Magnetization process of the -type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As:Be studied by X-ray magnetic circular dichroism

坂本 祥哉*; Anh, L. D.*; Hai, P. N.*; 芝田 悟朗*; 竹田 幸治; 小林 正起*; 高橋 文雄*; 小出 常晴*; 田中 雅明*; 藤森 淳*

Physical Review B, 93(3), p.035203_1 - 035203_6, 2016/01

AA2016-0502.pdf:1.1MB

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.035203

In order to investigate the mechanism of ferromagnetic ordering in the new -type magnetic semiconductor (In,Fe)As codoped with Be, we have performed X-ray absorption spectroscopy and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) studies. The spectral line shapes suggest that the ferromagnetism is intrinsic, originating from Fe atoms incorporated into the zinc-blende-type InAs lattice. The magnetization curves of Fe measured by XMCD were well reproduced by the superposition of a Langevin function representing superparamagnetic (SPM) behavior of nanoscale ferromagnetic domains and a -linear function representing Curie-Weiss paramagnetism even much above the Curie temperatures. The data at 20 K showed a deviation from the Langevin behavior, suggesting a gradual establishment of macroscopic ferromagnetism on lowering temperature. The existence of nanoscale ferromagnetic domains indicated by the SPM behavior suggests spatial fluctuations of Fe concentration on the nanoscale.

Unveiling the impurity band induced ferromagnetism in the magnetic semiconductor (Ga,Mn)As

小林 正起*; 宗田 伊理也*; 竹田 幸治; 原田 慈久*; 藤森 淳*; Krempask, J.*; Schmitt, T.*; 大矢 忍*; 田中 雅明*; 尾嶋 正治*; et al.

Physical Review B, 89(20), p.205204_1 - 205204_8, 2014/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.205204

(Ga,Mn)As is a paradigm of a diluted magnetic semiconductor which shows ferromagnetism induced by doped hole carriers. With a few controversial models emerging from numerous experimental and theoretical studies, the mechanism of the ferromagnetism in (Ga,Mn)As still remains a puzzling enigma. In this article, we use soft X-ray angle-resolved photoemission spectroscopy to positively identify the ferromagnetic Mn 3d-derived impurity band (IB) in (Ga,Mn)As. The band appears dispersionless and hybridized with the light-hole band of the host GaAs. These findings conclude the picture of the valence-band structure of (Ga,Mn)As disputed for more than a decade. The nondispersive character of the IB and its location in vicinity of the valence-band maximum indicate that the Mn 3d-derived IB is formed as a split-off Mn-impurity state predicted by the Anderson.

Probing carbon edge exposure of iron phthalocyanine-based oxygen reduction catalysts by soft X-ray absorption spectroscopy

丹羽 秀治*; 斎藤 信*; 小林 正起*; 原田 慈久*; 尾嶋 正治*; 守屋 彰悟*; 松林 克征*; 難波江 裕太*; 黒木 重樹*; 池田 隆司; et al.

Journal of Power Sources, 223, p.30 - 35, 2013/02

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.09.031

固体高分子形燃料電池用の非白金で、安価で、高性能の炭素正極触媒をデザインするには、酸素還元反応の活性点を明らかにすることが重要である。しかしながら、このような複雑な系においては通常用いられる原子・電子構造プローブにより活性点を直接特定するのは困難である。本研究では、炭素1X線吸収分光を用いて鉄フタロシアニンをもとにした触媒の炭素構造を観察し、吸収端以下に炭素端の露出を意味する構造を見いだした。またその強度は酸素還元活性とよく相関することがわかった。これらの結果は、炭素1X線吸収分光を用いることにより炭素正極触媒における酸素還元活性の評価が端の露出の観点から可能であることを示している。

Indirect contribution of transition metal towards oxygen reduction reaction activity in iron phthalocyanine-based carbon catalysts for polymer electrolyte fuel cells

小林 正起*; 丹羽 秀治*; 斎藤 信*; 原田 慈久*; 尾嶋 正治*; 大渕 博宣*; 寺倉 清之*; 池田 隆司; 腰越 悠香*; 尾崎 純一*; et al.

Electrochimica Acta, 74, p.254 - 259, 2012/07

https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.04.075

鉄フタロシアニンとフェノール樹脂の混合物を800Cで焼成して得た炭素触媒における酸素還元活性に対する鉄の役割を明らかにすることを目的に残存鉄の電子構造をXAFS実験により酸洗いの前後で調べた。鉄のK端X線発光強度から酸洗いにより炭素触媒の残存鉄が36%減少することがわかった。XAFSスペクトルから鉄の成分が酸洗いにより変化しないことが明らかになった。これは鉄の化学状態によらず酸洗いにより残存鉄が取り除かれることを示唆する。酸洗いにより酸素還元能がほぼ不変であることから残存鉄は炭素触媒の酸素還元活性に直接寄与しておらず、おもに熱分解時にsp炭素のネットワーク構造を成長させる触媒として働くと考えられる。本研究の結果は鉄フタロシアニン由来の炭素触媒における酸素還元活点は炭素や窒素といった軽元素であることを示唆している。

Vacuum insulation of the high energy negative ion source for fusion application

小島 有志; 花田 磨砂也; Hilmi, A.*; 井上 多加志; 渡邊 和弘; 谷口 正樹; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 戸張 博之; 小林 信一*; et al.

Review of Scientific Instruments, 83(2), p.02B117_1 - 02B117_5, 2012/02

https://doi.org/10.1063/1.3672471

JT-60NNBIの負イオン源は長年の課題であった加速器の低耐電圧を克服し、500keVビームを3Aまで生成することに成功している。その結果を踏まえ、JT-60SAに利用する次期負イオン源では、耐電圧データベースに基づいて負イオン源の設計を行う。そこで、実機負イオン源を用いて耐電圧試験を行い、平坦部の3倍近い局所高電界が生成している加速電極孔の数と直径1500mmの電極面積がともに、真空耐電圧を劣化させ得る原因であることを明らかにした。それらはそれぞれ、孔数の-0.15乗、面積の-0.125乗に従い耐電圧が低下するが得られ、実機負イオン源の耐電圧係数は24と孔数で制限された耐電圧であることを明らかにした。また、加速電極間の距離を広げすぎると、電極支持枠角部の電界によって決まる値に耐電圧が制限されることが明らかになった。これらの結果、加速電極構造の配位によって、異なる原因で耐電圧が制限されるという新たな知見を得て、JT-60SA用負イオン源の加速電極を設計するために必要なデータが取得できた。

Acceleration of 500 keV negative ion beams by tuning vacuum insulation distance on JT-60 negative ion source

小島 有志; 花田 磨砂也; 田中 豊*; 谷口 正樹; 柏木 美恵子; 井上 多加志; 梅田 尚孝; 渡邊 和弘; 戸張 博之; 小林 信一*; et al.

AIP Conference Proceedings 1390, p.466 - 475, 2011/09

https://doi.org/10.1063/1.3637418

JT-60N-NBIの負イオン源は今まで耐電圧性能が400keVと設計値の500keVよりも低く、入射パワーが制限されているのが問題であった。そこで、実機負イオン源や小型電極を用いた真空耐電圧試験を行い、耐電圧低下の原因を調べた。その結果、従来の面積依存性だけでなく、電極孔や支持枠角部に代表される局所高電界の領域が広がることにより、耐電圧が低下することが明らかとなった。そこで、既存の加速器体系を大幅に改造することなく、この局所高電界を低下させて耐電圧を改善するために、電極間隔を広げて耐電圧試験を行った。しかし、最短距離が伸長されないために耐電圧の改善が飽和する傾向が観測された。そこで、最短距離の伸長を制限していたビーム放射シールドの再設計を行った。その際、ビームからの放射光がFRPに照射されるのを妨げる機能を保ちつつ、FRP表面電界と陽極電界を低減させて最適化する必要があった。そして、既存の体系の中でビーム放射シールドを最適化するとともに、電極間隔を調整した結果、負イオン源の耐電圧は500kV以上に改善した。この改良した負イオン源を利用して、500keVの負イオンビームを3Aまで加速することに成功した。

Achievement of 500 keV negative ion beam acceleration on JT-60U negative-ion-based neutral beam injector

小島 有志; 花田 磨砂也; 田中 豊*; 河合 視己人*; 秋野 昇; 椛澤 稔; 小又 将夫; 藻垣 和彦; 薄井 勝富; 佐々木 駿一; et al.

Nuclear Fusion, 51(8), p.083049_1 - 083049_8, 2011/08

https://doi.org/10.1088/0029-5515/51/8/083049

JT-60NNBIの負イオン源は今まで耐電圧性能が低く、入射パワーが制限されていることが大きな問題であった。そこで、負イオン源内の真空絶縁距離を調整し、単段の要求性能を超える各段200kVを保持することに成功した。この結果を踏まえて負イオン源を改良し、従来よりも短いコンディショニング時間で500kVの印加に成功し、設計値である490kVを加速電源の限界である40秒間絶縁破壊することなく保持することにも成功した。そして、1/5のビーム引き出し領域からビーム加速試験を実施し、従来410keVが最高であったビームエネルギーを最高507keVまで上昇させることに成功した。また、486keVのビームでの負イオン電流値は18m離れたカロリーメーターで2.8A(84A/m)が得られた。通常、過度のギャップ長延長はビーム光学の劣化を引き起こすが、今回のギャップ長ではビーム光学の大きな劣化がないことを計算及び実験で確認した。これらの結果はJT-60SAやITERのNBIにおける耐電圧設計に大きく貢献するものである。

X-ray photoemission spectroscopy analysis of N-containing carbon-based cathode catalysts for polymer electrolyte fuel cells

丹羽 秀治*; 小林 正起*; 堀場 弘司*; 原田 慈久*; 尾嶋 正治*; 寺倉 清之*; 池田 隆司; 腰越 悠香*; 尾崎 純一*; 宮田 清蔵*; et al.

Journal of Power Sources, 196(3), p.1006 - 1011, 2011/02

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.08.054

固体高分子形燃料電池用窒素含有炭素ベース正極触媒3種類の電子構造を硬X線光電子分光で調べた結果を報告する。炭素1sスペクトルから酸素還元活性には炭素ネットワークが重要であること、窒素1sスペクトルから高活性なサンプルはグラファイト様窒素をより多く含むことがわかった。

Electronic structure and magnetism of the diluted magnetic semiconductor Fe-doped ZnO nanoparticles

片岡 隆史*; 小林 正起*; 坂本 勇太*; Song, G. S.*; 藤森 淳*; Chang, F.-H.*; Lin, H.-J.*; Huang, D. J.*; Chen, C. T.*; 大河内 拓雄*; et al.

Journal of Applied Physics, 107(3), p.033718_1 - 033718_7, 2010/02

AA2009-0977.pdf:1.0MB

https://doi.org/10.1063/1.3294620

We have studied the electronic structure of Fe-doped ZnO nanoparticles, which have been reported to show ferromagnetism at room temperature, by X-ray photoemission spectroscopy (XPS), resonant photoemission spectroscopy (RPES), X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD). From the experimental and cluster-model calculation results, we find that Fe atoms are predominantly in the Fe ionic state with mixture of a small amount of Fe and that Fe ions are dominant in the surface region of the nanoparticles. It is shown that the room temperature ferromagnetism in the Fe-doped ZnO nanoparticles is primarily originated from the antiferromagnetic coupling between unequal amounts of Fe ions occupying two sets of nonequivalent positions in the region of the XMCD probing depth of 2-3 nm.

Soft-error rate in a logic LSI estimated from SET pulse-width measurements

牧野 高紘; 小林 大輔*; 廣瀬 和之*; 高橋 大輔*; 石井 茂*; 草野 将樹*; 小野田 忍; 平尾 敏雄; 大島 武

IEEE Transactions on Nuclear Science, 56(6), p.3180 - 3184, 2009/12

https://doi.org/10.1109/TNS.2009.2033795

論理LSIにおける放射線起因のソフトエラー率を、放射線によって論理LSIを構成する論理素子内に誘起されるシングルイベントトランジェント(SET)電圧パルス幅の測定結果より推定した。実験には0.2-m FD-SOI(Fully Depleted Silicon on Insulator)技術を用いたNOT回路又はNOR回路を用い、322MeV Krイオン照射により得られたSETパルス幅の実測を行った。測定結果と回路構成を考慮した理論解析を用い論理LSIにおけるソフトエラー率を推定した。その結果、論理LSIにおける放射線起因のソフトエラー率を直接測定した結果と一致し、本手法の妥当性を検証できた。