シリコン基板上への高スピン偏極強磁性薄膜の創製とスピントロニクスデバイスへの展開

• Project/Area Number: 14J01804
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Electronic materials/Electric materials
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 伊藤 啓太 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2016: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2015: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 強磁性体薄膜 / 金属窒化物 / 分子線エピタキシー / 異方性磁気抵抗効果 / 少数スピン伝導 / スピントロニクス / 窒化物 / 強磁性体 / メスバウアー測定

Outline of Annual Research Achievements

NixFe4-xNについて、昨年度の研究においてx = 3にて高い負のスピン分極率(-0.86)が第一原理計算から予想された。また、固体Fe、Niと高周波プラズマN2の同時供給による分子線エピタキシー(MBE)法により、SrTiO3(001)基板上にエピタキシャル成長したNi3FeN薄膜ではキュリー温度が266 Kとなり、粉末試料の報告例とよく一致した。一方でこれは、反応性スパッタ法で作製されたNi3FeN薄膜における、室温で6%の正の異方性磁気抵抗(AMR)効果の観測報告例とは相反する実験結果である。そこで、MBE法により作製したエピタキシャルNiFe3NおよびNi3FeN薄膜のAMR効果を測定し、その発現温度と符号を検証した。
膜厚50 nmのNiFe3NおよびNi3FeN薄膜を、[100]が長手方向の幅0.2 mmのホールバー形状に加工し、測定温度5-300 Kの範囲で、外部磁場30 kOe、直流電流0.2 mAのもとでAMR効果を測定した。結果、Ni3FeN薄膜の室温におけるAMR比はほぼ0であり、スパッタ膜の報告とは異なる結果となった。また、双方の試料で広い温度範囲で負のAMR効果が観測された。室温における大きな正のAMR効果は、Ni3Feの特徴と一致することから、過去の報告例のNi3FeN薄膜については、N抜けが示唆される。Kokadoらの理論によれば、負のAMR効果はs↑→d↑またはs↓→d↓のs-d散乱機構で説明される。第一原理計算の結果、NiFe3NおよびNi3FeNのフェルミ準位における状態密度は3d少数スピンが支配的であるため、これらの負のAMR効果はs↓→d↓の散乱機構に起因する。したがって、NiFe3NとNi3FeNについても、Fe4Nと同様に少数スピン伝導が優勢であり、シリコンとの格子不整合率が小さい少数スピン伝導強磁性体材料を新たに発見した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Highly oriented epitaxial (α′′+α′)-Fe16N2 films on α-Fe(001) buffered MgAl2O4(001) substrates and their magnetization (2017)
  • Author(s): S. Higashikozono, K. Ito, F. Takata, T. Gushi, K. Toko, and T. Suemasu
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 印刷中 Pages: 691-695
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.11.048
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Negative anisotropic magnetoresistance resulting from minority spin transport in NixFe4-xN (x=1 and 3) epitaxial films (2017)
  • Author(s): F. Takata, K. Kabara, K. Ito, M. Tsunoda, T. Suemasu
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 121 Issue: 2
  • DOI: 10.1063/1.4974002
  • NAID: 120007135054
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Epitaxial growth and magnetic properties of NixFe4-xN (x=0, 1, 3, and 4) films on SrTiO3(001) substrates (2016)
  • Author(s): F. Takata, K. Ito, S. Higashikozono, T. Gushi, K. Toko, T. Suemasu
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 120 Issue: 8
  • DOI: 10.1063/1.4961734
  • NAID: 120007129363
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electrical detection of magnetic domain wall in Fe4N nanostrip by negative anisotropic magnetoresistance effect (2016)
  • Author(s): T. Gushi, K. Ito, S. Higashikozono, F. Takata, H. Oosato, Y. Sugimoto, K. Toko, S. Honda, T. Suemasu
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 120 Issue: 11 Pages: 113903-113903
  • DOI: 10.1063/1.4962721
  • NAID: 120007129353
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Growth and magnetic properties of epitaxial Fe4N films on insulators possessing lattice spacing close to Si(001) plane (2016)
  • Author(s): K. Ito, S. Higashikozono, F. Takata, T. Gushi, K. Toko, T. Suemasu
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 455 Pages: 66-70
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.09.036
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Perpendicular magnetic anisotropy in CoxMn4－xN (x = 0 and 0.2) epitaxial films and possibility of tetragonal Mn4N phase (2016)
  • Author(s): Keita Ito, Yoko Yasutomi, Kazuki Kabara, Toshiki Gushi, Soma Higashikozono, Kaoru Toko, Masakiyo Tsunoda, and Takashi Suemasu
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 6 Issue: 5
  • DOI: 10.1063/1.4942548
  • NAID: 120007135362
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Local electronic states of Fe4N films revealed by x-ray absorption spectroscopy and x-ray magnetic circular dichroism (2015)
  • Author(s): K. Ito, K. Toko, Y. Takeda, Y. Saitoh, T. Oguchi, T. Suemasu, and A. Kimura
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 117 Issue: 19
  • DOI: 10.1063/1.4921431
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Mossbauer study on epitaxial CoxFe4-xN films grown by molecular beam epitaxy (2015)
  • Author(s): K. Ito, T. Sanai, Y. Yasutomi, T. Gushi, K. Toko, H. Yanagihara, M. Tsunoda, E. Kita, and T. Suemasu
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 117 Issue: 17
  • DOI: 10.1063/1.4914342
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fabrication of L-shaped Fe4N ferromagnetic narrow wires and position control of magnetic domain wall with magnetic field (2015)
  • Author(s): T. Gushi, K. Ito, S. Honda, Y. Yasutomi, K. Toko, H. Oosato, Y. Sugimoto, K. Asakawa, N. Ota, and T. Suemasu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 54 Issue: 2 Pages: 028003-028003
  • DOI: 10.7567/jjap.54.028003
  • Peer Reviewed
• [Presentation] NixFe4-xN(x = 1, 3)薄膜の負の異方性磁気抵抗効果 (2016)
  • Author(s): 高田郁弥, 伊藤啓太, 鹿原和樹, 東小薗創真, 具志俊希, 都甲薫, 角田匡清, 末益崇
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟県
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] MBE法で作製したα'-Fe16-xMnxN2(x = 0, 1, 2)薄膜の磁気特性 (2016)
  • Author(s): 東小薗創真, 伊藤啓太, 具志俊希, 高田郁弥, 都甲薫, 末益崇
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟県
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] エピタキシャルNixFe4-xN(x = 0, 1, 3, 4)薄膜の磁気物性の評価 (2016)
  • Author(s): 伊藤啓太, 鹿原和樹, 高田郁弥, 東小薗創真, 具志俊希, 都甲薫, 角田匡清, 末益崇
  • Organizer: 第40回日本磁気学会学術講演会
  • Place of Presentation: 金沢大学、石川県
  • Year and Date: 2016-09-05
• [Presentation] 垂直磁気異方性をもつ正方晶フェリ磁性Mn4N薄膜の磁気構造 (2016)
  • Author(s): 伊藤啓太, 具志俊希, 東小薗創真, 都甲薫, 白井正文, 角田匡清, 末益崇
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学、東京都
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Perpendicular magnetic anisotropy of CoxMn4-xN (x = 0 and 0.2) epitaxial films on SrTiO3(001) substrates (2016)
  • Author(s): K. Ito, Y. Yasutomi, K. Kabara, T. Gushi, S. Higashikozono, K. Toko, M. Tsunoda, and T. Suemasu
  • Organizer: 13th Joint MMM-Intermag Conference
  • Place of Presentation: San Diego, USA
  • Year and Date: 2016-01-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fe4Nエピタキシャル薄膜の窒素原子占有度の評価 (2015)
  • Author(s): 伊藤啓太, 具志俊希, 東小薗創真, 竹田幸治, 斎藤祐児, 都甲薫, 柳原英人, 角田匡清, 小口多美夫, 木村昭夫, 喜多英治, 末益崇
  • Organizer: 第39回日本磁気学会学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋大学、愛知県
  • Year and Date: 2015-09-08
• [Presentation] CoxMn4-xN エピタキシャル薄膜の飽和磁化と垂直磁気異方性の評価 (2015)
  • Author(s): 伊藤啓太，安富陽子，鹿原和樹，具志俊希，東小薗創真，都甲薫，角田匡清，末益 崇
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学(神奈川県平塚市)
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] MBE法によるα"-Fe16N2薄膜のエピタキシャル成長 (2015)
  • Author(s): 東小薗創真，伊藤啓太，安富陽子，具志俊希，都甲薫，末益崇
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学(神奈川県平塚市)
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] 負のスピン分極率を有するFe4N強磁性細線の磁壁形成位置の制御 (2015)
  • Author(s): 具志俊希，伊藤啓太，安富陽子，東小薗創真，都甲薫，大里啓孝，杉本喜正，浅川潔，太田憲雄，本多周太，末益崇
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学(神奈川県平塚市)
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] Mossbauer study on epitaxial CoxFe4-xN films grown by molecular beam epitaxy (2014)
  • Author(s): K. Ito, T. Sanai, Y. Yasutomi, T. Gushi, K. Toko, H. Yanagihara, M. Tsunoda, E. Kita, and T. Suemasu
  • Organizer: 59th Annual Magnetism and Magnetic Materials Conference
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2014-11-03 – 2014-11-07
• [Presentation] Magnetic properties of anti-perovskite type transition metal ferromagnetic nitrides (2014)
  • Author(s): K. Ito and T. Suemasu
  • Organizer: 226th Meeting of the Electrochemical Society
  • Place of Presentation: Cancun, Mexico
  • Year and Date: 2014-10-05 – 2014-10-09
  • Invited
• [Presentation] CoxFe4-xN(x = 0, 1, 3)エピタキシャル膜のメスバウアー測定 (2014)
  • Author(s): 伊藤啓太，佐内辰徳，安富陽子，具志俊希，都甲薫，柳原英人，角田匡清，喜多英治，末益崇
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学(北海道札幌市)
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] くの字型及び円弧状Fe4N 強磁性細線の作製と磁区観察 (2014)
  • Author(s): 具志俊希，伊藤啓太，安富陽子，都甲薫，大里啓孝，杉本喜正,浅川潔，太田憲雄，本多周太，末益崇
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学(北海道札幌市)
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] CoxMn4-xN 薄膜における磁気特性のCo/Mn 比依存性 (2014)
  • Author(s): 安富陽子，伊藤啓太，具志俊希，都甲薫，末益崇
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学(北海道札幌市)
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Remarks] RESEARCHER ID
  • URL: http://www.researcherid.com/rid/D-3805-2016
• [Remarks] RESERCHER ID
  • URL: http://www.researcherid.com/rid/D-3805-2016