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Analysis of the temperature dependence of the tunnel magnetoresitance based on the first-principles estimation of the interfacial s-d exchange interaction

Research Project

Project/Area Number 23K03933
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
Research InstitutionNational Institute for Materials Science

Principal Investigator

増田 啓介  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, 主任研究員 (40732178)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Keywordsトンネル磁気抵抗効果 / 磁気トンネル接合 / s-d交換相互作用 / 第一原理計算 / 最局在ワニエ関数法 / スピントロニクス
Outline of Research at the Start

磁気トンネル接合(MTJ)をより広く実用化させるためには、室温で高い磁気抵抗比(TMR比)を達成する必要がある。しかし従来のMTJにおいて、TMR比は温度上昇と共に大きく低下することが知られてきた。本研究では、この現象を理解するために申請者が提唱したアイデア「界面s-d交換メカニズム」の定量的検証を行う。複数のMTJにおいて、第一原理計算を用いて界面s-d交換相互作用を求め、TMR比の温度依存性を計算する。これを実験結果と比較することで、界面s-d交換メカニズムがTMR比の温度依存性を定量的に説明しうるかを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

第一原理計算と最局在ワニエ関数法を用い、磁気トンネル接合の界面におけるs-d交換相互作用を非経験論的に評価する方法を確立した。最も基本的な磁気トンネル接合であるFe/MgO/Fe(001)に着目し、まずこの系の超格子に対して第一原理計算を実施することでバンド構造を求めた。続いて得られたバンド構造を再現するタイトバインディング模型を最局在ワニエ関数法により構築した。このタイトバインディング模型に乱雑位相近似を適用することで、Feサイトのd軌道におけるクーロン相互作用の値を求めることができる。このようにして求めたクーロン相互作用とタイトバインディング模型に含まれるオンサイトエネルギーおよび跳び移り積分の値から、界面層におけるs-d交換相互作用を算出することができた。上記の解析過程の中で最も難しく時間がかかったのは、最局在ワニエ関数法を用いてタイトバインディング模型を構築する箇所であった。初期のワニエ関数の選び方やワニエ関数を構築するエネルギー範囲の選択が通常のバルクの系に比べ格段に難しく、これらを習得するために多くの時間を費やした。ただこのような試行錯誤により、これまでには持ち合わせていなかった最局在ワニエ関数法に関する多くの知見を得ることができた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

予定していたよりも時間はかかったものの、界面s-d交換相互作用の評価方法を確立できたため。この方法を利用することで様々な界面における界面s-d交換相互作用を非経験的に評価することが可能となった。

Strategy for Future Research Activity

これまでの計算では、磁気トンネル接合の超格子を最低限のサイズに限定して計算を行ってきた。そこで次は超格子内の磁性体および絶縁体の膜厚を増やしながら界面s-d交換相互作用の計算を行い、各膜厚に対する収束性を確認する。ここまでで界面s-d交換相互作用の評価手法の確立は終了するため、その後は強磁性体や絶縁体を変えて界面s-d交換相互作用の物質依存性に対して検討を進めていく。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2023 Other

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Cubic-type Heusler compound Mn2FeGa thin film with strain-induced large perpendicular magnetic anisotropy2023

    • Author(s)
      Bentley Phillip David、Li Songtian、Masuda Keisuke、Miura Yoshio、Du Ye、Mitsui Takaya、Fujiwara Kosuke、Kobayashi Yasuhiro、Guo Tengyu、Yu Guoqiang、Suzuki Chihiro、Yamamoto Shunya、Zheng Fu、Sakuraba Yuya、Sakai Seiji
    • Journal Title

      Physical Review Materials

      Volume: 7 Issue: 6 Pages: 064404-064404

    • DOI

      10.1103/physrevmaterials.7.064404

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Quantum Annealing Optimization Method for the Design of Barrier Materials in Magnetic Tunnel Junctions2023

    • Author(s)
      Kenji Nawa, Tsuyoshi Suzuki, Keisuke Masuda, Shu Tanaka, Miura Yoshio
    • Journal Title

      Physical Review Applied

      Volume: 20 Issue: 2 Pages: 24044-24044

    • DOI

      10.1103/physrevapplied.20.024044

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Nano-crystal domains in Co-based fcc(111) epitaxial magnetic junctions and their impact on tunnel magnetoresistance2023

    • Author(s)
      He Cong、Masuda Keisuke、Song Jieyuan、Scheike Thomas、Wen Zhenchao、Miura Yoshio、Ohkubo Tadakatsu、Hono Kazuhiro、Mitani Seiji、Sukegawa Hiroaki
    • Journal Title

      Acta Materialia

      Volume: 261 Pages: 119394-119394

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2023.119394

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Prediction of High Tunnel Magnetoresistance Ratios in (111)-Oriented Junctions with SrTiO3 Barriers2023

    • Author(s)
      K.Masuda, H.Itoh, Y.Sonobe, H.Sukegawa, S.Mitani, Y.Miura
    • Organizer
      Intermag 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Theory for Temperature Dependence of Tunnel Magnetoresistance: Crucial Role of Interfacial s-d Exchange Interaction2023

    • Author(s)
      K.Masuda, T.Tadano, Y.Miura
    • Organizer
      Intermag 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子アニーリングと第一原理計算を用いた不規則系酸化物の最適化2023

    • Author(s)
      名和 憲嗣, 鈴木 健司, 増田 啓介, 田中 宗, 三浦 良雄
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Quantum-annealing approach for design of magnetic tunnel junction: Case study of inverse-spinel MgGa2O4 tunnel barrier2023

    • Author(s)
      名和 憲嗣, 鈴木 健司, 増田 啓介, 田中宗, 三浦 良雄
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] SrTiO3を用いた(111)配向磁気トンネル接合の理論研究2023

    • Author(s)
      増田 啓介, 伊藤 博介, 園部 義明, 介川 裕章, 三谷 誠司, 三浦 良雄
    • Organizer
      第47回日本磁気学会学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 量子アニーリングによる不規則性トンネルバリア設計2023

    • Author(s)
      名和 憲嗣, 鈴木 健司, 増田 啓介, 田中 宗, 三浦 良雄
    • Organizer
      第47回日本磁気学会学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Inverse tunneling magnetoresistance driven by interfacial resonance states in a (001)-oriented FeRh/MgO/FeCo junction2023

    • Author(s)
      Zhenchao Wen, Thomas Scheike, Cong He, Keisuke Masuda, Hiroaki Sukegawa, Tadakatsu Ohkubo, Seiji Mitani
    • Organizer
      The 68th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Three Types of Nano Crystal Domain Structures in Fully Epitaxial fcc-Co/MgO/Co(111) Magnetic Tunnel Junctions2023

    • Author(s)
      Cong He, Keisuke Masuda, Jieyuan Song, Thomas Scheike, Zhenchao Wen, Hiroaki Sukegawa, Yoshio Miura, Tadakatsu Ohkubo, Kazuhiro Hono, Seiji Mitani
    • Organizer
      The 68th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] NIMS Researchers Directory Service(SAMURAI)

    • URL

      https://samurai.nims.go.jp/profiles/masuda_keisuke

    • Related Report
      2023 Research-status Report

URL: 

Published: 2023-04-13   Modified: 2024-12-25  

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