2023 Fiscal Year Annual Research Report
Establishment of the Science of Super Orbital Splitting and Creation of New Functions using Epitaxial Heterointerfaces
| Project Area | Novel colossal interface response induced by super orbital splitting |
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| Project/Area Number |
23H03802
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大矢 忍 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20401143)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
Le DucAnh 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50783594)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 超軌道分裂 / 酸化物ヘテロ界面 / 分子線エピタキシー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2023年度の代表的な成果は下記の２点である。
SrTiO3基板上にエピタキシャル単結晶酸化物強磁性薄膜LaSrMnO3(LSMO)を成長し、我々のグループのナノ加工技術を用いて36 nm程度の領域にアルゴンを照射し、本来金属であるLSMOに対してナノスケールでの局所的な相転移を引き起こすことによって、半導体では実現が困難であった140%ものスピンバルブ比をもつスピントランジスタを作製することに成功した。酸化物を用いて半導体では実現が難しかった新たな機能性をもつデバイスを実現できる可能性を示している。将来的には、このようなナノスケールの相転移技術をさまざまな酸化物に適用することで酸化物の多様な物性を利用した新しいデバイスを創出できるものと期待される。本成果はAdv. Mater.誌に出版され、プレスリリースを行った。本領域研究では、スピン注入が高効率で実現できる界面がどのようなものなのか微視的に検討を進めていきたい。
従来、抵抗スイッチ効果は電界によってのみ制御がなされてきた。我々はFe/MgOからなる２層電極をもつGeのナノチャネルデバイスに対して、磁場を印加したところ25000%も抵抗が変化する抵抗スイッチ効果を観測した。さらに磁場により、スイッチ効果が増大することが明らかになった。抵抗スイッチ効果を磁場で制御できる新たな方向性を示す成果と言える。A03班との共同研究により、理論的に導電性フィラメントの構成要素としてMg欠損が極めて重要な役割を果たしていることが明らかになった。Mg欠損をこのような抵抗スイッチ効果の磁場依存性の実現に使えることは、今まで全く知られていなかった。酸化物中の陽イオンの欠損の有用性を意外な形で示すことができた点で、学術的な意義も非常に大きいと考えている。本成果はAdv. Mater.誌に出版され、プレスリリースを行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
共同研究が順調に進んでおり、特に昨年度はA02班佐藤グループおよびA03班福島グループとの共同研究を予定通りに進めることができた。予想外の成果も次々と生まれており、酸化物の超高品質界面を用いた高効率スピン注入と、スピントランジスタでは過去最高値である140%ものスピンバルブ比を得ることに成功し、Adv.Mater.誌に掲載するとともにプレスリリースを行った。このような単結晶の高品質界面でどのようにして高効率のスピン注入が実現されているのかを本研究領域で引き続き議論していくことは極めて重要である。また、A03班と共同で、過去30年間謎であった強磁性半導体の抵抗率の温度依存性の特異な振る舞いを、第一原理計算を利用して解明することに成功し、APL Materials誌に論文が出版され、プレスリリースを行った。さらに、A03班と共同で、Fe/MgO電極を有するGeナノチャネルデバイスにおいて、25000%にもおよぶ磁場で制御可能な大きな抵抗スイッチ効果を実現することに成功し、第一原理計算を用いて理論モデルを構築した。本成果はAdv.Mater.に掲載され、プレスリリースを行った。本グループの学生が、日本学術振興会育志賞、東京大学総長賞などを受賞しており、近年の成果が高く評価されていることが分かる。
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| Strategy for Future Research Activity |
我々のグループでは、従来より分子線エピタキシー技術を駆使して高品質の酸化物ヘテロ界面や、金属／半導体多層膜などを作製し、巨大なスピン依存伝導現象を観測してきた。分子線エピタキシーは、超高真空中で原子を昇華または蒸発させて原子層一層一層を積層していくことにより、原子レベルで平坦な単結晶人工格子を作製する技術である。このような理想的な界面を利用することにより、様々な界面に隠されている新たな巨大外場応答現象を探索していく。具体的な研究計画は下記の通りである。
本年度は、さらに共同研究を加速させる。昨年度観測されたFe/MgO/Geにおける、Fe/MgO界面での強磁性近接効果による巨大磁気抵抗スイッチ効果に関して、より理解を深めるために、層構造の異なるヘテロ構造で同様の実験を進めていく。同時に、A03班福島グループと共同で、本現象の理論的な理解も進めていく。大きな外場応答が観測されているオールエピタキシャルのLaSrMnO3/SrTiO3界面試料を、昨年度、A02班佐藤グループに提供しており、走査透過型電子顕微鏡および電子エネルギー損失分光(EELS)その場観測技術を駆使して、これから電場磁場誘起巨大応答の原理をより詳細に調べることにより、これらの物理現象を理解し、さらに大きな応答が得られるかを調査する。分子線エピタキシーでは作製が困難な界面も存在するため、必要に応じて、永沼グループ(A01班)のスパッタ技術も併用することにより、新たな界面の作製を目指す。結晶成長の難易度に関しては、結晶成長の実験結果をA03班福島グループにフィードバックすることにより、より実現しやすい界面の理論予想を行う。さらに実験結果をもとに理論と実験の整合度を検証していきたい。本領域外の研究者とも積極的に連携することにより、共同研究の幅を広げていくことにより、分野の拡大に貢献したい。
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[Journal Article] Colossal magnetoresistive switching (CMRS) induced by d0 ferromagnetism of MgO in a semiconductor nanochannel device with ferromagnetic Fe/MgO electrodes2024
Author(s)
S. Ohya, S. Tsuruoka, M. Kaneda, H. Shinya, T. Fukushima, T. Takeda, Y. Tadano, T. Endo, L. D. Anh, A. Masago, H. Katayama-Yoshida, and M. Tanaka
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Journal Title
Adv. Mater.
Volume: 36
Pages: 2307389
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Giant spin-valve effect in planar spin devices using an artificial implemented nanolength Mott-insulator region2023
Author(s)
T. Endo, S. Tsuruoka, Y. Tadano, S. Kaneta-Takada, Y. Seki, M. Kobayashi, L. D. Anh, M. Seki, H. Tabata, M. Tanaka, and S. Ohya
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Journal Title
Adv. Mater.
Volume: 35
Pages: 2300110
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Giant spin-valve effect and gate modulation in nano-channel oxide devices made using metal-insulator transition2024
Author(s)
Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Shingo Kaneta-Takada, Yuichi Seki, Masaki Kobayashi, Le Duc Anh, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
Organizer
学術変革B 第2回研究成果報告会
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[Presentation] Giant spin-valve effect and gate modulation in nano-channel oxide devices made using metal-insulator transition2023
Author(s)
Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Shingo Kaneta-Takada, Yuichi Seki, Masaki Kobayashi, Le Duc Anh, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
Organizer
学術変革B 超軌道分裂による新奇巨大界面応答 第２回成果報告会
Invited
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[Presentation] Giant spin-valve effect and FET operation in nano-channel oxide devices made using metal-insulator transition2023
Author(s)
Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Shingo Kaneta-Takada, Yuichi Seki, Masaki Kobayashi, Le Duc Anh, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
Organizer
29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE-29)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Giant spin-valve-like behavior induced by magnetic-field-controlled resistive switching in an Fe/MgO/Ge-based two-terminal device2023
Author(s)
Masaya Kaneda, Shun Tsuruoka, Tatsuro Endo, Takahito Takeda, Yuriko Tadano, Tetsuya Fukushima, Hikari Shinya, Akira Masago, Masaaki Tanaka, Hiroshi Katayama-Yoshida, and Shinobu Ohya
Organizer
2023 Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM)
Int'l Joint Research
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