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論文

Direct observation of the magnetic ordering process in the ferromagnetic semiconductor Ga$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$As via soft X-ray magnetic circular dichroism

竹田 幸治; 大矢 忍*; Pham, N. H.*; 小林 正起*; 斎藤 祐児; 山上 浩志; 田中 雅明*; 藤森 淳*

Journal of Applied Physics, 128(21), p.213902_1 - 213902_11, 2020/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:24.67(Physics, Applied)

In order to understand the mechanism of the ferromagnetism in Ga$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$As ((Ga,Mn)As), we have investigated the magnetic behavior on a microscopic level through systematic temperature ($$T$$) and magnetic-field ($$H$$) dependent soft X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) experiments at the Mn $$L_mathrm{2,3}$$ absorption edges. The $$T$$ and $$H$$ dependences of XMCD intensities have been analyzed using a model consisting of the ferromagnetic (FM), paramagnetic, and superparamagnetic (SPM) components. Intriguingly, we have found a common behavior for the ferromagnetic ordering process in (Ga,Mn)As samples with different Mn concentrations and different Curie temperature ($$T_mathrm{C}$$) values. In particular, the SPM component develops well above $$T_mathrm{C}$$, indicating that local FM regions are formed well above $$T_mathrm{C}$$. The present findings indicate that the onset of ferromagnetic ordering is triggered by local electronic states around the substitutional Mn ions. Insight into the most representative ferromagnetic semiconductor, (Ga,Mn)As, will be an important step in understanding the mechanism of ferromagnetic ordering in various ferromagnetic semiconductor families.

論文

Origin of robust nanoscale ferromagnetism in Fe-doped Ge revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy and first-principles calculation

坂本 祥哉*; 若林 勇希*; 竹田 幸治; 藤森 伸一; 鈴木 博人*; 伴 芳祐*; 山上 浩志; 田中 雅明*; 大矢 忍*; 藤森 淳*

Physical Review B, 95(7), p.075203_1 - 075203_5, 2017/02

 被引用回数:8 パーセンタイル:50.2(Materials Science, Multidisciplinary)

Ge$$_{1-x}$$Fe$$_x$$ (Ge:Fe) shows ferromagnetic behavior up to a relatively high temperature of 210 K and hence is a promising material for spintronic applications compatible with Si technology. We have studied its underlying electronic structure by soft X-ray angle-resolved photoemission spectroscopy measurements and first-principles supercell calculation. We observed finite Fe 3$$d$$ components in the states at the Fermi level ($$Erm_F$$) in a wide region of momentum space, and the $$Erm_F$$ was located $$sim$$0.35 eV above the valence-band maximum of the host Ge. Our calculation indicates that the $$Erm_F$$ is also within the deep acceptor-level impurity band induced by the strong $$p$$-$$d$$($$t_2$$) hybridization. We conclude that the additional minority-spin $$d(e)$$ electron characteristic of the Fe$$^{2+}$$ state is responsible for the short-range ferromagnetic coupling between Fe atoms.

論文

Origin of the large positive magnetoresistance of Ge$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$ granular thin films

若林 勇希*; 秋山 了太*; 竹田 幸治; 堀尾 眞史*; 芝田 悟朗*; 坂本 祥哉*; 伴 芳祐*; 斎藤 祐児; 山上 浩志; 藤森 淳*; et al.

Physical Review B, 95(1), p.014417_1 - 014417_6, 2017/01

 被引用回数:7 パーセンタイル:45.89(Materials Science, Multidisciplinary)

Ge$$_{1_x}$$Mn$$_x$$ (GeMn) granular thin films are a unique and promising material for spintronic applications owing to their large positive magnetoresistance (MR). The microscopic origin of the MR has not yet been clarified. Here, we develop a method to separately investigate the magnetic properties of the nanoparticles and the matrix, utilizing the extremely high sensitivity of X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) to the local magnetic state of each atom. We find that the MR ratio is proportional to the product of the magnetizations originating from the nanoparticles and the matrix. This result indicates that the spin-polarized holes in the nanoparticles penetrate into the matrix and that these holes undergo first order magnetic scattering by the paramagnetic Mn atoms in the matrix, which induces the large MR.

論文

Room-temperature local ferromagnetism and its nanoscale expansion in the ferromagnetic semiconductor Ge$$_{1-x}$$Fe$$_{x}$$

若林 勇希*; 坂本 祥哉*; 竹田 幸治; 石上 啓介*; 高橋 文雄*; 斎藤 祐児; 山上 浩志; 藤森 淳*; 田中 雅明*; 大矢 忍*

Scientific Reports (Internet), 6, p.23295_1 - 23295_9, 2016/03

AA2016-0503.pdf:1.66MB

 被引用回数:13 パーセンタイル:62.28(Multidisciplinary Sciences)

We investigate the local electronic structure and magnetic properties of the group-IV-based ferromagnetic semiconductor, Ge$$_{1-x}$$Fe$$_{x}$$ (GeFe), using soft X-ray magnetic circular dichroism. Our results show that the doped Fe 3$$d$$ electrons are strongly hybridized with the Ge 4$$p$$ states, and have a large orbital magnetic moment relative to the spin magnetic moment, namely $$m_{rm orb}$$/$$m_{rm spin}$$ $$approx$$ 0.1. We find that nanoscale local ferromagnetic regions, which are formed through ferromagnetic exchange interactions in the high-Fe-content regions of the GeFe films, exist even at room temperature, well above the Curie temperature of 20 - 100K. We observe the intriguing nanoscale expansion of the local ferromagnetic regions with decreasing temperature, followed by a transition of the entire film into a ferromagnetic state at the Curie temperature.

論文

New application of NV centers in CVD diamonds as a fluorescent nuclear track detector

小野田 忍; 春山 盛善; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; 加田 渉*; 花泉 修*; 大島 武

Physica Status Solidi (A), 212(11), p.2641 - 2644, 2015/11

 被引用回数:6 パーセンタイル:33.5(Materials Science, Multidisciplinary)

Nitrogen-vacancy (NV) center in diamond is a luminescent point defect with applications of quantum computation and atomic scale sensors. One of the most important features of NV center is high emission rate. This enables single NV centers to be detected using a confocal laser scanning microscope. In this study, we propose a new application of NV centers as a single ion track detector. We perform 490 MeV Os ion irradiation to diamond grown by chemical vapor deposition (CVD) technique. After high temperature annealing at 1000 $$^{circ}$$C, the ion track is able to be visualized by using confocal laser scanning microscope. In short, we have successfully detected ion track in diamonds.

論文

NV centers in diamond used for detection of single ion track

春山 盛善; 小野田 忍; 加田 渉*; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; 大島 武; 花泉 修*

Proceedings of 11th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-11) (Internet), p.184 - 187, 2015/11

We propose that diamond can be utilized as a new Fluorescent Nuclear Track Detector (FNTD) material. For this aim, we focus on Nitrogen Vacancy (NV) centers in diamond. One of the most important features of a NV center is a high emission rate, which enable us to observe single NV center. After high energy ion irradiation and subsequent annealing, we successfully observe Os ion tracks in various diamonds containing dense nitrogen impurity. However, Os ion track cannot be observed from diamond without nitrogen impurity. We found that the optimization of nitrogen impurity is a key issue for developing high sensitive FNTD based on diamond.

論文

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$'y$, 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

 被引用回数:65 パーセンタイル:93.14(Materials Science, Multidisciplinary)

(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.

論文

Development of ion photon emission microscopy at JAEA

小野田 忍; 阿部 浩之; 山本 卓; 大島 武; 磯谷 順一*; 寺地 徳之*; 渡邊 賢司*

Proceedings of 10th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-10) (Internet), p.93 - 96, 2012/12

We have developed two systems to acquire two-dimensional maps of Single Event Effects (SEEs) by using focused microbeams. While the microbeam has many advantages for SEE testing, the transport and optimization of the microbeam requires much time and effort, especially for high energy heavy ions. Therefore the mapping system with less effort is required, and we are developing the Ion Photon Emission Microscopy (IPEM). Since the spatial resolution is determined by the spot size and the intensity of luminescence, the scintillator is one of the most important parts of IPEM. We propose that the diamond containing Nitrogen Vacancy (NV) centers can be used as a scintillator. For both diamond and YAG:Ce proposed by Sandia National Laboratories, the minimum spot size is a few micrometers. IBIL intensity from diamond is four times higher than that from YAG:Ce. Therefore, we propose that the diamond containing NV centers is a rival candidate of YAG:Ce for IPEM.

論文

Diamonds utilized in the development of single ion detector with high spatial resolution

小野田 忍; 山本 卓; 大島 武; 磯谷 順一*; 寺地 徳之*; 渡邊 賢司*

Transactions of the Materials Research Society of Japan, 37(2), p.241 - 244, 2012/06

To develop the single ion detection system with high spatial resolution, the ion induced luminescence was evaluated. By capturing the ion induced luminescence from a diamond by using Charge Coupled Device (CCD) Camera, the spot size and location of ion induced luminescence were evaluated. It was found that the full width at half maximum (FWHM) of spot is about 4 $$mu$$m. The position where ion hits the sample can be calculated from the center of mass of each spot. We performed the same experiment by using YAG which is proposed by previous studies. We found that the diamond is comparable to YAG from the point of view of spatial resolution. In addition, the intensity of luminescence from diamond was slightly higher than that from YAG. According to these results, we suggest that both diamond and YAG:Ce are suitable for single ion detection with high spatial resolution.

論文

ケーブル・イン・コンジット導体ジョイントにおける超電導素線と銅スリーブ間の接触素線数と接触長分布に関する解析

中澤 忍*; 手島 翔太郎*; 荒井 大地*; 宮城 大輔*; 津田 理*; 濱島 高太郎*; 谷貝 剛*; 布谷 嘉彦; 小泉 徳潔; 高畑 一也*; et al.

低温工学, 46(8), p.474 - 480, 2011/08

大電流CIC導体サンプルを用いた特性試験において、導体の超伝導特性が設計時の予想より低下する結果が観測されている。この原因の一つとして、導体のジョイント部分の銅スリーブとケーブル間での不均一な接触抵抗による、定常状態での導体内の不均一電流分布が挙げられる。そこで、接触抵抗分布を評価するため、実際のCIC導体内部のケーブルを構成する素線の3次元配置を計測し、ジョイント部で銅スリーブとケーブル表面に現れる素線間の接触を定量的に評価した。素線と銅の間の接触長は素線によって大きく異なっており、抵抗分布が不均一となることがわかった。また、解析的に素線配置を求め、素線配置の計算方法の妥当性を示した。さらに、素線配置の計算のパラメータの一つである撚りピッチを調節することによる接触抵抗均一化の可能性を示すことができた。

論文

原子力発電施設の大規模耐震シミュレーションの進展

山田 知典; 塩谷 隆二*; 吉村 忍*

シミュレーション, 30(2), p.65 - 69, 2011/06

本稿では計算機技術の発展を象徴するスーパーコンピュータの性能向上とともに進化してきた原子力発電施設の耐震性評価のための詳細シミュレーションの歴史とその基盤となる数値解析技術,詳細シミュレーションの今後の可能性と課題について述べる。

論文

Fluorine-vacancy defects in fluorine-implanted silicon studied by electron paramagnetic resonance

梅田 享英*; 磯谷 順一*; 大島 武; 小野田 忍; 森下 憲雄; 小此木 堅祐*; 白竹 茂*

Applied Physics Letters, 97(4), p.041911_1 - 041911_3, 2010/07

 被引用回数:5 パーセンタイル:25.35(Physics, Applied)

In this study, fluorine-vacancy defects (F$$_{n}$$V$$_{m}$$) in silicon (Si) were investigated by electron paramagnetic resonance, EPR. The F$$_{n}$$V$$_{m}$$ vacancies in Si were created using fluorine ion implantation at room temperature and subsequent annealing up to 700 $$^{circ}$$C. As a result, the most primitive center was FV$$_{2}$$ (the F0 center) in the case of initial stage of F implantation. With increasing the implanted F ions or annealing to the sample, other F$$_{n}$$V$$_{m}$$ defects with more accumulation of F atoms appeared. Then, the F$$_{1}$$ center (F$$_{n}$$V$$_{5}$$) was observed as the most stable center. The next one was the F$$_{2}$$ center (F$$_{n}$$V$$_{2}$$). F$$_{n}$$V$$_{3}$$ defects were not found in this study. F$$_{n}$$V$$_{4}$$ defects were probably detected as the F$$_{3}$$ center.

論文

軟X線磁気円二色性による希薄磁性半導体Ga$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$AsのMnイオンの磁気的相互作用の研究

竹田 幸治; 小林 正起*; 岡根 哲夫; 大河内 拓雄*; 岡本 淳*; 斎藤 祐児; 小林 啓介*; 山上 浩志; 藤森 淳*; 田中 新*; et al.

放射光, 22(4), p.202 - 209, 2009/07

SPring-8 BL23SUで改良・整備を進めてきた軟X線磁気円二色性装置を用いて、希薄磁性半導体Ga$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$AsのMn元素の磁気的特性を系統的な温度・磁場依存性測定を行って調べた。その結果、Gaと置換されたMnイオンと結晶格子の隙間に入り込んだMnイオンの間には反強磁性相互作用が存在しており、キュリー温度と結晶格子の隙間に入り込んだMnイオンの量とは明らかに相関していて、Gaと置換されたMnイオンの強磁性秩序を結晶格子の隙間に入り込んだMnイオンが阻害していることがわかった。

論文

Nature of magnetic coupling between Mn ions in as-grown Ga$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$As studied by X-ray magnetic circular dichroism

竹田 幸治; 小林 正起*; 岡根 哲夫; 大河内 拓雄; 岡本 淳*; 斎藤 祐児; 小林 啓介*; 山上 浩志; 藤森 淳; 田中 新*; et al.

Physical Review Letters, 100(24), p.247202_1 - 247202_4, 2008/06

 被引用回数:37 パーセンタイル:82.78(Physics, Multidisciplinary)

希薄磁性半導体(DMS)Ga$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$Asは、半導体スピントロニクス分野で注目を集めているが、室温強磁性は達成されていない。現状の試料作成技術では、MnイオンはGaイオンと置換される一方で、GaAs格子間にも侵入してしまい、この格子間に侵入したMnイオンの役割(影響)が不明であった。格子間に侵入した磁性イオンに関する同様の問題は、他のDMSにも多く存在する。今回の詳細なXMCD測定によって、格子間に侵入したMnイオンが、Gaイオンと置換されたMnイオン間の強磁性秩序の妨げになっていることが明らかになった。これは、格子間に侵入した磁性イオンの排除が多くのDMSの室温強磁性達成のために不可欠であるという試料作成に対する明確な方針を示すものである。

論文

Long-lived nuclide separation for advancing back-end fuel cycle process

内山 軍蔵; 峯尾 英章; 朝倉 俊英; 宝徳 忍; 飯塚 勝*; 藤崎 進; 磯貝 光; 伊東 芳紀*; 佐藤 真人; 細谷 哲章

Journal of Nuclear Science and Technology, 39(Suppl.3), p.925 - 928, 2002/11

将来の核燃料サイクル技術として、長寿命核種の高度分離機能を有する再処理プロセスの開発を行っている。同プロセスは、5つの主要な技術から構成され、(1)燃料溶解オフガスからの炭素-14及びヨウ素-129の除去,(2)n-ブチルアルデヒドによるNp(VI)の選択還元分離,(3)高濃縮硝酸によるTc(VII)分離,(4)共除染工程抽出残液からのAmの固体吸着分離,(5)n-ブチルアミンによる溶媒洗浄の各技術である。長寿命核種の高度分離機能を可能とする再処理プロセスの使用済燃料を用いた分離原理確認試験を行った。本報告ではそれらの主要成果を述べる。

口頭

Ga$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$Asの内殻吸収磁気円二色性による磁気的相互作用の研究

竹田 幸治; 小林 正起*; 岡根 哲夫; 大河内 拓雄; 岡本 淳*; 斎藤 祐児; 小林 啓介*; 山上 浩志; 藤森 淳; 田中 新*; et al.

no journal, , 

希薄磁性半導体Ga$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$Asは、半導体スピントロニクス分野で注目を集めているが、室温強磁性は達成されていない。現状の試料作成技術では、MnイオンはGaイオンと置換される一方で、GaAs格子間にも侵入してしまい、この格子間に侵入したMnイオンの役割影響が不明であった。格子間に侵入した磁性イオンに関する同様の問題は、他の希薄磁性半導体にも多く存在する。今回の内殻吸収磁気円二色性の詳細な温度・磁場依存性測定によって、格子間に侵入したMnイオンが、Gaイオンと置換されたMnイオン間の強磁性秩序の妨げになっていることが明らかになった。これは、格子間に侵入した磁性イオンの排除が室温強磁性達成のために不可欠であるという試料作成に対する明確な方針を示すものである。

口頭

SiC欠陥の電子スピン評価

磯谷 順一*; 梅田 享英*; 水落 憲和*; 大島 武; 森下 憲雄; 菱木 繁臣*; 小野田 忍

no journal, , 

耐放射線性半導体として期待される炭化ケイ素(SiC)中の結晶欠陥を電子スピン共鳴(ESR)により調べた。n型の六方晶(4H)SiCに300$$sim$$800$$^{circ}$$Cで1MeV電子線照射を行うことで、HEI5/HEI6と呼ばれる欠陥センターを導入した。照射試料の熱処理を行ったところ、HEI5/HEI6センターは1000$$^{circ}$$Cまで安定であることが明らかとなった。また、ESRにより、2個の炭素($$^{13}$$C)及び第一近接のシリコン($$^{29}$$Si)の超微細相互作用を測定,評価した結果、HEI5/HEI6センターは、それぞれ、4H-SiC結晶格子中のkサイト,hサイトのSi原子をCで置き換えたCアンチサイトと格子間Cの複合欠陥であることが同定できた。

口頭

耐放射線性向上のための炭化ケイ素(SiC)の欠陥制御; 格子間炭素の同定

梅田 享英*; 水落 憲和*; 磯谷 順一*; 森下 憲雄; 小野田 忍; 大島 武

no journal, , 

炭化ケイ素(SiC)の欠陥挙動を明らかにするために、さまざまな線量及び温度下で、4H-SiCに2MeV電子線照射を行った。照射後に電子常磁性共鳴法(EPR)により格子間炭素欠陥を評価した。まず、2個の炭素が4H-SiC中の非等価なシリコン位置を占めた(C$$_2$$)$$_{Si}$$を同定することに成功した。EPR実験と第一原理計算結果を比較した結果、HEI5, HEI6と呼ばれるEPRセンターがk-サイト,h-サイトに存在する(C$$_2$$)$$_{Si}$$である(C$$_2$$)$$_{Si(k)}$$, (C$$_2$$)$$_{Si(h)}$$であることがわかった。また、800$$^{circ}$$Cでの電子線照射の線量依存性から、電子線によって弾き出された炭素原子が、格子中を拡散し、もともと存在していたC$$_{Si}$$に捕獲されることが、低線量下における(C$$_2$$)$$_{Si}$$生成の主要な過程であることがわかった。このことは、照射前にC$$_{Si}$$が存在することを間接的に示している。さらに、熱処理の結果から、1000$$^{circ}$$Cでの(C$$_2$$)$$_{Si}$$の消滅には、炭素空孔との再結合に加え、格子間炭素の凝集の機構が存在することが明らかになった。

口頭

シリコン中のフッ素-空孔欠陥の電子スピン共鳴観察

梅田 享英*; 磯谷 順一*; 大島 武; 小野田 忍; 森下 憲雄

no journal, , 

シリコン(Si)半導体中のフッ素(F)関連欠陥の構造を同定するため、チョコラルスキー法で作製したSi基板へ7.5$$sim$$15MeVのエネルギーでFを10$$^{15}$$$$sim$$10$$^{20}$$/cm$$^{3}$$の濃度導入し、電子スピン共鳴(ESR)を用いて生成される欠陥を調べた。その結果、F0, F3, F4とラベルつけされた欠陥シグナルが観測された。EPR分光の特長である微視的起源解析の結果、これらはFと空孔(V)の結合した複合欠陥(F$$_{n}$$V$$_{m}$$)であり、その空孔欠陥がV$$_{2}$$又はV$$_{4}$$程度に相当する構造を有することが明らかとなった。

口頭

高エネルギー窒素イオン照射及び2MeV電子線照射によるダイヤモンドのNVセンターの作成制御

磯谷 順一*; 梅田 享英*; 水落 憲和*; 大島 武; 小野田 忍; 佐藤 真一郎; 森下 憲雄

no journal, , 

スピンを利用した量子コンピューティングの有力候補であるダイヤモンド中の負に帯電した窒素-空孔欠陥(NV$$^{-}$$センター)の効率的な形成技術の確立を目指し、ダイヤモンドへ室温で10MeV窒素マイクロビーム又は1200$$^{circ}$$Cで4$$sim$$13MeVの窒素イオンを注入した。また、マイクロビーム照射試料は、1000$$^{circ}$$C熱処理を行うことで結晶性の回復を図った。NVセンターを観測できる波長532nmのレーザーを有する共焦点顕微鏡で試料を観察したところマイクロビーム照射試料では、打ち込んだ窒素イオンと同数のNV$$^{-}$$センターが生成していることが判明し、収率100%と帰結できた。一方、通常の窒素注入試料ではNV$$^{-}$$センターの収率は低く、導入した窒素は電荷のないNVセンターであるNV$$^{0}$$センターとして存在することが判明した。この原因は、マイクロビーム照射試料では低フルエンス(10$$^{8}$$/cm$$^{2}$$)であったが、通常の窒素注入では高フルエンス(10$$^{13}$$/cm$$^{2}$$)であったためダイヤモンド中の電荷状態が変化したためと考えられる。

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