スピン偏極走査トンネル顕微鏡

スピン偏極走査トンネル顕微鏡( SP-STM ) は、走査トンネル顕微鏡(STM)の一種で、STM で得られる原子トポグラフィーに加えて、単一原子スケールの磁気現象の詳細な情報を提供できます。SP-STM は、強磁性および反強磁性システムのドメイン壁の正確な調査、およびナノ磁性粒子の熱および電流誘起スイッチングなど、静的および動的磁気プロセスへの新しいアプローチを切り開きました。

磁性材料の薄い層で覆われた非常に鋭い先端をサンプル上で規則的に動かします。先端とサンプルの間に電圧が加えられ、電子が両者の間をトンネルして電流が発生します。磁気現象がない場合、この電流の強さは局所的な電子特性の指標となります。

先端が磁化されている場合、先端の磁化と一致するスピンを持つ電子はトンネル効果を起こす可能性が高くなります。これは本質的にトンネル磁気抵抗効果であり、先端/表面は本質的にスピンバルブとして機能します。

磁化された先端のみを使用したスキャンでは、磁化または空間分離による電流の変化を区別できないため、別のソース (多くの場合、従来の STM) からのマルチドメイン構造や地形情報を使用する必要があります。これにより、たとえば反強磁性システムで、原子スケールまでの磁気イメージングが可能になります。先端に巻かれた小さなコイルを使用して先端の磁化を高周波 (20～30 kHz) で変調すると、地形情報と磁気情報を同時に取得できます。先端の磁化は、STMフィードバック ループが応答できないほど高速に反転するため、地形情報はそのまま取得されます。高周波信号はロックイン アンプを使用して分離され、この信号から表面の磁気情報が得られます。

標準的な走査型トンネル顕微鏡(STM) では、プローブの先端とサンプル間の電子のトンネル確率は、それらの間の距離に大きく依存し、距離が離れるにつれて指数関数的に減少します。スピン偏極 STM (SP-STM) では、トンネル電流は、先端とサンプルのスピンの向きにも依存します。磁気先端とサンプルの局所状態密度(LDOS) は、スピンの向きによって異なり、トンネルは平行スピンを持つ状態間でのみ発生します (スピン反転プロセスは無視します)。サンプルと先端のスピンが平行の場合、電子がトンネルできる利用可能な状態が多数存在するため、大きなトンネル電流が発生します。一方、スピンが反平行の場合、利用可能な状態のほとんどがすでに満たされているため、トンネル電流は大幅に小さくなります。 SP -STM では、トンネル伝導度 を測定することにより、磁性サンプルのスピン依存の局所状態密度を調べることができます。トンネル伝導度は、小さなバイアスに対して次のように与えられます^[1]。ここで、は非磁性の場合のトンネル伝導度、 は探針とサンプルのスピン依存状態間の遷移を記述するトンネル行列要素、 、、はそれぞれ探針 (t) とサンプル (s) の全状態密度と分極、 は探針とサンプルの磁化方向間の角度です。非磁性の極限 (または) では、この式は標準 STM トンネル伝導度の Tersoff および Hamann モデルに簡略化されます。^[1]${\displaystyle G=\mathrm {d} I/\mathrm {d} U}$$${\displaystyle G=2\pi ^{2}G_{0}|M_{0}|^{2}n_{\mathrm {t} }n_{\mathrm {s} }\left(1+P_{\ mathrm {t} }P_{\mathrm {s} }\cos \theta \right),}$$${\textstyle G_{0}}$${\textstyle M_{0}}$${\textstyle n_{\mathrm {t} }}$${\textstyle P_{\mathrm {t} }}$${\textstyle n_{\mathrm {s} }}$${\textstyle P_{\mathrm {s} }}$${\textstyle \theta }$${\textstyle P_{t}=0}$${\textstyle P_{s}=0}$

より一般的なケースでは、有限のバイアス電圧 で、先端位置でのトンネル電流の式はとなり、 は定数、電子波動関数の逆崩壊長、および であり、電子の電荷と質量はそれぞれ、先端のエネルギー積分LDOS、および、および はスピン偏極LDOSの対応する磁化ベクトルです。トンネル電流は、スピン非依存部分、スピン依存部分の合計です。^[2]${\textstyle U}$${\textstyle \mathbf {r} }$$${\displaystyle I\left(\mathbf {r} ,U,\theta \right)=I_{0}\left(\mathbf {r} ,U\right)+I_{d}\left(\mathbf {r } ,U,\theta \right)={\frac {4\pi ^{3}C^{2}\hslash ^{3}e}{\kappa ^{2}m^{2}}}\left[n_{\mathrm {t} }{\チルダ {n}}_{\mathrm {s} }\left(\mathbf {r} ,U\right) +\mathbf {m} _{\mathrm {t} }\mathbf {\チルダ {m}} _{\mathrm {s} }\left(\mathbf {r} ,U\right)\right],}$$${\displaystyle C}$${\displaystyle \kappa}$ ${\textstyle e}$${\textstyle m}$${\textstyle {\チルダ {n}}_{\mathrm {s} }}$${\textstyle \mathbf {m} _{\mathrm {t} }}$${\displaystyle \mathbf {\チルダ {m}} _{\mathrm {s} }}$${\displaystyle I_{0}}$${\displaystyle I_{d}}$

SP-STM セットアップで最も重要なコンポーネントはプローブ チップです。プローブ チップは、原子レベルまでの空間分解能を提供できるほど原子レベルで鋭く、十分な信号対雑音比を提供できるほどスピン分極が大きく、同時にサンプルの非破壊磁気プローブを可能にするほど漂遊磁場が小さくなければなりません。最後に、サンプルのどのスピン方向を画像化するかを決定するために、チップの頂点でのスピン方向を制御する必要があります。酸化を防ぐため、チップの準備は通常、超高真空(UHV) で行う必要があります。SP-STM 測定に適したプローブ チップを入手するには、主に 3 つの方法があります。

1. バルク磁性材料（例えば鉄）は、最初に電気化学的にエッチングされて狭窄部を形成し、材料が引き離されると狭窄部で破断し、鋭い先端部が形成される。あるいは、材料をエッチングして先端部を形成することもできるが、その場合は UHV での先端洗浄手順が必要となる。鉄は飽和磁化が高いため、先端部の周囲に漂遊磁場が大きくなり、非破壊画像化が不可能となる。鉄の先端部は、反強磁性または強磁性サンプルの測定に使用できる。などのアモルファス合金は飽和磁化が低いが、漂遊磁場は依然としてゼロではない。非破壊画像化の場合、先端部はまたはなどの反強磁性材料から作ることができるが、この場合、異なるスピン状態へのトンネル電流が部分的に互いに打ち消し合うため、画像のスピンコントラストが犠牲になる。^{[3] [4]}${\textstyle {\ce {CoFeNiSiB}}}$${\textstyle {\ce {Cr}}}$${\textstyle {\ce {MnNi}}}$
2. 磁性材料の極薄膜を備えた非磁性チップ。 まず、非磁性材料をエッチングし、電子衝撃と高温フラッシュで洗浄することで酸化物やその他の汚染物質を除去します。次に、チップを磁性材料の薄い層（チップの直径未満）で覆います。このような薄膜では、磁化方向は表面と界面の異方性によって決まります。適切な膜材料と厚さを選択すると、チップは面内または面外の磁気方向のいずれかをプローブするように準備できます。強磁性薄膜の場合、外部磁場を使用して磁化を傾けることができ、同じチップで両方向を測定できるセットアップが可能になります。空間分解能を高めるために、チップとサンプルの間にバイアス電圧を印加すると、薄膜原子がチップの頂点に向かって移動し、チップが鋭くなります。薄膜を堆積しても、チップはサンプルを乱す可能性のある磁気浮遊場を運びます。^{[5] [6]}
3. 磁性材料のクラスターを備えた非磁性チップ。 この方法では、非磁性チップと磁性サンプルの間に電圧パルスを印加し、サンプルの磁性材料をチップに付着させます。磁化方向は、さらに電圧パルスを印加することで変更できます。あるいは、磁性材料がチップを適切に濡らしていると仮定すると、チップを磁性材料に浸してから引き戻すと、クラスターがチップに付着したままになります。チップのサイズは、超薄膜堆積のように制御されません。^{[7] [8]}

SP-STM は、3 つのモード (定電流モード、標準 STM動作モードに似ていますがスピン分解能を備えた分光モード、または SP-STM 測定に固有の変調チップ磁化モード) のいずれかで操作できます。定電流モードでは、チップとサンプルの距離は電気フィードバック ループによって一定に保たれます。測定されたトンネル電流は、データから分解できるスピン平均成分とスピン依存成分 ( ) で構成されます。トンネル電流は主に、最小の非ゼロ逆格子ベクトルによって支配されます。つまり、磁気超構造は通常、最も長い実空間周期性 (したがって、最も短い逆空間周期性) を持つため、スピン依存トンネル電流 に最も大きく寄与します。したがって、SP-STM は、サンプルの原子構造ではなく磁気構造を観察するのに最適な方法です。欠点は、定電流モードでは、表面の地形的特徴が磁気的特徴に干渉してデータ分析が非常に困難になる可能性があるため、原子スケールよりも大きなスケールを研究することが難しいことです。^{[9] [1]}${\displaystyle I}$${\displaystyle I=I_{0}+I_{\mathrm {d} }}$${\displaystyle I_{\mathrm {d} }}$

2 番目の動作モードは、バイアス電圧とチップの空間座標の関数として局所微分トンネル伝導度を測定するスピン分解分光モードです。分光モードは、サンプルとチップの距離が変化する定電流条件下で使用でき、その結果、地形情報と電子情報が重ね合わされ、分離することができます。分光モードをチップとサンプルの距離が一定で使用される場合、測定値はサンプルのスピン分解 LDOS に直接関連しますが、測定されたトンネル電流はエネルギー積分スピン偏極 LDOS に比例します。分光モードと定電流モードを組み合わせることで、地形データとスピン分解表面データの両方を取得できます。^[1]${\displaystyle \mathrm {d} I/\mathrm {d} U}$${\displaystyle U}$${\displaystyle \mathrm {d} I/\mathrm {d} U}$${\displaystyle I}$

第三に、SP-STM は変調磁化モードで使用できます。このモードでは、チップの磁化が周期的に切り替わり、サンプルの局所的な磁化に比例するトンネル電流が発生します。これにより、磁気特性と電子特性および地形特性を分離できます。スピン偏極 LDOS はエネルギーの関数として大きさだけでなく符号も変化するため、サンプルに有限の磁化があっても、測定されたトンネル電流が消えることがあります。したがって、変調磁化モードでのスピン偏極トンネル電流のバイアス依存性も研究する必要があります。変調磁化モードに適しているのは強磁性チップのみであり、その漂遊磁場により非破壊画像化が不可能になる可能性があります。^[10]

スピン偏極走査トンネル顕微鏡は、その優れた表面感度と原子スケールまでの横方向分解能により大きな注目を集めている多目的装置であり、ジスプロシウム(Dy)、準 2D 薄膜、ナノアイランド、高磁気異方性を持つ準 1D ナノワイヤなどの強磁性材料を研究するための重要なツールとして使用できます。 L. Berbil-Bautista らによる研究^[11]では、これらの材料に存在する幅 2～5 nm の磁壁またはネール壁を、クロム(Cr) でコーティングされたタングステン チップを Dy 層に近づけることで観察しました。これにより、磁性材料からチップの頂点に Dy 粒子が移動します。磁壁の幅は次のように計算されます。ここで、は交換剛性です。磁気コントラストは、チップの頂点にある Dy 原子のクラスターで占有されていない電子状態の存在により強化されます。^[11]強磁性膜における 360° 磁壁の形成は、磁気ランダムアクセスメモリデバイスの製造において重要な役割を果たします。これらの磁壁は、外部磁場が磁性材料の容易方向に沿って印加されたときに形成されます。これにより、回転方向が同一の 2 つの 180° 磁壁が接近します。A. Kubetzka らによる研究^[12]では、 SP-STM を使用して、外部磁場を 550～800 mT の間で変化させることにより、2 つの原子層鉄ナノワイヤの 360° 磁壁プロファイルの変化を測定しました。^[12]$${\displaystyle {\displaystyle w={\sqrt {2(A/k)}}},}$$${\textstyle A}$

量子干渉現象は、銅（111）基板上に堆積したコバルト島で観察されています。これは、密集した貴金属表面に存在するテラスエッジ、不純物、吸着物などの表面状態の電子欠陥によって引き起こされる散乱に起因すると考えられています。スピン偏極STMは、銅（111）上に堆積した三角形のコバルト島の電子構造を調べるために使用されています。この研究では、基板と島が個別の定在波パターンを示し、これを使用してスピン偏極物質を見つけることができます。^[13]

SP-STMの新たな進歩は、この技術が他の画像化技術では説明できなかった複雑な現象を理解するためにさらに使用できることを示しています。磁性表面（タングステン（W）基板上の鉄二重層）上の酸素などの非磁性​​不純物は、スピン偏極波の形成を引き起こします。鉄二重層に吸着した酸素不純物は、RKKY相互作用における近藤不純物間の相互作用を研究するために使用できます。この研究は、鉄二重層に吸着した個々の酸素原子の周囲で異方性散乱状態を観察できることを示しました。これにより、散乱プロセスに関与する電子状態のスピン特性に関する情報が得られます。^[14]

同様に、マンガン（Mn）とW（110）の界面における2D反強磁性の存在がSP-STM技術を用いて観察されている。この研究の重要性は、MnとW（110）の界面における原子スケールの粗さが磁気相互作用のフラストレーションを引き起こし、他の方法では研究できない複雑なスピン構造を生み出すことである。^[15]

磁化分布を得るための別の方法は、先端からスピン偏極電子の強い流れを生じさせることである。これを実現する方法の1つは、スピン軌道結合によりスピン偏極電子を生成する偏極レーザー光をGaAs先端に照射することである。次に、先端は従来のSTMと同様にサンプルに沿って走査される。 ^[16]この方法の1つの制限は、スピン偏極電子の最も効果的な発生源は、入射レーザー光を先端の真向かい、つまりサンプル自体に照射することによって得られることである。このため、この方法は薄いサンプルの測定に限定される。

• 顕微鏡検査
• 走査プローブ顕微鏡
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• スピンバルブ
• トンネル磁気抵抗

• STMの概要
• Bode, M (2003). 「スピン偏極走査トンネル顕微鏡」.物理学の進歩に関する報告. 66 (4): 523–582. Bibcode :2003RPPh...66..523B. doi :10.1088/0034-4885/66/4/203.