Observation of giant tunnel magnetoresistance change by ballistic spin transport control
| Project/Area Number |
21H01750
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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 28020:Nanostructural physics-related
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
介川 裕章 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究センター, グループリーダー (30462518)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三浦 良雄 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究センター, グループリーダー (10361198)
柳原 英人 筑波大学, 数理物質系, 教授 (50302386)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (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: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
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| Keywords | スピントロニクス / エピタキシャル成長 / トンネル磁気抵抗効果 / 磁性薄膜 / 磁気抵抗効果 / スピントロニクス素子 / 強磁性トンネル接合 / スピネル / 磁気抵抗素子 |
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| Outline of Research at the Start |
スピントロニクス技術を用いた不揮発ストレージクラスメモリやニューロモルフィック素子応用の実現には磁気トンネル接合の室温トンネル磁気抵抗比（TMR比）の大きな向上が不可欠である。磁性層とバリア層間に形成される特異な界面状態を精密制御し、その界面状態間において高いバリスティック性を保ったスピン輸送「バリスティックスピン伝導」を実現できればTMR巨大化が期待される。このためスピネルバリア技術を活用した結晶配向制御の高度化と新材質界面開発によってバリア界面状態を最適化し室温1,000%超TMR比達成を狙う。本研究の推進によってTMR現象の再解釈による新たな学術的知見の提供も期待できる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題はトンネル磁気抵抗（TMR）素子のスピン依存伝導の改善によって室温でのTMR比の大幅な増大を狙うものであり、特に磁性層と絶縁バリア層界面の制御に着目して開発を進めてきた。昨年度達成した世界最高の室温TMR比（631%）を示すCoFe/MgO/CoFe(001)単結晶素子の開発では、MgOバリア上下界面の酸化状態の制御が重要であった。このような界面改善が進んだTMR素子では、TMR比が約0.3 nmのバリア膜厚周期で変動する現象であるTMR振動が伝導を支配するほど巨大化するため、TMR比のさらなる更新のためにはこの振動の起源解明が必要と認識した。
このため今年度はバリアに格子整合性がより良いスピネル系バリアMg4Al-Ox（MAO）を用いたFe/MAO/Fe(001)単結晶素子を準備しMAO膜厚依存性を多数の素子から詳細に取得することでTMR振動の挙動を調べた。結果として、TMR比はMAO膜厚に対してノコギリ波形状の複雑な変動を見せた。また抵抗値のMAO膜厚に対する振動成分は、従来検討されていた正弦波形状ではなく、釣り鐘型の振動形状を持つことが明らかになった。これらの知見はTMR振動の起源解明の重要なステップであると期待される。
また、開発した界面制御の技術を発達させ、従来の(001)配向型に代わり、(111)配向型結晶を用いたTMR素子の開発も行い、完全(111)型CoFe/MgO/CoFe構造の単結晶TMR素子を実現した。これまでは(111)配向のMgOバリア作製は困難であることが知られていたが、電子線蒸着を中心としたバリア制御技術の開拓により達成できた。fcc(111)型TMR素子は理論計算により巨大なTMR比が予測されており、新しいスピントロニクス応用技術の基礎として今後大きな発展が期待できる。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(48 results)
