Magnetostrictive properties in Fe$_{4-x}$Co$_{x}$N films: Insight from experiments and first-principles calculations

技術要約：Fe$_{4-x}$Co$_x$N薄膜における磁歪特性

問題提起
鉄窒化物であるFe$_4$Nは、高いキュリー温度、大きなスピン偏極、および大きな磁歪の可能性から、フレキシブル・スピントロニクス・デバイスの有望な候補となっている。先行研究では、Fe$_{4-x}$Co$_x$N薄膜における[100]方向の磁歪定数（$\lambda_{100}$）が、コバルト（Co）組成の変化に伴い「巨大なチューナビリティ」と符号反転を示すことが確立されているが、[111]方向の磁歪定数（$\lambda_{111}$）の挙動については未解明のままである。立方晶材料の磁弾性特性を包括的に理解するためには、$\lambda_{100}$と$\lambda_{111}$の両方が不可欠である。さらに、実験による$\lambda_{111}$データと第一原理計算による理論予測との系統的な比較は報告されておらず、$\lambda_{111}$の変化を生じさせる物理的メカニズムの詳細は不明なままとなっている。

手法
本研究では、実験と理論を組み合わせたアプローチを採用した。

• 実験: 分子線エピタキシー法（MBE）を用いて、SrTiO$_3$(001)基板上にエピタキシャルFe$_{4-x}$Co$_x$N薄膜を、熱酸化シリコン（Si-O）基板上に(001)配向の多結晶薄膜をそれぞれ成長させた。Co濃度（$x$）は0から2.2までの広い範囲で変化させた。構造特性はX線回折（XRD）および反射率測定（XRR）により評価した。飽和磁化（$M_s$）および磁気異方性（$K_1$）を含む磁気特性は、振動試料型磁力計を用いて測定した。
• 磁歪測定: エピタキシャル薄膜の磁歪定数$\lambda_{100}$および$\lambda_{111}$、ならびに多結晶薄膜の飽和磁歪（$\lambda_s$）を、光カンチレバー法を用いて精密に評価した。これには、回転する面内磁場下での矩形試料のたわみの測定が含まれる。
• 理論計算: スピン軌道相互作用を考慮したVienna Ab initio Simulation Package (VASP) を用いて、第一原理計算を行った。合金化のモデリングには仮想結晶近似（VCA）を用いた。フェルミ準位近傍の電子状態に対する$\lambda_{111}$の感度を調査するため、分数的な電子占有数を扱うための様々なガウス・スメアリング・パラメータ（$\sigma$）を用いて計算を行った。

主な結果

• 実験による$\lambda_{111}$の挙動: 実験結果によれば、$\lambda_{111}$は全組成範囲において正の値を維持している。$x \approx 0.9$において最大値+82 ppmを示した。巨大なチューナビリティと符号反転を示す$\lambda_{100}$とは異なり、$\lambda_{111}$のCo組成による変化は比較的小さい。
• $\lambda_{100}$および$\lambda_s$との比較: 実験的な$\lambda_{100}$および$\lambda_{111}$の値から導出された飽和磁歪定数（$\lambda_s$）は、$x = 1.2$において60 ppmの最大値に達する。しかし、多結晶薄膜に対して直接測定された$\lambda_s$の値と比較すると、偏差が観察される。著者らは、この不一致の原因を、多結晶膜が完全にランダムな配向ではなく(001)優先配向を持っていることにあると考えている。
• 理論と実験の不一致: 第一原理計算は、$x \ge 1.6$において実験的な$\lambda_{111}$値と合理的な一致を示した。しかし、より低いCo濃度では、計算は負の値を予測する。特に$x = 0.8$において顕著な不一致が生じ、計算では極めて大きな負の$\lambda_{111}$が得られた。
• スメアリング・パラメータへの感度: $x = 0.8$における異常な負の値は、フェルミ準位が状態密度（DOS）内の顕著なマイノリティ・スピン・ピークと一致することと符合している。この組成における計算された$\lambda_{111}$はスメアリング・パラメータ（$\sigma$）に対して非常に敏感であり、$\sigma$が増大して電子占有が平滑化されるにつれて、負の値の大きさは減少し、最終的には正の値となる。このことは、計算された$\lambda_{111}$が、VCAでは明示的に捉えきれない原子の無秩序や電子の寿命効果の扱いに強く依存していることを示唆している。

意義と主張
本論文は、Fe$_{4-x}$Co$_x$N系における磁歪の基本特性を明らかにし、窒化物ベースのスピントロニクス・デバイス設計に不可欠な磁弾性パラメータを提供している。著者らは、VCAの枠組みは$\lambda_{100}$の挙動を再現することには成功しているものの、菱面体晶の磁歪（$\lambda_{111}$）は、原子の無秩序によって引き起こされるフェルミ準位近傍の電子状態の広がりに対してより敏感であると結論付けている。本研究は、理想化された計算と実験的な$\lambda_{111}$値との間の不一致は、VCAが、無秩序誘起の散乱や有限温度効果を考慮できないことに起因している可能性が高いことを強調しており、これらは無秩序合金における磁歪特性を正確に予測するために極めて重要である。