| Project/Area Number |
20H02196
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
小峰 啓史 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 准教授 (90361287)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
青野 友祐 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (20322662)
長谷川 靖洋 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (60334158)
千葉 貴裕 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (90803297)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
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| Keywords | スピン軌道トルク / 電界制御 / 磁気メモリ / 低消費電力 / 界面制御 / 磁壁移動型メモリ / トポロジカル絶縁体 / 低電力動作 / 磁性絶縁体 / ダンピング定数の電界制御 / スピン波情報処理 / 閾値電流 / 磁気トポロジカル絶縁体 / 磁気異方性の電界制御 / FET型メモリ素子 |
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| Outline of Research at the Start |
磁壁移動型メモリ実現のためには，低消費電力・高速動作を両立する必要があり，スピン軌道トルクの積極的な利用に加えて，磁壁ピニングを抑制する構造上の工夫が必要である．本研究では，電荷-スピン変換を磁壁に効率よく伝達するため，トポロジカル絶縁体と磁性体の界面状態を理解する．磁性層/トポロジカル絶縁層界面の電子状態解析，及び，異常ホール抵抗のハーモニック解析を通じて，大きな界面スピン軌道トルクを誘起するための材料および界面制御方法を探索する．低電流駆動およびロバストネス向上のため，磁壁ピニング効果を抑制するための軟磁性被覆構造も併行して検討し，低消費電力・高速動作を両立する基本原理を明らかにする．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、電荷-スピン変換を磁壁に効率よく伝達するため、トポロジカル絶縁体と磁性体の界面状態を理解する。磁性層/トポロジカル絶縁層界面の電子状態解析、及び、異常ホール抵抗等のハーモニック解析を通じて、大きな界面スピン軌道トルクを誘起するための材料および界面制御方法を探索する。低電流駆動、及び、ロバストネス向上のため、磁壁ピニング効果を抑制するための軟磁性被覆構造も併行して検討し、低消費電力・高速動作を両立する基本原理を明らかにする。
導入したSb用Kセルおよび既設のBi用セルを組み合わせを検討し、組成を変えたBi-Sb薄膜および磁性膜との積層構造を作製した。3次元トポロジカル絶縁体となるSb量10~20at.%の制御が可能な成膜条件を整え、各種単結晶基板上にBi-Sb薄膜を形成した。構造解析、電気特性解析から、スピン軌道トルクを誘起するのに十分と思われるBi-Sb薄膜を得た．Bi-Sb薄膜への金属磁性層積層を試みたところ、界面構造の乱れが顕著となることがわかり、磁性絶縁体層とBi-Sb層の積層構造の形成への移行を進めている。
一方、磁性トポロジカル絶縁体の応用として、低消費電力で磁化反転を実現出来るFET型素子を提案した。ゲート電圧による磁気異方性制御およびソースードレイン電界によるスピン軌道トルクを組み合わせることで、低消費電力な磁気メモリが形成出来ることを明らかにした。この素子の書き込みエラー率を詳細に調べたところ、従来磁気トンネル接合で議論されている異方性電圧制御に比べて、著しくエラー率が改善出来ることを明らかにした。また、磁気異方性の電圧制御はリザバーコンピューティングへの展開が期待出来ることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究が目標としている界面構造を制御した低消費電力磁気メモリの動作原理および磁気異方性の電圧制御とその応用に関する知見を得つつあり、これらの原理実証に向けた素子作製も順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
トポロジカル材料の選択以外に磁性材料の選択が鍵となることから、今後の積層構造形成にアモルファス金属磁性体、磁性絶縁体を中心に検討する。また、Bi-Sb層にゲート絶縁膜を付与することで電界効果によるフェルミレベルチューニングも重要な推進方策となる。
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