電子材料領域 レーザー光電子顕微鏡が明らかにする、物質の未知の性質 ～酸化物表面・界面における強磁性の可視化～

世界最高の分解能をもつ全く新しい光電子顕微鏡

ナノレベルの微細な構造や磁性などの物性を明らかにするために、一般的には放射光を用いた光電子顕微鏡（PEEM）が用いられ、その空間分解能は約20 nmまで到達しています。
われわれはPEEMをさらに高度化し、紫外レーザーとPEEMを組み合わせた全く新しい光電子顕微鏡（レーザー PEEM）を開発しました。連続波のレーザーを用いることで、放出した電子同士のクーロン反発によって空間分解能が悪化する問題（スペースチャージ効果）を極限まで抑え、空間分解能2.6nmを達成することができました。

酸化物の強磁性をレーザーPEEMで確認

ランタンアルミネート（LaAlO₃）とストロンチウムタイタネート（SrTiO₃）という2つの酸化物は、ともに電気を通さない絶縁体ですが、これらを貼り合わせたLaAlO₃/SrTiO₃薄膜の界面では、LaAlO₃の厚みが増すのにともない、電子が高速で運動できる2次元的な層（2次元電子ガス）が生じ、超伝導となると同時に強磁性体になることが知られています（図1）。レーザーPEEMを用いて調べたところ、LaAlO₃/SrTiO₃薄膜界面は30～40nmの磁区ドメインで埋め尽くされていることが明らかになり、強磁性の磁石ができていることがわかりました。
一方、真空中でフラッシュアニール（高速熱処理）したSrTiO₃も表面に2次元電子ガスを生じることが知られています。フラッシュアニールしたSrTiO₃も図2のように、30～40nmの強磁性ドメインサイズをもつことが明らかになりました。強磁性転移の温度は、900K程度でした。これらの結果は、LaAlO₃/SrTiO₃薄膜界面およびSrTiO₃の表面が、強磁性を示すことの証拠であるといえます。
これらの酸化物の強磁性を応用することで、レアメタルを使わずに、低コスト・大容量の磁気記録デバイスを開発できる可能性があります。

図1　LaAlO₃/SrTiO₃界面のバンド構造（左）とアニールしたSrTiO₃表面のバンド構造（右）

図2　a：アニールしたSrTiO₃表面のPEEM像。表面ステップ構造が黒い線として観測されている。
b：真空中でフラッシュアニールしたSrTiO₃表面の磁気円2色性PEEM像。
c：aとbを重ねた図（黒い線がステップ構造）。
d：Tcより高温での1000KのSrTiO₃表面のPEEM像。磁気円2色性が消失している。