ファンデルワールスヘテロ構造におけるスピン変換技術の確立

• Project Area: nano spin conversion science
• Project/Area Number: 15H01010
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 守谷 頼 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (30548657)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2016: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2015: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: スピントロニクス / 層状物質 / ヘテロ接合 / スピンエレクトロニクス / ナノ材料 / 原子層科学

Outline of Annual Research Achievements

本研究では層状物質同士のファンデルワールス界面におけるスピン物性の開拓を目指して研究を行った。研究開始当初においては、強磁性を示す金属の層状物質の存在は知られておらず、このため強磁性層状物質と異種材料間のファンデルワールス界面を通したスピン依存伝導は全く未開拓の分野であった。我々は劈開可能な強磁性層状物質の候補として、遷移金属をインターカーレートしたTaS2というこれまでほとんど研究例のなかった材料に注目し、この材料を用いたスピン機能素子の作製を行った。この研究の成果として以下の成果を得た。
1) FeTaS2/FeTaS2 及びCrTaS2/FeTaS2ファンデルワールス接合の作製に成功。
2)ファンデルワールス接合におけるトンネル磁気抵抗効果の観測。
研究開始当初、インターカーレートしたTaS2の表面は酸化しやすく不安定であるという問題があった。我々は乾式の転写法及び熱処理を一切省いたデバイス作製技術を開発し、高品質なFeTaS2/FeTaS2 及びCrTaS2/FeTaS2という２種類のファンデルワールスヘテロ構造の作製に成功した。ここでFeTaS2及びCrTaS2はいずれも強磁性層状物質である。作製した素子において低温でトンネル磁気抵抗効果の観測に成功した。本成果は強磁性層状物質のファンデルワールス接合においてトンネル磁気抵抗効果を観測した初めての例である。さらにFeTaS2/FeTaS2 接合においては最大で8%程度であったトンネル磁気抵抗効果を、CrTaS2/FeTaS2においては15%程度まで向上させた。これは層状物質とスピントロニクスの融合という新分野の開拓につながる成果であると考えている。

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] N- and p-type carrier injections into WSe2 with van der Waals contacts of two-dimensional materials (2017)
  • Author(s): Yohta Sata, Rai Moriya, Satoru Masubuchi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Tomoki Machida
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 56 Issue: 4S Pages: 04CK09-04CK09
  • DOI: 10.7567/jjap.56.04ck09
  • NAID: 210000147636
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Supercurrent in van der Waals Josephson junction (2016)
  • Author(s): N. Yabuki, R. Moriya, M. Arai, Y. Sata, S. Morikawa, S. Masubuchi, and T. Machida
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 7 Issue: 1 Pages: 10616-10616
  • DOI: 10.1038/ncomms10616
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spin injection into multilayer graphene from highly spin-polarized Co2FeSi Heusler alloy (2016)
  • Author(s): Takehiro Yamaguchi, Rai Moriya, Soichiro Oki, Shinya Yamada, Satoru Masubuchi, Kohei Hamaya, Tomoki Machida
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 9 Issue: 6 Pages: 063006-063006
  • DOI: 10.7567/apex.9.063006
  • NAID: 210000137940
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Construction of van der Waals magnetic tunnel junction using ferromagnetic layered dichalcogenid (2015)
  • Author(s): M. Arai, R. Moriya N. Yabuki, S. Masubuchi, K. Ueno and T. Machida
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 107 Issue: 10 Pages: 103107-103107
  • DOI: 10.1063/1.4930311
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] カルコゲナイド系強磁性層状物質Cr1/3TaS2の伝導特性 (2017)
  • Author(s): 山崎雄司, 荒井美穂, 守谷頼, 増渕覚, 卞舜生, 為ヶ井強, 上野啓司, 町田友樹
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学(大阪府豊中市)
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] グラフェンを電極としたNbSe2薄膜における超伝導臨界電流 (2017)
  • Author(s): 佐田洋太, 守谷頼, 増渕覚, 町田友樹
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学(大阪府豊中市)
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] NbSe2/NbSe2ファンデルワールス接合におけるジョセフソン電流観測 (2017)
  • Author(s): 守谷頼
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学(大阪府豊中市)
  • Year and Date: 2017-03-17
  • Invited
• [Presentation] Magnetic tunnel junction built from intercalated transition metal dichalcogenide ferromagnets 24 with different magnetic anisotropy (2017)
  • Author(s): 山崎 雄司,守谷 頼,荒井 美穂,増渕 覚,卞 舜生,為ヶ井 強,上野 啓司, 町田 友樹
  • Organizer: 第52回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン 総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学(東京都文京区)
  • Year and Date: 2017-03-01
• [Presentation] Transport property of NbSe2/WSe2 van der Waals Junction (2016)
  • Author(s): Y. Sata, R. Moriya, Y. Hoshi, S. Masubuchi, K. Watanabe, T. Taniguchi, K. Ueno, T. Machida
  • Organizer: International Conference on Solid State Devices and Materials(SSDM2016)
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県つくば市)
  • Year and Date: 2016-09-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] NbSe2/WSe2ファンデルワールスヘテロ接合における伝導特性 (2016)
  • Author(s): 佐田 洋太、守谷 頼、上野 啓司、星 裕介、増渕 覚、渡邊 賢司、谷口 尚、町田 友樹
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Tunnel magnetoresistance effect in van der Waals junction composed of layered material ferromagnets (2016)
  • Author(s): Yuji Yamasaki, Miho Arai, Satoru Masubuchi, Keiji Ueno, Tomoki Machida
  • Organizer: Graphene Week 2016
  • Place of Presentation: University of Warsaw(Poland, Warsaw)
  • Year and Date: 2016-06-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum transport in van der Waals junctions of 2D materials (2015)
  • Author(s): T. Machida, S. Masubuchi, N. Inoue, S. Morikawa, R. Moriya, N. Yabuki, M. Arai, Y. Yamasaki, K. Ueno, K. Watanabe, and T. Taniguchi
  • Organizer: CEMS Topical Meeting on Emergent 2D Materials
  • Place of Presentation: RIKEN(和光市)
  • Year and Date: 2015-12-12
  • Invited
• [Presentation] van der Waals junctions of layered 2D materials for functional devices (2015)
  • Author(s): Tomoki Machida, Rai Moriya ; Miho Aral, Yohta Sata, Takehiro Yamaguchi, Naoto Yabuki, Sei Morikawa, Satoru Masubuchi, Keiji Ueno
  • Organizer: 2015 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
  • Place of Presentation: Washington, DC(USA)
  • Year and Date: 2015-12-09
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spintronics with van der Waals heterostructure of layered materials (2015)
  • Author(s): R. Moriya, M. Arai, T. Yamaguchi, Y. Inoue, N. Yabuki, Y. Sata, S. Masubuchi, K. Ueno, and T. Machida
  • Organizer: 第20スピン工学の基礎と応用（PASPS20）
  • Place of Presentation: 東北大学(仙台市)
  • Year and Date: 2015-12-04
  • Invited
• [Presentation] Observation of tunneling magnetoresistance effect in Fe0.25TaS2/Fe0.25TaS2 van der Waals junction (2015)
  • Author(s): Miho Arai, Rai Moriya, Naoto Yabuki, Satoru Mausubuchi, Keiji Ueno, and Tomoki Machida
  • Organizer: The 7th annual Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference (RPGR2015)
  • Place of Presentation: Victoria(Australia)
  • Year and Date: 2015-10-27
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Magnetic tunnel junction built from layered material (2015)
  • Author(s): Miho Arai, Rai Moriya, Naoto Yabuki, Satoru Masubuchi, Keiji Ueno, and Tomoki Machida
  • Organizer: 21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（仙台市）
  • Year and Date: 2015-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Tunnel magnetoresistance in ferromagnetic layered dichalcogenide van der Waals junctions (2015)
  • Author(s): T. Machida, M. Arai, R. Moriya, N. Yabuki, S. Masubuchi, and K. Ueno
  • Organizer: The 16th International Conference on the Science and Application of Nanotubes (NT15)
  • Place of Presentation: 名古屋大学(名古屋市)
  • Year and Date: 2015-06-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum transport in van der Waals heterostructures of graphene and 2D materials (2015)
  • Author(s): Tomoki Machida, Satoru Masubuchi, Sei Morikawa, Yohta Sata, Naoto Yabuki, Naoko Inoue, Miho Arai, Rai Moriya, Kenji Watanabe, and Takashi Taniguchi
  • Organizer: New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics (NPSMP2015)
  • Place of Presentation: 柏の葉カンファレンスセンター（柏市）
  • Year and Date: 2015-06-11
  • Int'l Joint Research / Invited