| Project/Area Number |
23K22803
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| Project/Area Number (Other) |
22H01533 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
磯上 慎二 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 (10586853)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
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| Keywords | 電流誘起磁化反転 / 遷移金属窒化物 / ノンコリニア磁気構造 / スピン流変換 / マンガン反強磁性窒化物 / 磁気メモリ / 軽元素 / 磁気記録 / 磁気構造制御 / 磁化反転 |
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| Outline of Research at the Start |
Society5.0といった将来の社会構造では想像をはるかに超えるビッグデータを取り扱う必要性が増してくる．これらのデータを記憶する大容量ストレージデバイスとして，不揮発性磁気メモリの高集積化や，新しく量子ストレージ技術の実現が求められている．これらの電力消費の削減を目指すため，本研究では磁化反転の超高効率化に貢献できるスピントロニクス薄膜材料創成を目的とする．具体的には，逆ペロブスカイトA4X構造（A=遷移金属元素，X=軽元素（B, C, N））中に含まれる軽元素種(X)および組成比の操作によって磁化反転に好ましい磁気構造を形成し，磁化反転時の電流密度の大幅な低減を実現する道筋を開拓する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
現有の磁気メモリ構造のみならず量子ストレージ技術の実現に向けて，本年度は軽元素を含む逆ペロブスカイト型マンガン基反強磁性体性体（Mn3AX：A=遷移金属元素，X＝軽元素（B, C, N））のエピタキシャル薄膜を含むヘテロ接合素子の作製と電流‐スピン流変換効率の評価を目的とした．エピタキシャル薄膜の構造評価，磁気特性の評価にはそれぞれX線回折装置，振動試料型磁力計を用いた．電流‐スピン流変換効率を求めるため，スピントルク強磁性共鳴測定と異常ホール第二次高調信号解析を行い，結果を相互比較しながら信頼性を高めた．その結果，Nにおけるスピン流変換効率の増大作用が初めて明らかになり，関連投稿論文が受理された．
具体的には，ヘテロ接合にはMgO基板／（反強磁性）Mn3PtN／（強磁性）CoFeB，ならびにNの優位性を検証するための対比サンプルとしてMgO基板／Mn3Pt／CoFeBを用いた．X線構造解析の結果より，Mn3PtNおよびMn3Ptいずれの薄膜でも0.77以上と高い原子規則度が得られた．またMn3PtN膜は，相対的に高い結晶配向性を有していた．これはN原子がL10型規則構造を有するMn3Ptの体心サイトに侵入し，隣接Mn原子と軌道混成することで相安定性が向上したことを示唆する．10ミクロン幅のホールバー素子に微細加工し，スピンホール強磁性共鳴の測定結果を解析したところ，Mn3PtN/CoFeBにおいて相対的に約30%程度大きなスピンホール角が得られた．同時に測定した異常ホール第二次高調波成分においても，定性的に矛盾しない結果が得られた．以上の実験結果を裏付けるため，Mn3PtNとMn3Ptにおけるスピンホール伝導率の第一原理計算を行ったところ，x方向の電流と面内で直交するy方向に分極したスピンがNによって増大することが確かめられた．
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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
母相結晶格子に侵入するB，C，Nなどの軽元素の影響に関しては主に磁気特性の観点から検証されてきたが，本年度はスピン流変換効率に及ぼす影響について明確化した．本研究の最終目標である，軽元素による電流誘起磁化反転の効率化，の実現に向けた材料指針となる重要な成果であるため，おおむね順調に進展しているものと評価される．
スピン軌道トルクによる電流誘起磁化反転の効率化には，スピンホール層における高い電流‐スピン流変換効率や界面スピン注入効率が必要である．従来は高いスピン軌道相互作用を有する重元素，トポロジカル絶縁体など非常に多くの材料開発が行われ，それぞれで異なるスピン流変換物理起源をもつことなども明らかになっている．本研究で得られた軽元素の操作で効率化を図るアプローチは，従来のそれらに新たな知見を与えるものである．また豊富な資源量の観点においてB，C，Nなどの軽元素には優位性があるため，磁気メモリ市場が拡大し生産段階に入る際にも比較的障壁なく適用できるものと推察される．
本年度はNの効果を明らかにしたが，同様の効果がBやCにも期待され拡張性があるため，今後の研究推進方策として挑戦する価値は十分にある．このように今後につながる成果という観点からも概ね順調と評価するのが妥当である．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる2024年度は軽元素化合物を含むスピン軌道トルク電流誘起磁化反転デバイスを作製し，
１．反転電流密度の低減を目的としたデモンストレーション
２．軽元素の効果を最大にできる母相との組み合わせの探索
以上２点を行う．2023年度のMn3PtNサンプルを用いた研究で確立したものと同様の実験方法を取り入れる．具体的にはスピン流変換効率を評価するために，スピントルク強磁性共鳴法と異常ホール二次高調波測定を行う．実際の磁化反転をデモンストレーションするためには，垂直磁化強磁性層が必要であるが，今回はCo/Pt多層膜，Co/Ni多層膜を用いることとする．ホールバー形状の素子から着手するが，多磁区形成を反映した磁化中間状態が問題になる場合は，強磁性層をサブミクロンスケールのドットパターンに微細加工することで単磁区化を試みる．
反転電流密度の低減という明確な目標に向かって，Nの効果を最大化できる母相をひとつづつ確かめる．2023年度はMn3Pt反強磁性体にNを侵入させMn3PtNとなったときの効果が明らかになったが，同一の逆ペロブスカイト結晶構造とノンコリニア反強磁性磁気構造をもつMn3Ir，Mn3Ga，Mn3Geなどへ拡張し，スピン流変換効率の対比，または実際の磁化反転デモンストレーション結果の対比を総合して結論を導出する．
第一原理計算によるスピンホール伝導率は反強磁性体の真性的なポテンシャルを確かめるのに重要であるため，実験前の参考データとして積極的に取り入れる．
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