the dimensions of the other parts.
また、ここでは支持基板10をSTO(110)とする場合を例に挙げたが、MgO(110)、LAO(110)とする場合と比較しながら、材質毎のバリアントの低減効果について説明する。 Although the example shown here uses STO(110) as the support substrate 10, we will explain the variant reduction effect for each material by comparing it with MgO(110) and LAO(110).
図6は、支持基板10を立方晶酸化物であるMgO(110)、STO(110)、LAO(110)で構成する場合の各材質とFeNiN(110)との格子不整合度とそのRMS不整合度を示している。図中のFeNiN(110)[001]は、FeNiN(110)における[001]軸方向において不整合度を調べたことを意味している。同様に、図中のFeNiN(110)[1-10]は、FeNiN(110)における[1-10]軸方向において不整合度を調べたことを意味している。また、RMS不整合度は、FeNiN(110)[001]における不整合度とFeNiN(110)[1-10]における不整合度を二乗平均平方根(Root Mean Square)したものである。RMS不整合度は、[001]軸方向および[1-10]軸方向において、全体としてどれだけ格子不整合が生じているかを示す指標となる。 Figure 6 shows the lattice mismatch and RMS mismatch between each material and FeNiN(110) when the support substrate 10 is composed of the cubic oxides MgO(110), STO(110), and LAO(110). FeNiN(110)[001] in the figure indicates that the mismatch was measured along the [001] axis in FeNiN(110). Similarly, FeNiN(110)[1-10] in the figure indicates that the mismatch was measured along the [1-10] axis in FeNiN(110). The RMS mismatch is the root mean square of the mismatch in FeNiN(110)[001] and the mismatch in FeNiN(110)[1-10]. The RMS mismatch is an index that indicates the overall degree of lattice mismatch in the [001] and [1-10] axis directions.
この図に示されるように、FeNiN(110)[001]においては、不整合度の絶対値が小さい順に、LAO(110)、STO(110)、MgO(110)となっている。また、FeNiN(110)[1-10]においては、MgO(110)とLAO(110)について不整合度の絶対値が大きく、STO(110)について不整合度の絶対値が小さくなっている。RMS不整合度については、STO(110)が最も小さくなっており、次いでLAO(110)で、最も大きいのがMgO(110)となる。 As shown in this figure, in FeNiN(110)[001], the absolute values of the mismatch are LAO(110), STO(110), and MgO(110), in descending order. Furthermore, in FeNiN(110)[1-10], the absolute values of the mismatch are large for MgO(110) and LAO(110), while the absolute value of the mismatch is small for STO(110). Regarding the RMS mismatch, STO(110) has the smallest value, followed by LAO(110), and the largest for MgO(110).
ここで示したMgO(110)、STO(110)、LAO(110)のいずれを支持基板10として用いても、大きな寸法のシングルバリアントを得ることができる。そして、基本的には、FeNiN(110)における[001]軸方向および[1-10]軸方向の不整合度の絶対値が小さいほど、バリアントの低減効果を高くすることができると考えられる。 Whether MgO(110), STO(110), or LAO(110) shown here is used as the support substrate 10, a large single variant can be obtained. Furthermore, it is believed that, fundamentally, the smaller the absolute value of the mismatch in the [001] and [1-10] axial directions in FeNiN(110), the greater the effect of reducing variants.
しかしながら、実験を行い、MgO(110)、STO(110)、LAO(110)を支持基板10として用いて、正方晶系薄膜20としてFeNiNを成長したところ、STO(110)よりもLAO(110)の方がバリアントの低減効果が高かった。これは、(110)面方位を用いて正方晶系薄膜20を成長した場合、(101)面も成長し得るためであると考えられる。 However, in an experiment in which FeNiN was grown as a tetragonal thin film 20 using MgO(110), STO(110), and LAO(110) as the support substrate 10, it was found that LAO(110) had a greater effect in reducing variants than STO(110). This is thought to be because when a tetragonal thin film 20 is grown using the (110) plane orientation, the (101) plane can also grow.
図7中の(a)に示すように、FeNiNにおいて、(110)面は、図中実線ハッチングで示され、(101)面は、図中破線ハッチングで示される。図7中の(b)は、(110)配向のFeNiNを示しており、この図はSTO[110]およびFeNiN[110]方向からみたものであり、FeNiNの結晶構造の下方に(110)面方位の支持基板10が配置されていて、その上にFeNiNが(110)面で成長した場合の結晶構造を示している。この図に示すように(110)配向でFeNiNが成長した場合、c軸が一意に決定する。一方、図7中の(c)は、(101)配向のFeNiNを示しており、この図はSTO[110]方向およびFeNiN[010]方向からみたものであり、FeNiNの結晶構造の下方に(110)面方位の支持基板10が配置されていて、その上にFeNiNが(101)面で成長した場合の結晶構造を示している。この図に示すように(101)配向でFeNiNが成長した場合、c軸の二方向の成長が有り得、マルチバリアントになり得る。 As shown in Figure 7(a), in FeNiN, the (110) plane is indicated by solid hatching, and the (101) plane is indicated by dashed hatching. Figure 7(b) shows (110)-oriented FeNiN, as viewed from the STO[110] and FeNiN[110] directions. A support substrate 10 with a (110) plane orientation is placed below the FeNiN crystal structure, and the crystal structure is shown when FeNiN is grown on top of it with the (110) plane. When FeNiN is grown with the (110) orientation as shown in this figure, the c-axis is uniquely determined. On the other hand, (c) in Figure 7 shows (101)-oriented FeNiN, viewed from the STO[110] and FeNiN[010] directions. It shows the crystal structure when a support substrate 10 with a (110) orientation is placed below the FeNiN crystal structure, and FeNiN is grown on top of it along the (101) plane. As shown in this figure, when FeNiN grows with a (101) orientation, growth in two directions along the c-axis is possible, resulting in multi-variant structures.
このため、FeNiN(101)方向に成長しないのが望ましい。(101)面についてFeNiNが成長しないようにするためには、FeNiN(101)とのRMS不整合度がある程度大きくなっている必要がある。 For this reason, it is desirable that FeNiN not grow in the (101) direction. To prevent FeNiN from growing on the (101) plane, the RMS mismatch with FeNiN (101) must be large to a certain extent.
図8は、支持基板10を立方晶酸化物であるMgO(110)、STO(110)、LAO(110)で構成する場合の各材質とFeNiN(101)との格子不整合度とそのRMS不整合度を示している。図中のFeNiN(101)[010]は、FeNiN(101)における[010]軸方向において不整合度を調べたことを意味している。同様に、図中のFeNiN(101)[-101]は、FeNiN(101)における[-101]軸方向において不整合度を調べたことを意味している。また、RMS不整合度は、FeNiN(101)[010]における不整合度とFeNiN(101)[-101]における不整合度を二乗平均平方根したものである。RMS不整合度は、[010]軸方向および[-101]軸方向において、全体としてどれだけ格子不整合が生じているかを示す指標となる。 Figure 8 shows the lattice mismatch and RMS mismatch between each material and FeNiN(101) when the support substrate 10 is composed of the cubic oxides MgO(110), STO(110), and LAO(110). FeNiN(101)[010] in the figure indicates that the mismatch was measured along the [010] axis in FeNiN(101). Similarly, FeNiN(101)[-101] in the figure indicates that the mismatch was measured along the [-101] axis in FeNiN(101). The RMS mismatch is the root mean square of the mismatch in FeNiN(101)[010] and the mismatch in FeNiN(101)[-101]. The RMS mismatch is an index that indicates the overall degree of lattice mismatch in the [010] and [-101] axis directions.
この図に示されるように、FeNiN(101)[010]においては、不整合度の絶対値が小さい順に、STO(110)、MgO(110)、LAO(110)となっている。また、FeNiN(101)[-101]においては、不整合度の絶対値が小さい順に、STO(110)、LAO(110)、MgO(110)となっている。そして、RMS不整合度については、STO(110)が最も小さくなっており、次いでLAO(110)、最も大きいのがMgO(110)となる。 As shown in this figure, in FeNiN(101)[010], the order of the absolute mismatch is STO(110), MgO(110), and LAO(110). In FeNiN(101)[-101], the order of the absolute mismatch is STO(110), LAO(110), and MgO(110). Furthermore, in terms of RMS mismatch, STO(110) has the smallest RMS mismatch, followed by LAO(110), and then MgO(110).
FeNiN(110)を成長させるには、RMS不整合度が低い方が良く、その意味では、図6に示したように、STO(110)が好ましい。しかしながら、FeNiN(101)を成長させないようにするには、RMS不整合度が高い方が良く、STO(110)よりもLAO(110)やMgO(110)の方が良い。このため、実験結果としては、STO(110)を用いるよりもLAO(110)を用いた方が、よりバリアントの低減効果が高くなったと言える。 To grow FeNiN(110), a low RMS mismatch is preferable, and in that sense, STO(110) is preferred, as shown in Figure 6. However, to prevent the growth of FeNiN(101), a high RMS mismatch is preferable, and LAO(110) or MgO(110) are better than STO(110). Therefore, the experimental results show that using LAO(110) was more effective at reducing variants than using STO(110).
FeNiN(110)とFeNiN(101)それぞれについて、支持基板10としてMgO(110)、STO(110)、LAO(110)を用いた場合の立方晶格子定数とRMS不整合度との関係を調べたところ、図9に示す結果が得られた。また、立方晶格子定数とRMS不整合度差、つまりFeNiN(110)とFeNiN(101)それぞれでのRMS不整合度を差分との関係を調べたところ、図10に示す結果が得られた。なお、RMS不整合度の差分は、得たい配向方向のRMS不整合度から得たくない配向のRMS不整合度を差し引いた値、ここではFeNiN(110)RMS不整合度からFeNiN(101)RMS不整合度を差し引いた値である。 The relationship between the cubic lattice constant and the RMS mismatch was investigated for FeNiN(110) and FeNiN(101) when MgO(110), STO(110), and LAO(110) were used as the support substrate 10. The results shown in Figure 9 were obtained. The relationship between the cubic lattice constant and the RMS mismatch difference, i.e., the difference in the RMS mismatch between FeNiN(110) and FeNiN(101), was also investigated. The results shown in Figure 10 were obtained. The RMS mismatch difference is the RMS mismatch of the desired orientation minus the RMS mismatch of the undesired orientation. In this case, it is the FeNiN(110) RMS mismatch minus the FeNiN(101) RMS mismatch.
図9に示されるように、立方晶格子定数とRMS不整合度との間には相関があると考えられる。FeNiN(110)、FeNiN(101)のいずれの場合も、STO(110)の立方晶格子定数である0.3905nm近辺で最もRMS不整合度が小さくなり、それよりも立方晶格子定数が小さくまたは大きくなると、RMS不整合度が増加する。ただし、立方晶格子定数がSTO(110)の値よりも小さくなると、RMS不整合度差が小さくなる。すなわち、STO(110)ではRMS不整合度差が1.97%発生しているが、LAO(110)ではRMS不整合度差がほぼ0%になる。 As shown in Figure 9, there appears to be a correlation between the cubic lattice constant and the RMS mismatch. In both FeNiN(110) and FeNiN(101) cases, the RMS mismatch is smallest near 0.3905 nm, the cubic lattice constant of STO(110). The RMS mismatch increases as the cubic lattice constant becomes smaller or larger than that. However, as the cubic lattice constant becomes smaller than that of STO(110), the RMS mismatch difference decreases. In other words, while the RMS mismatch difference is 1.97% for STO(110), it is nearly 0% for LAO(110).
元々、FeNiN(110)およびFeNiN(101)のRMS不整合度が同じであったとすれば、表面エネルギーの安定性等の観点からFeNiN(110)の方がFeNiN(101)よりも生成され易い。このため、FeNiN(110)が多少大きくなったとしても、(110)面方位および(101)面方位それぞれでのRMS不整合度の差分であるRMS不整合度差が小さいことで、FeNiN(110)が優先して生成されたと考えられる。 If the RMS mismatch between FeNiN(110) and FeNiN(101) were originally the same, FeNiN(110) would be more likely to form than FeNiN(101) due to factors such as surface energy stability. Therefore, even if FeNiN(110) becomes somewhat larger, it is thought that FeNiN(110) was preferentially formed due to the smaller RMS mismatch difference between the (110) and (101) surface orientations.
したがって、RMS不整合度差がより小さい立方晶系の結晶構造とすれば、配向を制御でき、例えばFeNiN(110)が優先して生成され、よりシングルバリアントを得ることができて、バリアントの低減効果を高めることが可能となる。具体的には、STO(110)の場合の1.97%よりも小さな1.9%以下、立方晶格子定数で言えば、0.3905nmよりも小さな0.39nm以下の立方晶形の結晶構造とすれば、STO(110)よりも高いバリアントの低減効果が得られる。 Therefore, if a cubic crystal structure with a smaller RMS mismatch difference is used, the orientation can be controlled, and for example, FeNiN(110) is preferentially produced, resulting in a more single variant and a greater variant reduction effect. Specifically, if a cubic crystal structure with a lattice constant of 1.9% or less, which is smaller than the 1.97% in the case of STO(110), or 0.39 nm or less, which is smaller than 0.3905 nm in cubic crystal lattice constant, is used, a greater variant reduction effect than STO(110) can be achieved.
なお、ここでは立方晶系の結晶構造を有する支持基板10の材質として、STO(110)、LAO(110)、MgO(110)を例に挙げたが、これに限るものではない。図9、図10は、立方晶の格子定数からRMS不整合度、RMS不整合度差を計算し、近似曲線として記載したものである。STO(110)、LAO(110)、MgO(110)の計算結果もプロットしてある。この近似曲線は、ある材質の立方晶格子定数に対応するRMS不整合度、RMS不整合度差を示しており、STO(110)、LAO(110)、MgO(110)以外の材質についても、立方晶格子定数とRMS不整合度、RMS不整合度差の関係は概ねこの近似曲線に対応した関係になる。このため、STO(110)、LAO(110)、MgO(110)以外の材質であっても、STO(110)の場合の1.97%よりも小さな1.9%以下の立方晶系の結晶構造とすれば、STO(110)よりも高いバリアントの低減効果が得られる。 While STO(110), LAO(110), and MgO(110) are used as examples of materials for the support substrate 10 having a cubic crystal structure, this is not a limitation. Figures 9 and 10 show the RMS mismatch and RMS mismatch difference calculated from the cubic lattice constant, plotted as approximate curves. The calculation results for STO(110), LAO(110), and MgO(110) are also plotted. This approximate curve shows the RMS mismatch and RMS mismatch difference corresponding to the cubic lattice constant of a material. For materials other than STO(110), LAO(110), and MgO(110), the relationship between the cubic lattice constant and the RMS mismatch and RMS mismatch difference generally corresponds to this approximate curve. Therefore, even if a material other than STO(110), LAO(110), or MgO(110) is used, if it has a cubic crystal structure of 1.9% or less, which is smaller than the 1.97% in the case of STO(110), a greater variant reduction effect than STO(110) can be achieved.
次に、STO(100)を用いた比較構造を比較例1とし、実施例1~3として、STO(110)、MgO(110)、LAO(110)をそれぞれ用いてFeNiNを成長させた。具体的には、支持基板10の温度を350℃とし、Fe、Niおよび高周波(RF)N2の同時供給によるMBE法により、支持基板10上に正方晶系薄膜20としてFeNiN膜を20nmエピタキシャル成長させた。成長装置のチャンバー内へのN2流量を1.0sccm、RF入力を280Wとした。それら比較例1および実施例1~3について図11を参照して説明する。なお、図11に示す結果については、後述する図12~図14に示すX線回折の結果に基づいて得られたものである。 Next, a comparative structure using STO(100) was used as Comparative Example 1, and FeNiN was grown using STO(110), MgO(110), and LAO(110) as Examples 1 to 3, respectively. Specifically, the temperature of the support substrate 10 was set to 350°C, and a 20-nm FeNiN film was epitaxially grown on the support substrate 10 as a tetragonal thin film 20 by MBE with simultaneous supply of Fe, Ni, and radio frequency (RF) N2 . The N2 flow rate into the chamber of the growth apparatus was 1.0 sccm, and the RF input was 280 W. Comparative Example 1 and Examples 1 to 3 will be described with reference to FIG. 11 . The results shown in FIG. 11 were obtained based on the X-ray diffraction results shown in FIGS. 12 to 14 , which will be described later.
(比較例1)
まず、比較構造を作製し、FeNiN面直配向方向と面内(001)配向率を調べた。その結果、図11に示すように、基板に対して面直方向は(100)配向であり(001)は面直方向にないことが分かる。面内(001)配向率については57.5%になっていた。つまり、面内に[001]方向にバリアントが二つ直交する、マルチバリアント状態になっていることが確認された。
(Comparative Example 1)
First, a comparative structure was fabricated and the FeNiN perpendicular orientation direction and in-plane (001) orientation rate were investigated. As a result, as shown in Figure 11, it was found that the (100) orientation was perpendicular to the substrate, and (001) was not perpendicular to the surface. The in-plane (001) orientation rate was 57.5%. In other words, it was confirmed that a multi-variant state existed, with two variants perpendicular to the [001] direction in the surface.
(実施例1)
実施例1として、STO(110)で構成された支持基板10を用いて正方晶系薄膜20としてFeNiNを成膜し、FeNiN面直配向方向と面内(001)配向率を調べた。その結果、図11に示すように基板に対して面直の配向方向は(110)であり(001)は面直方向にないことが分かる。面内(001)配向率は72.7%であった。これは比較例1と比較して面内の(001)配向が高いことを示している。さらに、(110)面内配向率は69.7%であり、(110)配向を示すことが分かった。
Example 1
In Example 1, FeNiN was formed as a tetragonal thin film 20 using a support substrate 10 composed of STO (110), and the FeNiN perpendicular orientation direction and in-plane (001) orientation rate were investigated. As a result, as shown in FIG. 11, it was found that the orientation direction perpendicular to the substrate was (110), and (001) was not perpendicular to the surface. The in-plane (001) orientation rate was 72.7%, which indicates a higher in-plane (001) orientation than in Comparative Example 1. Furthermore, the (110) in-plane orientation rate was 69.7%, indicating a (110) orientation.
(実施例2)
実施例2として、MgO(110)で構成された支持基板10を用いて正方晶系薄膜20としてFeNiNを成膜し、FeNiN面直配向方向と面内(001)配向率を調べた。その結果、図11に示すように、面直の基板配向方向は(110)であり、(001)は面直方向にないことが分かる。面内(001)配向率は72.7%であった。これは比較例1と比較して(001)配向が高いことを示している。さらに、面内(110)配向率は69.7%であり、(110)配向を示すことが分かった。
Example 2
In Example 2, FeNiN was formed as a tetragonal thin film 20 using a support substrate 10 composed of MgO (110), and the FeNiN perpendicular orientation direction and in-plane (001) orientation rate were investigated. As a result, as shown in FIG. 11, it was found that the substrate orientation direction perpendicular to the plane was (110), and (001) was not perpendicular to the plane. The in-plane (001) orientation rate was 72.7%, indicating a higher (001) orientation than in Comparative Example 1. Furthermore, the in-plane (110) orientation rate was 69.7%, indicating a (110) orientation.
(実施例3)
実施例3として、LAO(110)で構成された支持基板10を用いて正方晶系薄膜20としてFeNiNを成膜し、FeNiN面直配向方向と面内(001)配向率を調べた。その結果、図11に示すように、面直の基板配向方向は(110)であり、(001)は面直方向にないことが分かる。面内(001)配向率は98.1%であった。これは比較例1と比較して(001)配向が高いことを示している。さらに、面内(110)配向率は95.9%であり、実施例1や実施例2と比較して高い(110)配向を示すことが分かった。つまり、面内(001)配向率と面内(110)配向率とが両方共に高い値となっており、実施例1~3の中では最も大きな寸法のシングルバリアントが得られていることが確認された。
Example 3
In Example 3, FeNiN was formed as a tetragonal thin film 20 using a support substrate 10 composed of LAO (110), and the FeNiN perpendicular orientation direction and in-plane (001) orientation rate were investigated. As a result, as shown in FIG. 11 , it was found that the substrate orientation direction perpendicular to the plane was (110), and (001) was not perpendicular to the plane. The in-plane (001) orientation rate was 98.1%, indicating a higher (001) orientation than in Comparative Example 1. Furthermore, the in-plane (110) orientation rate was 95.9%, indicating a higher (110) orientation than in Examples 1 and 2. In other words, both the in-plane (001) orientation rate and the in-plane (110) orientation rate were high, confirming that a single variant with the largest dimensions was obtained among Examples 1 to 3.
比較例1および実施例1~3について、複数の方向からX線を入射し、X線回折パターンを調べた。具体的には、X線回折の散乱ベクトルが正方晶系薄膜20の表面に対する法線方向、つまり支持基板10の主表面に対する法線方向(以下、第1方向という)と、主表面に接する正方晶系薄膜20の面内の二方向について、X線を入射してX線回折パターンを調べた。面内の二方向は、面内において直交する二方向であり、以下、そのうちの一方向を第2方向といい、第2方向と垂直なもう一方向を第3方向という。 For Comparative Example 1 and Examples 1 to 3, X-rays were incident from multiple directions to examine the X-ray diffraction patterns. Specifically, X-rays were incident in two directions in which the scattering vector of the X-ray diffraction was normal to the surface of the tetragonal thin film 20, i.e., the normal to the main surface of the support substrate 10 (hereinafter referred to as the first direction), and in which the X-ray diffraction patterns were examined. The two in-plane directions are two orthogonal directions in the plane; hereinafter, one of these directions will be referred to as the second direction, and the other direction perpendicular to the second direction will be referred to as the third direction.
図12~図14は、比較例1および実施例1~3それぞれについて、第1~第3方向それぞれにX線を入射したときのX線回折パターンを示している。図12は、正方晶系薄膜20の表面に対する法線方向である第1方向にX線回折の散乱ベクトルがくるようにX線を入射しているため、正方晶系薄膜20の表面の法線方向の結晶構造を反映したX線回折パターンとなる。また、図13、図14は、正方晶系薄膜20の表面の面内である第2、第3方向に対してX線回折の散乱ベクトルがくるようにX線を入射しているため、正方晶系薄膜20の表面の面内方向の結晶構造を反映したX線回折パターンとなる。比較例1について第2方向は基板の[001]方向を選び、第3方向は、基板対称性から回折強度は002と200が入れ替わるだけであり、図14中には比較例1のX線回折パターンを示していない。実施例1~3については、第2方向は基板の[001]方向を選ぶと、第3方向は、基板の[110]方向に対応することになる。X線回折測定については、10mm角で厚み0.5mmの支持基板10に対してFeNiNを成膜させたのち、第1~第3方向それぞれについて波長λ=0.15418nmのCuKa線を照射して行った。角度2θ(degree)については、38~72°の範囲において0.02°刻みで実施した。 Figures 12 to 14 show X-ray diffraction patterns obtained when X-rays are incident in the first to third directions, respectively, for Comparative Example 1 and Examples 1 to 3. In Figure 12, X-rays are incident so that the scattering vector of the X-ray diffraction is aligned in the first direction, which is the normal direction to the surface of the tetragonal thin film 20, resulting in an X-ray diffraction pattern that reflects the crystalline structure in the normal direction to the surface of the tetragonal thin film 20. In Figures 13 and 14, X-rays are incident so that the scattering vector of the X-ray diffraction is aligned in the second and third directions, which are in-plane on the surface of the tetragonal thin film 20, resulting in X-ray diffraction patterns that reflect the crystalline structure in the in-plane directions on the surface of the tetragonal thin film 20. For Comparative Example 1, the second direction is the [001] direction of the substrate, and for the third direction, the diffraction intensity simply swaps between 002 and 200 due to substrate symmetry; therefore, the X-ray diffraction pattern for Comparative Example 1 is not shown in Figure 14. For Examples 1 to 3, if the second direction is the [001] direction of the substrate, then the third direction corresponds to the [110] direction of the substrate. X-ray diffraction measurements were performed by depositing an FeNiN film on a 10 mm square, 0.5 mm thick support substrate 10, and then irradiating it with CuKa radiation at a wavelength λ of 0.15418 nm in each of the first to third directions. The angle 2θ (degrees) was measured in 0.02° increments in the range of 38 to 72°.
まず、FeNiNの主要なX線回折ピークは、図15のように示される。例えば、(200)は、角度2θ(degree)が45.317°がピークになるということを示している。この図に示したピークとなり得る角度2θ(degree)について近傍の1.0°の角度範囲内にピークが現れるかどうか判定している。回折強度バックグラウンドや誤差については、例えばFeNiNや基板のピークの無い53-57°の範囲で求めた。ピーク強度の算出はピークトップ周りの0.1°の範囲で平均をとって、ピーク強度としている。ピーク強度が回折強度バックグラウンドより高ければ、その角度2θ(degree)での方向に配向している方向があると言うことができる。また、(001)や(110)の回折ピークは回折強度が弱い為、結晶構造の決定には使用していない。 First, the main X-ray diffraction peaks of FeNiN are shown in Figure 15. For example, (200) indicates that the peak occurs at an angle 2θ (degrees) of 45.317°. Regarding the angles 2θ (degrees) shown in this figure, we determined whether a peak appears within a 1.0° angle range nearby. The diffraction intensity background and error were determined, for example, in the range of 53-57°, where there are no peaks for FeNiN or the substrate. The peak intensity was calculated by averaging within a 0.1° range around the peak top. If the peak intensity is higher than the diffraction intensity background, it can be said that there is a direction oriented in the direction of that angle 2θ (degrees). Furthermore, because the diffraction intensity of the (001) and (110) peaks is weak, they were not used to determine the crystal structure.
図13中に正方晶系薄膜20の表面の面内における面内(001)配向率を示してある。面内(001)配向率については、面内の配向度合を見るために算出した。面内(001)配向率については、FeNiN(200)やFeNiN(002)などの基本反射の現れるピークについて、ピーク強度を求め、それらピーク強度をそれぞれ合計して(001)配向方向の占める割合を算出した。つまり、回折強度バックグラウンドや誤差ではない、支持基板10に由来のものでないFeNiN(200)やFeNiN(220)などの基本反射の現れるピークに基づいて面内(001)配向率を求めている。
また、図14中に正方晶系薄膜20の表面の面内における面内(110)配向率を示してある。面内(110)配向率については、第3方向の面内の配向度合を見るために算出しおり、比較例1については基板の対称性から除外している。面内(110)配向率については、FeNiN(220)やFeNiN(202)などの基本反射の現れるピークについて、ピーク強度を求め、それらピーク強度のうち(220)配向方向の占める割合を算出した。つまり、回折強度バックグラウンドや誤差ではない、支持基板10に由来のものでないFeNiN(200)やFeNiN(220)などの基本反射の現れるピークに基づいて面内(110)配向率を求めている。
13 shows the in-plane (001) orientation ratio in the surface of the tetragonal thin film 20. The in-plane (001) orientation ratio was calculated to determine the degree of in-plane orientation. The in-plane (001) orientation ratio was calculated by determining the peak intensities of peaks exhibiting fundamental reflections such as FeNiN(200) and FeNiN(002), and then summing these peak intensities to calculate the proportion of the (001) orientation direction. In other words, the in-plane (001) orientation ratio was calculated based on peaks exhibiting fundamental reflections such as FeNiN(200) and FeNiN(220), which are not due to diffraction intensity background or error and are not derived from the support substrate 10.
14 also shows the in-plane (110) orientation ratio within the surface of the tetragonal thin film 20. The in-plane (110) orientation ratio was calculated to determine the degree of in-plane orientation in the third direction, and Comparative Example 1 was excluded from the symmetry of the substrate. The in-plane (110) orientation ratio was calculated by determining the peak intensities of peaks exhibiting fundamental reflections such as FeNiN(220) and FeNiN(202), and then calculating the proportion of these peak intensities that were accounted for by the (220) orientation direction. In other words, the in-plane (110) orientation ratio was determined based on peaks exhibiting fundamental reflections such as FeNiN(200) and FeNiN(220), which are not due to diffraction intensity background or error and are not derived from the support substrate 10.
FeNiNの場合、支持基板10をSTO(100)とする場合であればその整数n倍である(n00)、例えば(200)、STO(110)とする場合であればその整数n倍である(nn0)、例えば(220)においてピークが現れるのが好ましい。また、整数倍でない(202)にピークが現れると、マルチバリアント状態になっていることを意味する。 In the case of FeNiN, if the support substrate 10 is STO(100), it is preferable that a peak appears at an integer multiple n of (n00), for example (200), and if it is STO(110), it is preferable that a peak appears at an integer multiple n of (nn0), for example (220). Furthermore, if a peak appears at (202), which is not an integer multiple, it indicates that the material is in a multivariant state.
図12を見てみると、比較例1では、FeNiN(200)においてピークが現れているが、FeNiN(002)にはピークが現れていない。これは、(100)面に垂直な方向に対してa軸が平行に出ていることを示しており、STO(100)面内と垂直にc軸がほぼ存在していないことを表す。 Looking at Figure 12, in Comparative Example 1, a peak appears in FeNiN(200), but no peak appears in FeNiN(002). This indicates that the a-axis is parallel to the direction perpendicular to the (100) plane, and that there is almost no c-axis perpendicular to the STO(100) plane.
また、実施例1~3では、すべてFeNiN(220)においてピークが現れており、FeNiN(002)などの他の方向に対応する角度2θ(degree)ではピークが現れていない。特に、実施例3では、(220)においてピークの強度が大きく現れている。 Furthermore, in Examples 1 to 3, a peak appears at FeNiN (220), and no peak appears at angles 2θ (degrees) corresponding to other directions such as FeNiN (002). In particular, in Example 3, a large peak intensity appears at (220).
一方、図13を見てみると、比較例1では、FeNiN(200)とFeNiN(002)の2つでピークが現れている。これは、STO(100)面内で異なる方向のc軸が存在していること、つまり図2Aおよび図2Bに示したように、FeNiNのc軸が90°交差するバリアントが2種類できていることを意味している。そして、FeNiN(200)とFeNiN(002)の2つのピークの強度がほぼ等しくなっていることから、2つの方向のc軸がほぼ等しく現れていて、各バリアントがほぼ等しく発生していることが判る。 On the other hand, looking at Figure 13, in Comparative Example 1, two peaks appear, one for FeNiN(200) and one for FeNiN(002). This means that c-axes in different directions exist within the STO(100) plane, meaning that two types of variants have been created in which the FeNiN c-axes intersect at 90°, as shown in Figures 2A and 2B. Furthermore, since the intensities of the two peaks, FeNiN(200) and FeNiN(002), are roughly equal, it can be seen that the c-axes in the two directions appear roughly equally, and that each variant is occurring roughly equally.
実施例1~3についても、FeNiN(200)とFeNiN(002)の2つでピークが現れているが、2つのピークに差が出ている。これは、より強度が大きなピークに対応する方向に配向していることを意味しており、大きな寸法のシングルバリアントが得られていることが判る。また、図14を見てみても、これと同様のことが判る。そして、配向率については、図13および図14に記載したように、比較例1が60%未満であったのに対して、実施例1~3はいずれも60%以上、殆どが70%以上になっていた。特に、支持基板10をLAOで構成した場合には、95%以上という高い面内(001)配向率が得られており、大きな寸法のシングルバリアントが得られていることが示されている。 In Examples 1 to 3, two peaks appear, one for FeNiN (200) and one for FeNiN (002), but there is a difference between the two peaks. This means that the orientation is in the direction corresponding to the peak with the greater intensity, and it can be seen that a single variant with large dimensions was obtained. A similar observation can be made in Figure 14. Furthermore, as shown in Figures 13 and 14, while the orientation rate in Comparative Example 1 was less than 60%, Examples 1 to 3 were all 60% or higher, and most were 70% or higher. In particular, when the support substrate 10 was made of LAO, a high in-plane (001) orientation rate of 95% or higher was obtained, indicating that a single variant with large dimensions was obtained.
さらに、LAO(110)で構成して支持基板10の主表面上にFeNiNを成膜した後に脱窒素処理を行い、正方晶系薄膜20をL10型のFeNi規則合金薄膜としてから正方晶系薄膜20の面内での磁気特性を調べた。図16は、その結果を示しており、c軸と平行方向での磁気特性とc軸と垂直方向での磁気特性を示している。支持基板10の上に正方晶系薄膜20としてL10型のFeNi規則合金薄膜を形成した試料を用意し、外部磁場を印加掃引して、M/Msの変化を測定した。 Furthermore, a film of FeNiN was formed on the main surface of the support substrate 10 composed of LAO (110), and then denitrification treatment was performed to convert the tetragonal thin film 20 into an L10 type FeNi ordered alloy thin film, and the in-plane magnetic properties of the tetragonal thin film 20 were then investigated. Figure 16 shows the results, showing the magnetic properties in the direction parallel to the c-axis and the magnetic properties in the direction perpendicular to the c-axis. A sample was prepared in which an L10 type FeNi ordered alloy thin film was formed as the tetragonal thin film 20 on the support substrate 10, and an external magnetic field was applied and swept to measure the change in M/ Ms .
図16に示すように、c軸の平行方向と垂直方向それぞれの磁気特性が全く異なっている。L10型のFeNi規則合金の結晶構造は、Fe層とNi層の積層構造によって構成されており、積層方向において磁化し易いという特性を有している。このため、c軸と平行方向、つまりFe層とNi層の積層方向においては小さな磁場を印加しただけでM/Msが大きな値になり、磁化し易くなっていて、c軸と垂直方向においては大きな磁場を印加しないとM/Msが大きな値にならず、磁化し難くなっている。このことから、L10型のFeNi規則合金薄膜を面内配向性の高い結晶にできていることが判る。なお、Mは磁化、Msは飽和磁化を示している。 As shown in Figure 16, the magnetic properties are completely different in the directions parallel and perpendicular to the c-axis. The crystal structure of the L1 0 type FeNi ordered alloy is composed of a stacked structure of Fe layers and Ni layers, and has the property of being easily magnetized in the stacked direction. Therefore, in the direction parallel to the c-axis, i.e., the stacked direction of the Fe layers and Ni layers, even if a small magnetic field is applied, M/ Ms becomes a large value, making it easy to magnetize, while in the direction perpendicular to the c-axis, M/ Ms does not become a large value unless a large magnetic field is applied, making it difficult to magnetize. This shows that the L1 0 type FeNi ordered alloy thin film is made into a crystal with high in-plane orientation. Note that M represents magnetization and Ms represents saturation magnetization.
次に、実施例4、5について説明する。実施例4、5は、支持基板10としてLAO(110)を用いて、LAO(110)上にFeNi膜を成膜し、アンモニアガス雰囲気での窒化処理によりFeNiN膜とした後に、水素ガス雰囲気で脱窒素処理を行うことで得られる。具体的には、支持基板10の温度を400℃として、FeNi合金ターゲット50:50atm%を用いた高周波(RF)スパッタリングにより、支持基板10上にFeNi膜を実施例4では16.6nm、実施例5では12.7nm成膜した。その後、上記のFeNi薄膜試料を、アンモニアガス雰囲気中で325℃で20時間窒化処理した後、さらに375℃10時間窒化処理を行い、FeNiNを形成した。このとき、実施例4、5について、FeNiN面直配向方向、面内(001)配向率および面内(110)配向率を調べたところ図11に示す結果が得られた。その後、水素ガス雰囲気中で200℃で2時間脱窒素処理を行うことで、支持基板10上にL10型のFeNi規則合金の正方晶系薄膜20が形成された実施例4、5のサンプルを得た。 Next, Examples 4 and 5 will be described. Examples 4 and 5 were obtained by using LAO (110) as the support substrate 10, forming an FeNi film on the LAO (110), nitriding it in an ammonia gas atmosphere to form an FeNiN film, and then denitriding it in a hydrogen gas atmosphere. Specifically, the temperature of the support substrate 10 was set to 400°C, and a 16.6 nm thick FeNi film was formed on the support substrate 10 by radio frequency (RF) sputtering using a 50:50 atm% FeNi alloy target in Example 4, and a 12.7 nm thick FeNi film was formed on the support substrate 10 in Example 4 and Example 5. The FeNi thin film samples were then nitrided in an ammonia gas atmosphere at 325°C for 20 hours, and then further nitrided at 375°C for 10 hours to form FeNiN. The FeNiN perpendicular orientation direction, in-plane (001) orientation ratio, and in-plane (110) orientation ratio were measured for Examples 4 and 5, and the results shown in FIG. 11 were obtained. Thereafter, denitrification treatment was carried out in a hydrogen gas atmosphere at 200° C. for 2 hours, thereby obtaining samples of Examples 4 and 5 in which a tetragonal thin film 20 of an L10 type FeNi ordered alloy was formed on a support substrate 10.
(実施例4)
実施例4として、LAO(110)で構成された支持基板10を用いて正方晶系薄膜20として成膜、窒化処理したFeNiNについて、FeNiN面直配向方向と面内(001)配向率を調べた。その結果、図11に示すように、基板に対して面直の配向方向は(110)である。面内(001)配向率は93.2%であった。これは比較例1と比較して(001)配向率が高いことを示している。さらに、面内(110)配向率は100%であり、実施例1~3と比較して高い(110)配向を示すことが分かった。つまり、面内(001)配向率と面内(110)配向率とが両方共に高い値であり、実施例1~2より高い配向、すなわち広いシングルバリアント領域が得られていることが確認された。なお、FeNiNからの脱窒素反応がFeとNiの規則構造を維持するトポタクティック反応であることから、FeNiNから脱窒素後した後のL10型のFeNi配向率もFeNiNと同様の配向率が得られていると考えられる。
Example 4
In Example 4, FeNiN was deposited as a tetragonal thin film 20 using a support substrate 10 composed of LAO (110) and nitrided. The FeNiN perpendicular orientation direction and in-plane (001) orientation rate were examined. As a result, as shown in FIG. 11 , the orientation direction perpendicular to the substrate was (110). The in-plane (001) orientation rate was 93.2%, indicating a higher (001) orientation rate compared to Comparative Example 1. Furthermore, the in-plane (110) orientation rate was 100%, indicating a higher (110) orientation rate compared to Examples 1 to 3. In other words, it was confirmed that both the in-plane (001) orientation rate and the in-plane (110) orientation rate were high values, and a higher orientation, i.e., a wider single variant region, was obtained than in Examples 1 and 2. In addition, since the denitrification reaction from FeNiN is a topotactic reaction that maintains the ordered structure of Fe and Ni, it is thought that the orientation ratio of L10 type FeNi after denitrification from FeNiN is similar to that of FeNiN.
また、実施例4は、例えば図17に示すように、支持基板10上に複数の島状構造体21が点在してなる正方晶系薄膜20が形成されていることが判明した。具体的には、脱窒素後の試料を集束イオンビーム(FIB)加工により薄片化して断面出しを行い、LAO(110)の[1-10]軸方向から試料の高分解能断面TEM観察を行った。その結果、正方晶系薄膜20は、図18に示すように、島状構造体21が(110)、(111)、(11-1)のFeNi単結晶であることを反映した面を有し、{111}面を少なくとも1つ以上有していることが判明した。なお、図18では、正方晶系薄膜20を構成する1つの粒子の結晶面を分かり易くするため、その上面および側面に矢印およびミラー指数を付している。なお、{111}の表記は、6種の等価な面(111)、(11-1)、(1-11)、(1-1-1)、(-1-11)、(-1-1-1)を表している。また、島状構造体21が{111}面を少なくとも1つ以上有するとは、その外表面に6種の等価な面(111)、(11-1)、(1-11)、(1-1-1)、(-1-11)、(-1-1-1)のいずれかに該当する面を1つ以上有することをいう。なお、本明細書においては、ミラー指数の表記における『-』は、例えば図18に示すように、その直後の指数上に記載されるバーを意味する。 In Example 4, it was found that a tetragonal thin film 20 was formed on a support substrate 10, with multiple island-shaped structures 21 scattered thereon, as shown in Figure 17. Specifically, the denitrified sample was thinned using focused ion beam (FIB) processing to expose the cross-section, and high-resolution cross-sectional TEM observation of the sample was performed along the [1-10] axis of the LAO (110). As a result, it was found that the tetragonal thin film 20 had planes reflecting the island-shaped structures 21 being FeNi single crystals with (110), (111), and (11-1) orientations, and had at least one {111} plane, as shown in Figure 18. Note that in Figure 18, arrows and Miller indices are attached to the top and side surfaces of each particle constituting the tetragonal thin film 20 to make the crystal planes easier to understand. The notation {111} represents six equivalent planes: (111), (11-1), (1-11), (1-1-1), (-1-11), and (-1-1-1). The island-like structure 21 having at least one {111} plane means that its outer surface has one or more planes that fall into any of the six equivalent planes: (111), (11-1), (1-11), (1-1-1), (-1-11), and (-1-1-1). In this specification, the "-" in the Miller index notation refers to the bar that appears above the index immediately following it, as shown in FIG. 18, for example.
実施例4にかかる正方晶系薄膜20は、LAO(110)の支持基板10上に、厚みが30nm程度のFeNiの島状構造体21が多数形成され、これらの島状構造体21が群島をなすように点在した島状構造であった。なお、ここでいう「点在」とは、複数の島状構造体21のそれぞれが互いに距離を隔てて配置される場合のほか、一部の島状構造体21同士が接触し、他の島状構造体21が距離を隔てて配置される場合を含む。そして、正方晶系薄膜20を構成する複数の島、すなわちFeNiの島状構造体21は、それぞれ、LAO(110)の[1-10]軸方向から見たとき、その外表面のうち支持基板10のとは反対側に位置する上面が(110)面であった。また、正方晶系薄膜20をなすFeNiの島状構造体21は、その上面に隣接する側面が{111}面であり、外表面のうち少なくとも1つの面が{111}面であった。 The tetragonal thin film 20 of Example 4 had a large number of FeNi island structures 21, each approximately 30 nm thick, formed on an LAO(110) support substrate 10, and these island structures 21 were scattered to form an archipelago. Note that "scattered" here includes cases where the multiple island structures 21 were arranged at a distance from each other, as well as cases where some island structures 21 were in contact with each other and other island structures 21 were arranged at a distance from each other. Furthermore, when viewed from the [1-10] axis direction of LAO(110), the multiple islands that made up the tetragonal thin film 20, i.e., the FeNi island structures 21, each had an outer surface, the upper surface opposite the support substrate 10, that was the (110) plane. Furthermore, the side surfaces adjacent to the top surfaces of the FeNi island structures 21 that make up the tetragonal thin film 20 are {111} planes, and at least one of the outer surfaces is a {111} plane.
また、図18において破線で示す支持基板10に対する厚み方向20nm×支持基板10に対する平面方向50nmのサイズのXIX領域についてFFTによる逆格子パターン解析を行った結果を図19に示す。なお、図19では、白点で示す反射の回折スポットパターンの一部にミラー指数を付している。図19において、白点は基本反射の回折スポットパターンと超格子反射の回折スポットパターンからなっており、特に明るい白点が基本反射の回折スポットを示し、図中の白抜き矢印の先端が指す白点が超格子反射の回折スポットを示している。実施例4は、図19に示すように、001、110の超格子反射の回折スポットが明瞭に観察される一方で、他の超格子反射の回折スポットについては明瞭に観察されなかった。この結果は、少なくとも20nm×50nmのサイズの観察範囲においてはL10-FeNiの島状構造体21の配向方向が揃っており、少なくとも20nm×50nm以上の広いシングルバリアント領域が得られたことを示している。 FIG. 19 shows the results of reciprocal lattice pattern analysis by FFT on an XIX region having a size of 20 nm in the thickness direction relative to the support substrate 10 and 50 nm in the planar direction relative to the support substrate 10, as indicated by the dashed line in FIG. 18 . In FIG. 19 , Miller indices are added to some of the diffraction spot patterns of reflections indicated by white dots. In FIG. 19 , the white dots consist of diffraction spot patterns of basic reflections and diffraction spot patterns of superlattice reflections, with particularly bright white dots indicating diffraction spots of basic reflections, and the white dots indicated by the tips of the white arrows in the figure indicating diffraction spots of superlattice reflections. In Example 4, as shown in FIG. 19 , diffraction spots of 001 and 110 superlattice reflections were clearly observed, while diffraction spots of other superlattice reflections were not clearly observed. This result indicates that the orientation direction of the L1 0 -FeNi island structures 21 was uniform in an observation range of at least 20 nm × 50 nm, and a wide single variant region of at least 20 nm × 50 nm or more was obtained.
次に、実施例4について300K(ケルビン)および10Kにおける磁気特性評価を行った結果を図20、図21に示す。 Next, the results of evaluating the magnetic properties of Example 4 at 300 K (Kelvin) and 10 K are shown in Figures 20 and 21.
なお、磁気特性は、300Kでは振動試料型磁力計(VSM)を用いて測定し、10Kでは超伝導量子干渉計(SQUID)を用いて測定を行った。なお、VSMはVibrating Sample Magnetometerの略であり、SQUIDはSuperconducting Quantum Interference Deviceの略である。 The magnetic properties were measured using a vibrating sample magnetometer (VSM) at 300 K and a superconducting quantum interference device (SQUID) at 10 K. VSM stands for vibrating sample magnetometer, and SQUID stands for superconducting quantum interference device.
実施例4は、図20に示すように、300Kにおいては、c軸面内平行方向に外部磁場を印加した場合は、c軸面内垂直方向や基板面直に外部磁場を印加したときよりも小さい外部磁場の印加によりM/Msが飽和した。これにより、実施例4では、磁化容易軸が面内c軸方向にあることが分かった。ここでいう、c軸面内平行方向とは、L10型のFeNi薄膜面内のc軸方向、すなわちLAO[001]方向に対して平行方向であり、c軸面内垂直方向とは、当該c軸方向に対する垂直方向、すなわちLAO[1-10]方向である。また、基板面直方向とは、L10型のFeNi薄膜面直方向、すなわちLAO[110]方向である。つまり、実施例4では、c軸と平行方向、すなわちFe層とNi層の積層方向に磁化し易く、磁気配向性の高いL10型のFeNi規則合金薄膜が形成されていることがわかる。また、実施例4は、図21に示すように、c軸面内平行方向がc軸面内垂直方向よりも小さい外部磁場の印加によってM/Msが大きくなって飽和しおり、10Kにおいても300Kと同様の磁気配向の傾向であった。 As shown in FIG. 20 , in Example 4, when an external magnetic field was applied in the direction parallel to the c-axis in-plane at 300 K, M/M s was saturated by application of a smaller external magnetic field than when an external magnetic field was applied in the direction perpendicular to the c-axis in-plane or perpendicular to the substrate surface. This indicates that in Example 4, the axis of easy magnetization is in the in-plane c-axis direction. Here, the c-axis in-plane parallel direction refers to the c-axis direction in the L1 0 type FeNi thin film, i.e., the direction parallel to the LAO[001] direction, and the c-axis in-plane perpendicular direction refers to the direction perpendicular to the c-axis direction, i.e., the LAO[1-10] direction. Furthermore, the direction perpendicular to the substrate surface refers to the direction perpendicular to the L1 0 type FeNi thin film, i.e., the LAO[110] direction. In other words, in Example 4, it can be seen that an L1 0 type FeNi ordered alloy thin film with high magnetic orientation was formed, which was easily magnetized in the direction parallel to the c-axis, i.e., the stacking direction of the Fe layer and Ni layer. Furthermore, in Example 4, as shown in Figure 21, the M/ Ms increased and saturated when an external magnetic field was applied in which the direction parallel to the c-axis in-plane was smaller than the direction perpendicular to the c-axis in-plane, and the magnetic orientation tended to be similar even at 10 K to that at 300 K.
実施例4は、図22に示すように、Msが300Kでは1.36T(テスラ=Wb/m2)、10Kでは1.59Tであった。実施例4は、300Kにおける保磁力Hc(単位:kA/m)がc軸面内平行方向、c軸面内垂直方向、基板面直方向でそれぞれ210、50、30であった。また、実施例4は、10Kにおける保磁力Hcがc軸に対して面内平行方向では280、c軸に対して面内垂直方向では90であった。このことから、実施例4は、10Kおよび300Kのいずれにおいても、c軸面内平行方向において高い保磁力を有し、磁気配向性および保磁力特性が優れた正方晶系薄膜構造体であることがわかる。 As shown in Figure 22, Example 4 had an Ms of 1.36 T ( tesla = Wb/ m2 ) at 300 K and 1.59 T at 10 K. The coercive force Hc (unit: kA/m) at 300 K was 210, 50, and 30 in the direction parallel to the c-axis in-plane, the direction perpendicular to the c-axis in-plane, and the direction perpendicular to the substrate surface, respectively. Furthermore, the coercive force Hc at 10 K was 280 in the direction parallel to the c-axis in-plane and 90 in the direction perpendicular to the c-axis in-plane. This demonstrates that Example 4 is a tetragonal thin film structure having high coercive force in the direction parallel to the c-axis in-plane at both 10 K and 300 K, and excellent magnetic orientation and coercive force characteristics.
(実施例5)
実施例5について、実施例4と同様に、FeNiN面直配向方向と面内(001)配向率を調べた。その結果、図11に示すように、実施例5では、面直の基板配向方向は(110)である。面内(001)配向率は95.5%であり、比較例1と比較して(001)配向が高かった。さらに、実施例5では、面内(110)配向率は100%であり、実施例4と同様に、実施例1~2と比較して高い(110)配向を示し、実施例1~2より高い配向、すなわち広いシングルバリアント領域が得られていることが確認された。
Example 5
For Example 5, the FeNiN plane-perpendicular orientation direction and in-plane (001) orientation rate were investigated in the same manner as in Example 4. As a result, as shown in FIG. 11 , in Example 5, the plane-perpendicular substrate orientation direction was (110). The in-plane (001) orientation rate was 95.5%, which was a higher (001) orientation than in Comparative Example 1. Furthermore, in Example 5, the in-plane (110) orientation rate was 100%, which, like Example 4, showed a higher (110) orientation than in Examples 1 and 2, and it was confirmed that a higher orientation, i.e., a wider single variant region, was obtained.
実施例5について、300Kにおける磁気特性評価を行った。その結果、実施例5は、図23に示すように、c軸面内平行方向がc軸面内垂直方向よりも小さい外部磁場の印加によりM/Msが大きな値となり飽和し、c軸面内平行方向に磁化容易軸を持つことが分かった。このことから、実施例5は、実施例4と同様に、Fe層とNi層の積層方向において磁化し易く、磁気配向性の高いL10型のFeNi規則合金薄膜が形成されていることがわかる。また、実施例5は、図22に示すように、300KにおいてMsが1.32T、Hcがc軸面内平行方向、c軸面内垂直方向、基板面直方向でそれぞれ320、60、90であった。この結果は、実施例5が実施例4と同様に、c軸面内平行において高い保磁力を有し、磁気配向性および保磁力特性が優れた正方晶系薄膜構造体であることを示している。 The magnetic properties of Example 5 were evaluated at 300 K. As a result, as shown in FIG. 23 , it was found that, in Example 5, when an external magnetic field was applied that was smaller in the c-axis in-plane direction than in the c-axis in-plane direction, the M/ Ms increased to a large value, saturating, and the easy axis of magnetization was in the c-axis in-plane direction. This indicates that, like Example 4, Example 5 forms an L10- type FeNi ordered alloy thin film that is easily magnetized in the stacking direction of the Fe and Ni layers and has high magnetic orientation. Furthermore, as shown in FIG. 22 , Example 5 exhibited an Ms of 1.32 T at 300 K, and Hc values of 320, 60, and 90 in the c-axis in-plane direction, the c-axis in-plane direction, and the substrate surface direction, respectively. These results indicate that, like Example 4, Example 5 is a tetragonal thin film structure with high coercivity in the c-axis in-plane direction and excellent magnetic orientation and coercivity characteristics.
実施例4、5において実施例1~3と同等以上の保磁力が得られている理由としては、実施例1~3は、正方晶系薄膜20が1つの連続膜として形成される一方、実施例4、5の正方晶系薄膜20が島状構造であることに起因すると考えられる。具体的には、内部磁化方向と異なる方向に外部磁場を印加した際に生じる磁壁が、ナノメートルオーダの凹凸構造などによるピンニング効果によって、連続膜と比較して移動しにくくなり、内部磁化が外部磁場に対して変わりにくくなる。この磁壁のピンニング効果によって保磁力がより向上したと推定される。 The reason that Examples 4 and 5 achieve coercivity equal to or greater than that of Examples 1 to 3 is thought to be because, while in Examples 1 to 3, the tetragonal thin film 20 is formed as a single continuous film, the tetragonal thin film 20 in Examples 4 and 5 has an island structure. Specifically, when an external magnetic field is applied in a direction different from the internal magnetization direction, the domain walls that form are less likely to move than in a continuous film due to the pinning effect of the nanometer-order uneven structure, making the internal magnetization less likely to change in response to the external magnetic field. It is presumed that the coercivity is further improved due to the pinning effect of this domain wall.
また、実施例4、5は、正方晶系薄膜20が(110)、(111)などの特定の結晶面が広い領域を占めており、群をなす島状構造体21がそれぞれ単結晶に近い形で孤立化していると言える。したがって、実施例4、5は、島状構造体21の表面付近のアモルファス構造や結晶粒界に起因する軟磁性相の発生が抑制された構造と言える。その結果、実施例4、5は、正方晶系薄膜20において磁化反転の起点となる軟磁性成分の割合が減少した構造であり、高い保磁力が得られていると考えられる。 In addition, in Examples 4 and 5, the tetragonal thin film 20 has specific crystal planes such as (110) and (111) occupying large areas, and the group of island-shaped structures 21 is isolated in a form close to single crystal. Therefore, Examples 4 and 5 can be said to have a structure in which the generation of soft magnetic phases due to amorphous structures and crystal grain boundaries near the surface of the island-shaped structures 21 is suppressed. As a result, Examples 4 and 5 have a structure in which the proportion of soft magnetic components that serve as starting points for magnetization reversal in the tetragonal thin film 20 is reduced, and it is thought that high coercivity is achieved.
なお、上記では、LAO(110)を支持基板10として、実施例4、5を作製した場合を代表例として説明したが、これに限定されるものではない。STO(110)やMgO(110)などの立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造体を支持基板10として用いた場合であっても、実施例4、5と同様の基本構成の正方晶系薄膜構造体が得られることが期待される。 In the above, examples 4 and 5 were fabricated using LAO(110) as the support substrate 10 as a representative example, but this is not limiting. Even if a cubic or tetragonal crystal structure such as STO(110) or MgO(110) is used as the support substrate 10, it is expected that a tetragonal thin film structure with the same basic structure as in examples 4 and 5 will be obtained.
(他の実施形態)
本開示は、上記した実施形態に準拠して記述されたが、当該実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、磁性材料に限定されるものではなく、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
(Other embodiments)
Although the present disclosure has been described based on the above-described embodiment, it is not limited to the embodiment and includes various modifications and modifications within the equivalent range. In addition, it is not limited to magnetic materials, and various combinations and forms, as well as other combinations and forms including only one element, more than one element, or less than one element, are also within the scope and concept of the present disclosure.
例えば、上記実施形態では、支持基板10を構成する立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造体として、STO(110)、LAO(110)、MgO(110)を例に挙げたが、他の材質で支持基板10を構成しても良い。その場合でも、支持基板10の主表面を(110)面として、その上に正方晶系薄膜20を成膜することにより、上記実施形態で説明した効果を得ることができる。特に、RMS不整合度差がSTO(110)の場合の1.97%よりも小さな1.9%以下、立方晶格子定数で言えば、0.3905nmよりも小さな0.39nm以下の立方晶形の結晶構造とすれば、STO(110)よりも高いバリアントの低減効果が得られる。 For example, in the above embodiment, STO(110), LAO(110), and MgO(110) were given as examples of cubic or tetragonal crystal structures that make up the support substrate 10, but the support substrate 10 may be made of other materials. Even in this case, the effects described in the above embodiment can be obtained by forming a tetragonal thin film 20 on the (110) plane as the main surface of the support substrate 10. In particular, if the RMS mismatch difference is 1.9% or less, which is smaller than the 1.97% in the case of STO(110), or if the cubic lattice constant is 0.39 nm or less, which is smaller than 0.3905 nm, a greater variant reduction effect than STO(110) can be achieved.
また、上記実施形態では、(110)面方位の主表面を有した支持基板10について説明したが、支持基板10の表面全面が(110)面方位の主表面とされていなくても良い。つまり、少なくとも正方晶系薄膜20と接する界面が(110)面方位の主表面を有した支持基板10であれば良い。 In addition, in the above embodiment, the support substrate 10 having a main surface with a (110) plane orientation was described, but the entire surface of the support substrate 10 does not have to be a main surface with a (110) plane orientation. In other words, it is sufficient for the support substrate 10 to have a main surface with a (110) plane orientation at least at the interface in contact with the tetragonal thin film 20.
さらに、上記実施形態では、支持基板10の構成材料として、(110)面方位の主表面を有した立方晶系の材料を主に説明したが、正方晶系を構成材料とする場合にも、上記と同様の効果が得られる。 Furthermore, in the above embodiment, a cubic crystal material having a main surface with a (110) plane orientation was mainly described as the constituent material of the support substrate 10, but the same effects as described above can also be obtained when a tetragonal crystal material is used.
また、MgOなど立方晶系塩化ナトリウム型の2種の元素で構成される結晶構造では、最小単位格子ではなく、STOなどの立方晶系ペロブスカイト型の3種の元素で構成される結晶構造と統一的に記載するため、図24のように面心立方格子を基本単位格子で記載した。 In addition, for cubic sodium chloride-type crystal structures composed of two elements, such as MgO, a face-centered cubic lattice is depicted as the basic unit cell, as shown in Figure 24, rather than the minimum unit cell, in order to uniformly describe it as a cubic perovskite-type crystal structure composed of three elements, such as STO.
(本発明の特徴)
[請求項1]
(110)面方位の主表面を少なくとも一部に有し、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有した支持基板(10)と、
前記支持基板における(110)面方位の前記主表面上に形成され、前記主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜(20)と、を有している、正方晶系薄膜構造体。
[請求項2]
前記支持基板は立方晶系に属する結晶構造を有し、
前記支持基板における前記主表面の(110)面方位、と前記正方晶系薄膜における(110)面方位および(101)面方位それぞれでのRMS不整合度の差分であるRMS不整合度差が1.9%以下である、請求項1に記載の正方晶系薄膜構造体。
[請求項3]
前記支持基板はSrTiO3、LaAlO3、MgOのいずれか1つにより構成されている、請求項1または2に記載の正方晶系薄膜構造体。
[請求項4]
前記支持基板はLaAlO3で構成されている、請求項3に記載の正方晶系薄膜構造体。
[請求項5]
前記正方晶系薄膜における前記主表面に接する面内での(001)配向率が60%以上である、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の正方晶系薄膜構造体。
[請求項6]
前記正方晶系薄膜は、Fe、Ni、Nを元素として含む材料の薄膜である、請求項1ないし5のいずれか1つに記載の正方晶系薄膜構造体。
[請求項7]
前記正方晶系薄膜は、FeNiNの薄膜またはL10型の規則構造を有するL10型のFeNi規則合金の薄膜である、請求項1ないし5のいずれか1つに記載の正方晶系薄膜構造体。
[請求項8]
(110)面方位の主表面を少なくとも一部に有し、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有した支持基板(10)と、
前記支持基板における(110)面方位の前記主表面上に形成され、前記主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜(20)と、を有し、
前記支持基板はLaAlO3で構成されており、
前記正方晶系薄膜は、FeNiNの薄膜またはL10型の規則構造を有するL10型のFeNi規則合金の薄膜である、正方晶系薄膜構造体。
[請求項9]
前記正方晶系薄膜は、島状構造であり、それぞれの島の外表面のうち少なくとも1つの面が{111}面である、請求項1ないし8のいずれか1つに記載の正方晶系薄膜構造体。
(Features of the present invention)
[Claim 1]
A support substrate (10) having at least a portion of a main surface with a (110) plane orientation and having a crystal structure belonging to a cubic or tetragonal system;
a tetragonal thin film (20) formed on the main surface of the support substrate having a (110) plane orientation, the tetragonal thin film having a uniaxial in-plane orientation in a plane in contact with the main surface.
[Claim 2]
the support substrate has a cubic crystal structure,
2. The tetragonal thin film structure according to claim 1, wherein an RMS mismatch difference between the (110) plane orientation of the main surface of the support substrate and each of the (110) plane orientation and the (101) plane orientation of the tetragonal thin film is 1.9% or less.
[Claim 3]
3. The tetragonal thin film structure according to claim 1, wherein said support substrate is made of any one of SrTiO3 , LaAlO3 , and MgO.
[Claim 4]
4. The tetragonal thin film structure of claim 3, wherein said support substrate is made of LaAlO3 .
[Claim 5]
5. A tetragonal thin film structure according to claim 1, wherein the (001) orientation rate in the plane in contact with the main surface of the tetragonal thin film is 60% or more.
[Claim 6]
6. A tetragonal thin film structure according to claim 1, wherein said tetragonal thin film is a thin film of a material containing Fe, Ni, and N as elements.
[Claim 7]
6. The tetragonal thin film structure according to claim 1, wherein said tetragonal thin film is a thin film of FeNiN or a thin film of an L10 type FeNi ordered alloy having an L10 type ordered structure.
[Claim 8]
A support substrate (10) having at least a portion of a main surface with a (110) plane orientation and having a crystal structure belonging to a cubic or tetragonal system;
a tetragonal thin film (20) formed on the main surface of the support substrate having a (110) plane orientation and having a uniaxial in-plane orientation in a plane in contact with the main surface,
The support substrate is made of LaAlO3 ,
A tetragonal thin film structure, wherein the tetragonal thin film is a thin film of FeNiN or a thin film of an L1 0 type FeNi ordered alloy having an L1 0 type ordered structure.
[Claim 9]
9. A tetragonal thin film structure according to claim 1, wherein the tetragonal thin film has an island structure, and at least one of the outer surfaces of each island is a {111} plane.
10 支持基板
20 正方晶系薄膜
10 Support substrate 20 Tetragonal thin film
Claims (8)
前記支持基板における(110)面方位の前記主表面上に形成され、前記主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜(20)と、を有し、
前記支持基板は立方晶系に属する結晶構造を有し、
前記支持基板における前記主表面の(110)面方位、と前記正方晶系薄膜における(110)面方位および(101)面方位それぞれでのRMS不整合度の差分であるRMS不整合度差が1.9%以下である、正方晶系薄膜構造体。 A support substrate (10) having at least a portion of a main surface with a (110) plane orientation and having a crystal structure belonging to a cubic or tetragonal system;
a tetragonal thin film (20) formed on the main surface of the support substrate having a (110) plane orientation and having a uniaxial in-plane orientation in a plane in contact with the main surface,
the support substrate has a cubic crystal structure,
A tetragonal thin film structure, wherein an RMS mismatch difference, which is a difference between the (110) plane orientation of the main surface of the support substrate and each of the (110) plane orientation and the (101) plane orientation of the tetragonal thin film, is 1.9% or less .
前記支持基板における(110)面方位の前記主表面上に形成され、前記主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜(20)と、を有し、
前記支持基板はLaAlO3で構成されており、
前記正方晶系薄膜は、FeNiNの薄膜またはL10型の規則構造を有するL10型のFeNi規則合金の薄膜であると共に、島状構造であり、それぞれの島の外表面のうち少なくとも1つの面が{111}面である、正方晶系薄膜構造体。 A support substrate (10) having at least a portion of a main surface with a (110) plane orientation and having a crystal structure belonging to a cubic or tetragonal system;
a tetragonal thin film (20) formed on the main surface of the support substrate having a (110) plane orientation and having a uniaxial in-plane orientation in a plane in contact with the main surface,
The support substrate is made of LaAlO3 ,
The tetragonal thin film structure is a thin film of FeNiN or a thin film of an L10 type FeNi ordered alloy having an L10 type ordered structure, and has an island structure, and at least one face of the outer surface of each island is a {111} plane .
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