サブナノスケールで磁気構造を可視化する電子顕微鏡技術の開発
~次世代スピントロニクスデバイスの研究開発を加速すると期待~
国立研究開発法人物質・材料研究機構
NIMSは、ナノメートル以下のスケールで物質の磁気構造を観察することができる高分解能ローレンツ顕微鏡法を世界で初めて確立しました。これにより希土類金属ジスプロシウムで形成される磁気ソリトン及び磁場誘起ナノスケール磁気相分離を可視化することに成功しました。
概要
- NIMSは、ナノメートル以下のスケールで物質の磁気構造を観察することができる高分解能ローレンツ顕微鏡法を世界で初めて確立しました。これにより希土類金属ジスプロシウムで形成される磁気ソリトン及び磁場誘起ナノスケール磁気相分離を可視化することに成功しました。本研究で開発された高分解能磁気イメージング手法は次世代磁性材料の研究開発をさらに加速させるものであると考えられます。
- 近年、急速に進展している次世代磁性材料、特にスピントロニクスの分野においては、ナノスケールで変化する磁場をより高空間分解能で可視化する技術の開発が求められています。現在、直接観察による磁気イメージングで有力な手法の一つが、透過電子顕微鏡を用いたローレンツ顕微鏡法です。しかし、この方法で用いる特殊な電子レンズ (ローレンツレンズ) は球面収差や色収差が大きいため、磁気構造の分解能は2–10nm程度に留まっていました。ナノスケールの磁気構造を正確に知るためには1nm以下の空間分解能が必要です。
- 本研究チームは、球面収差補正装置と電子線単色化装置を同時に組み合わせて用いることで、ローレンツレンズの球面収差等の高次収差と色収差を大幅に低減し、0.6nm以下のサブナノスケールの空間分解能を有する高分解能ローレンツ顕微鏡法を世界で初めて確立することに成功しました。希土類金属ジスプロシウム (Dy) では、スピントロニクスへの応用が期待される複数の磁気相が存在することが示唆されています。本手法を用いてこの磁気相を観察した結果、無磁場下で形成される磁気ソリトンの存在が明らかになりました。また、複数の磁気相が外部磁場により誘起され共存する磁場誘起ナノスケール磁気相分離を可視化することに成功しました。今回明らかになったナノスケールの磁気微細構造と磁気相分離は、スピントロニクスの研究分野において重要な基礎的知見であると考えられます。
- 次世代のスピントロニクスデバイスの研究開発においては、磁性体内部で形成されるナノスケールの磁気構造を制御することにより、新しい機能特性の発現を目指す研究が活発に行われています。本研究で開発された、サブナノスケールで磁気構造を可視化するローレンツ顕微鏡法は、これらの研究開発を加速させるものと考えられます。
- 本研究は、国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS) 先端材料解析研究拠点 電子顕微鏡グループ及び技術開発・共用部門 電子顕微鏡ステーション 長井拓郎主任エンジニア、先端材料解析研究拠点 木本浩司副拠点長、電子顕微鏡ステーション 竹口雅樹ステーション長らの研究チームによって行われました。本研究の一部はJSPS科研費 JP17K04984及び文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業の支援を受けて行われ、日本エフイー・アイ株式会社の伊野家浩司シニアリサーチスペシャリスト (現株式会社日本ローパー) との共同で行ったものです。
- 本研究成果はアメリカ物理学会の論文誌Physical Review B (Rapid Communications)のオンライン版に現地時間2017年9月19日に掲載されました。また、同誌のEditors’ Suggestion (注目論文) に選ばれました。
プレスリリース中の図2 : 本方法を用いて観察された層状マンガン酸化物Nd0.2Sr1.8MnO4の電子顕微鏡像。0.62 nmの周期の格子像が観察できる。
