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論文

RBS study of disordering of Fe$$_{3-x}$$Mn$$_{x}$$Si/Ge(111) heteroepitaxial interfaces

野口 雄也*; 平田 智昭*; 川久保 雄基*; 鳴海 一雅; 境 誠司; 前田 佳均

Physica Status Solidi (C), 10(12), p.1732 - 1734, 2013/12

https://doi.org/10.1002/pssc.201300380
 被引用回数：0 パーセンタイル：0.01(Nanoscience & Nanotechnology)

We have investigated thermal disordering and instability of Fe$$_{2}$$MnSi (FMS) (111)/Ge(111) heterointerfaces by Rutherford-backscattering spectrometry (RBS), and found pronounced degradation of axial orientation which appears as increase of the minimum yield of RBS when the FMS samples are annealed above 300$$^{circ}$$C. Analysis of interdiffusion at the heterointerface reveals that the disordering mainly comes from interdiffusion between Fe and Ge atoms. This situation is the same as that observed in off-stoichiometric Fe$$_{3}$$Si, ${it i.e.}$, Fe$$_{4}$$Si, but far from that in stoichiometric Fe$$_{3}$$Si.

論文

Ion beam analysis of quaternary Heusler alloy Co$$_{2}$$(Mn$$_{1-x}$$Fe$$_{x}$$)Si(111) epitaxially grown on Ge(111)

川久保 雄基*; 野口 雄也*; 平田 智昭*; 鳴海 一雅; 境 誠司; 山田 晋也*; 浜屋 宏平*; 宮尾 正信*; 前田 佳均

Physica Status Solidi (C), 10(12), p.1828 - 1831, 2013/12

https://doi.org/10.1002/pssc.201300367
 被引用回数：0 パーセンタイル：0.01(Nanoscience & Nanotechnology)

We have investigated crystal quality of Co$$_{2}$$(Mn$$_{1-x}$$Fe$$_{x}$$)Si (CMFS) epitaxially grown on Ge(111) by using Rutherford-backscattering spectrometry and an axial-ion-channeling technique. It was found that the CMFS/Ge and Co$$_{2}$$FeSi (CMFS with x = 1)/Ge have larger static atomic displacement than Fe-based ternary Heusler alloy Fe$$_{2}$$MnSi and Fe$$_{2}$$CoSi/Ge(111). Quaternary alloys may be affected by increase of mixing entropy. Significant disordering at the interface of CMFS with x = 0.75 was found, and discussed on the basis of thermodynamics.

口頭

RBS study of disordering of Fe$$_{3-x}$$Mn$$_{x}$$Si/Ge(111) heteroepitaxial interfaces

野口 雄也*; 平田 智昭*; 川久保 雄基*; 鳴海 一雅; 境 誠司; 前田 佳均

no journal, , 

We have investigated perfection of atomic rows on iron-based Heusler alloy films, Fe$$_{3-x}$$Mn$$_{x}$$Si, on Ge(111) planes by using ion channeling technique in order to find the dominant factors for the perfection. Fe$$_{3-x}$$Mn$$_{x}$$Si/Ge(111) (x=0.84, 0.72 and 0.36) interfaces have imperfection of atomic rows which may be controlled by both the lattice mismatch with the Ge substrate and the Mn-Si pairs due to the site disorder in the film with the Mn content x = 0.75. This is in contract with Fe$$_{3}$$Si/Ge(111) and Fe$$_{2}$$CoSi/Ge(111) which have a high quality of atomic rows at the heterointerface like that of perfect crystals. Analysis of axial channeling parameters employed in this study is very useful for quantitative evaluation of perfection of atomic rows at the heterointerface.

口頭

Co$$_{2}$$(Mn$$_{1-x}$$Fe$$_{x}$$)Si/Geエピタキシャル薄膜のイオンビーム解析

川久保 雄基*; 野口 雄也*; 鳴海 一雅; 境 誠司; 浜屋 宏平*; 宮尾 正信*; 前田 佳均

no journal, , 

本研究ではGe(111)面上にエピタキシャル成長させた膜厚50nmのCo$$_{2}$$Mn$$_{0.5}$$Fe$$_{0.5}$$Si(以下、0.5CMFS), Co$$_{2}$$Mn$$_{0.25}$$Fe$$_{0.75}$$Si(0.75CMFS)(111)面のイオンチャネリング測定と、DebyeモデルとBarrette-Gemmellモデルによって静的原子変位を評価し、$$<$$111$$>$$軸の結晶性について検討した。イオン散乱測定は2.0MeV $$^{4}$$He$$^{+}$$イオン,散乱角165$$^{circ}$$で行い、Ge$$<$$111$$>$$軸から$$pm$$5$$^{circ}$$範囲でチャネリングディップ曲線を測定し、最小収量$$chi$$$$_{min}$$と半値角$$psi$$$$_{1/2}$$を決定した。得られた$$chi$$$$_{min}$$は薄膜の最大組成のCo原子の軸チャネリングに、$$chi$$$$_{min}$$付近の急激な収量の増加はFe, Mn原子の$$<$$111$$>$$軸からの原子変位(構造乱れ)によるものと考えられる。0.5CMFSと0.75CMFSを比較すると0.5CMFSの方の$$chi$$$$_{min}$$が小さく、$$psi$$$$_{1/2}$$が大きくなった。これは0.5CMFSが0.75CMFSよりも軸方向のCo原子の構造乱れが小さいことを示す。ヘテロ界面と薄膜内部の$$chi$$$$_{min}$$とCo原子の静的原子変位$$<$$u$$_{s}$$$$>$$をFe組成でまとめると、界面では0.75CMFSのところで軸配向性が劣化しているが、薄膜内部では他との差が小さいことが分かった。これは、界面から成長が進むにしたがって、$$<$$111$$>$$軸周りでの結晶性を改善する物理過程が存在することを示唆している。

口頭

イオンチャネリングによるFe$$_{3}$$Si/Si(111)エピタキシャル界面の評価

川久保 雄基*; 野口 雄也*; 平田 智昭*; 前田 佳均; 境 誠司; 鳴海 一雅

no journal, , 

格子不整合+4%程度のFe$$_{3}$$Si(111)/Si(111)ヘテロ界面を作製しその構造乱れをイオンチャネリングで評価し、最新のスピン注入のデータと比較した。まず、化学量論性が結晶性に与える影響を調べるために化学量論組成のFe$$_{3}$$Siと非化学量論組成のFe$$_{4}$$Si薄膜をSi(111)面上にエピタキシャル成長させた。断面TEM観察によると、前者の界面では平坦で均一な成長が観察されたが、後者では部分的に非晶質状態が生成し、不均一な成長が界面から起こっていることがわかった。次に、Si$$<$$111$$>$$軸でのチャネリングディップ曲線からその最小収量と臨界角を求め、Barrett-Gemmell理論及びDebye理論を用いて原子変位を計算した。界面の状況に対応して後者の界面での原子変位は前者の界面の2倍程度になっていることが明らかにできた。安藤らは、このヘテロ界面を用いたPd/Fe$$_{3}$$Si/Si, Pd/Fe$$_{4}$$Si/Si試料の強磁性共鳴(FMR)を測定し、強磁性層からPdへのスピン注入によるFMRスペクトルのDC起電力を求めた結果、最も原子変位の少ないFe$$_{3}$$Si(111)/Si(111)ヘテロ界面から成長したFe$$_{3}$$SiからPdへのスピン注入では68mV程度の非常に大きな値を得ている。これは界面からFe$$_{3}$$Si薄膜が軸のそろった非常に均一な成長をしているため、膜全体で効率的なスピン輸送が起こるためであると説明されている。以上のことから、イオンチャネリングによるヘテロ界面の評価とスピン注入特性が一致していることを明らかにできた。

口頭

Fe$$_{3}$$Si/Si(111)ヘテロ界面の軸配向性の評価

川久保 雄基*; 野口 雄也*; 水城 達也*; 鳴海 一雅; 境 誠司; 浜屋 宏平*; 宮尾 正信*; 前田 佳均

no journal, , 

ホイスラー合金Fe$$_{3}$$Siは、スピンFETのソース電極およびドレイン電極の候補の一つである。本研究では、Fe$$_{3}$$Si/Siの熱安定性を明らかにするために、ラザフォード後方散乱(RBS)/チャネリング法を用いて、アニール温度によるFe$$_{3}$$Si/Si試料の結晶軸配向性について検討した。低温MBE法によって膜厚50nmのFe$$_{3}$$SiをSi(111)上に成長させ、赤外線ランプアニールにより高真空中にて100$$^{circ}$$C及び200$$^{circ}$$Cで2時間アニールをした。各試料についてチャネリングディップ曲線を測定し、軸配向性を評価する最小収量($$chi$$$$_{min}$$)と半値角($$psi$$$$_{1/2}$$)を求めた。これまでの研究により、Fe$$_{3}$$Si/Si未アニール試料の$$chi$$$$_{min}$$は18%であり、$$psi$$$$_{1/2}$$は0.99$$^{circ}$$であることが明らかとなっている。100$$^{circ}$$C及び200$$^{circ}$$CでアニールしたFe$$_{3}$$Si/Si試料の$$chi$$$$_{min}$$はそれぞれ19%と20%であり、$$psi$$$$_{1/2}$$は0.85$$^{circ}$$と0.83$$^{circ}$$であった。未アニール試料と200$$^{circ}$$Cアニール試料を比較すると$$chi$$$$_{min}$$が2 %程度増大し、$$psi$$$$_{1/2}$$が0.16$$^{circ}$$程度減少した。これは、アニールをしたことで界面での結晶性が乱れたためであると推測される。講演ではチャネリングパラメータ($$chi$$$$_{min}$$、$$psi$$$$_{1/2}$$)とDebyeモデルおよびBarette-Gemmellモデルから原子の静的変位$$<$$u$$_{s}$$$$>$$の計算結果、およびRBSスペクトルからFe$$_{3}$$Si薄膜内部の組成比の変化、界面における拡散の程度からアニールの影響について考察する。

口頭

Cuドープによる$$beta$$-FeSi$$_{2}$$ナノ結晶の赤外発光増強

平田 智昭*; 香川 成矢*; 永露 友宏*; 柴原 幸平*; 岩本 遼太郎*; 川久保 雄基*; 野口 雄也*; 水城 達也*; 鳴海 一雅; 境 誠司; et al.

no journal, , 

半導体$$beta$$-FeSi$$_{2}$$は光通信の光源用レーザの材料として注目されているが、実用化には発光強度が不十分である。我々はこれまでに$$beta$$-FeSi$$_{2}$$ナノ結晶へのCuドープによる発光増強を確認している。本研究では、このCuドープ効果をフォトルミネッセンス(PL)測定およびフォトキャリアインジェクション(PCI)測定によって検討した。用いた試料はn-Si中に析出させた平均サイズ10nmの$$beta$$-FeSi$$_{2}$$ナノ結晶である。析出後、Cu蒸着と急速熱アニール(800$$^{circ}$$C)とでナノ結晶層にCuを拡散させた。Cu薄膜成膜後、800$$^{circ}$$Cで5.5時間アニールしたCuドープ試料と2時間アニールしたノンドープ試料のPLスペクトルの比較により、Cuドープによって固有発光(Aバンド)、不純物発光(Cバンド)ともに発光増強を確認した。また、同じノンドープ試料においてもアニール時間の延長によってPL強度は増強した。しかし、同時間程度アニールしたノンドープ試料とCuドープ試料を比較しても、発光強度は増強した。以上のことから、Cuドープによる純粋な増強効果があることを見出した。また、同時間程度アニールを行ったノンドープ試料と比較したCuドープ試料のA及びCバンドのPL増強率は、総アニール時間5.5時間のときにいずれの試料においても両バンドで最大となり、Aバンドは2.1倍、Cバンドは5.7倍に増強した。さらにアニール時間を増加させると、PL増強率は減少した。これらの結果を基に、発光増強へのCuドープ効果について考察する。

口頭

RBSによる$$beta$$-FeSi$$_{2}$$のCu拡散挙動の検討

野口 雄也*; 水城 達也*; 川久保 雄基*; 平田 智昭*; 香川 成矢*; 永露 友宏*; 岩本 遼太郎*; 柴原 幸平*; 鳴海 一雅; 前田 佳均

no journal, , 

半導体$$beta$$-FeSi$$_{2}$$は、石英系光ファイバの伝搬損失が最小となる波長1.55$$mu$$mで固有発光が観測されているため、光通信の光源に用いられている分布帰還レーザの活性層の材料として注目されている。しかし、実用化には発光強度が不十分である。我々はこれまでに$$beta$$-FeSi$$_{2}$$多結晶薄膜及びナノ結晶にCuを蒸着後、熱処理することで発光増強することを確認している。本研究では、ラザフォード後方散乱(RBS)法を用いて$$beta$$-FeSi$$_{2}$$多結晶薄膜及びナノ結晶へのCu原子の拡散挙動を拡散距離と拡散係数から検討した。$$beta$$-FeSi$$_{2}$$多結晶薄膜及びナノ結晶試料は、イオンビーム合成法を用いてCZ-Si(100)基板中に$$beta$$-FeSi$$_{2}$$を析出させて作製した。その後、試料表面にCu薄膜を蒸着して800$$^{circ}$$Cで2-10時間熱処理した。熱処理前後のRBSスペクトルの変化から、Cu原子がSi基板側へ、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$の膜厚55.3nmよりも深くまで拡散していることを見出した。$$beta$$-FeSi$$_{2}$$/Cu/Siを熱処理すると、Cu原子は$$beta$$-FeSi$$_{2}$$同士の結晶粒界やSi基板との界面に偏析し、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$粒内にも微量に存在することが報告されていることから、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$粒内にCu原子がドープされていることがわかった。さらに、RBSスペクトルの解析から得られた多結晶薄膜試料及びナノ結晶試料中のCuの拡散係数は、Si中のCuの拡散係数よりも9桁程度小さくなった。これは、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$中のCuの拡散係数が非常に小さいためであると考えられる。

口頭

イオンチャネリングによるスピン注入界面; Fe$$_{3}$$Si(111)/Si(111)の原子変位の評価

野口 雄也*; 川久保 雄基*; 鳴海 一雅; 境 誠司; 前田 佳均

no journal, , 

DO$$_{3}$$型規則格子をもつホイスラー合金Fe$$_{3}$$Siは、Fe$$_{3}$$Si(111)/Si(111)ヘテロ界面において+4%程度の大きい格子不整合をもつが、低温分子線エピタキシー(MBE)法により原子層レベルで平坦なエピタキシャル界面が実現されている。本研究では、ラザフォード後方散乱(RBS)/チャネリング法によりFe$$_{3}$$Si(111)/Si(111)ヘテロ界面の原子変位を評価し、界面の熱安定性の支配因子を検討した。MBE法を用いてSi(111)基板上に作製したFe$$_{3}$$Siエピタキシャル膜を373, 473, 573Kで真空中2時間アニールし、その後、2MeV $$^{4}$$He$$^{+}$$を用いてSi$$<$$111$$>$$軸付近での後方散乱収量の角度依存を測定した。最小収量$$chi$$$$_{min}$$、臨界角$$psi$$$$_{1/2}$$を求め、Debye理論を用いて、静的原子変位$$<$$${it u}$ $$_{s}$$$$>$$を計算した。$$<$$${it u}$ $$_{s}$$$$>$$のアニール温度依存性より、FeはSiよりも$$<$$${it u}$ $$_{s}$$$$>$$の増加量が大きいことがわかった。これは原子列の乱れはFe原子の乱れが支配的であることを示している。DO$$_{3}$$型格子では$$<$$111$$>$$軸方向へのFe原子拡散はSi原子拡散より起こりやすい。しかし、RBSスペクトルからはアニール後の拡散挙動は確認できなかった。また、Fe原子の$$<$$${it u}$ $$_{s}$$$$>$$は、それぞれのアニール温度の熱膨張による原子変位に支配されている。これらの結果から、室温で測定したFe原子の$$<$$${it u}$ $$_{s}$$$$>$$は、高温での熱膨張による原子変位が室温にクエンチ(残留)されたものと考えることができる。これはFe$$_{3}$$Si$$<$$111$$>$$軸方向の原子変位は非線形性が大きいことを表す。

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