スピンフィルタ効果を示す強磁性絶縁障壁材料の探索

• Project Area: Creation and control of spin current
• Project/Area Number: 21019005
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 柳原 英人 筑波大学, 大学院・数理物質科学研究科, 准教授 (50302386)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥4,400,000 (Direct Cost: ¥4,400,000); Fiscal Year 2010: ¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2009: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
• Keywords: スピンフィルタ / マグヘマイト / マグネタイト / 磁気トンネル接合 / スピネルフェライト

Research Abstract

マグヘマイト(γ-Fe2O3)やマグネタイト(Fe3O4)のようなスピネルフェライト単結晶薄膜をスピントロニクス材料に展開するための基礎的な研究を行った。前年度の結果ではγ-Fe2O3薄膜は、その初期成長では化学量論比に近い組成で成長するものの、その後、Fe2+が増加してくるため、絶縁特性が劣化し、スピンフィルタ層として機能しないことが示唆されていた。そこで本年度は、さらに高い絶縁性が得られるような製膜方法の検討し、TiN/γ-Fe2O3/MgO/Fe/Auの積層構造を有するスピンフィルタ素子の作製を行った。γ-Fe2O3の成膜後にオゾン雰囲気下で熱処理を行うことで、トンネル特性は向上し、室温で-2%程度のMRが得られた。第一原理計算により得られたγ-Fe2O3の電子状態は、γ-Fe2O3をトンネル障壁とした際に少数スピン電子のトンネル確率が支配的であることを示しており、理論的に予想された磁気抵抗効果の符号と我々の実験結果とが一致した。また、Fe3O4/Feはその界面において反強磁性的に結合することが知られており、この磁化配列を利用してTiN/Fe3O4/Fe/AuのCPP配置でのスピンバルブ型磁気抵抗素子を作製した。その結果、室温では大きなMRは観測されなかったが、Fe3O4の金属絶縁体転移温度以下では、数十%の磁気抵抗効果があらわれた。Fe3O4中でのバンドギャップの生成に起因するスピン依存したショットキー接合が、MRの起源であると考えられるが、詳細については、今後の検討課題である。

Research Products

• [Journal Article] Perpendicular magnetic anisotropy in CoFe[sub 2]O[sub 4](001) films epitaxially grown on MgO(001) (2011)
  • Author(s): K.Uwabo, M.Minagawa, Eiji Kita, Noriyuki Hirota
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 109
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Composition Shift as a Function of Thickness in Fe3-delta O4(001) Epitaxial Films (2010)
  • Author(s): M.Minagawa, H.Yanagihara, K.Uwabo, E.Kita, K.Mibu
  • Journal Title: JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Volume: 49
  • Peer Reviewed
• [Presentation] スピネル型強磁性絶縁体を用いたMTJの作製と評価 (2010)
  • Author(s): 田中勝, 柳原英人, 喜多英治, 長濱太郎, 福島章雄, 湯浅新治
  • Organizer: 日本物理学会第65回年次大会
  • Place of Presentation: 岡山大学
  • Year and Date: 2010-03-20
• [Presentation] γ-Fe2O3を用いたスピンフィルタ型MTJの作製と評価 (2010)
  • Author(s): 田中勝, 島田和明, 柳原英人, 喜多英治, 福島章雄, 長濱太郎, 湯浅新治
  • Organizer: 日本磁気学会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場
• [Presentation] 57Feプローブ層を用いたメスバウア効果による鉄酸化物薄膜の微細構造観察 (2009)
  • Author(s): 皆川真, 柳原英人, 喜多英治, 壬生攻
  • Organizer: 第33回日本磁気学会学術講演会
  • Place of Presentation: 長崎大学
  • Year and Date: 2009-09-12