2016 Fiscal Year Research-status Report
超伝導磁気メモリのためのハーフメタル型ジョセフソン素子に関する研究
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16K04933
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| Research Institution | Kagoshima University |
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Principal Investigator |
重田 出 鹿児島大学, 理工学域理学系, 助教 (30370050)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ハーフメタル / ホイスラー合金 / 超伝導 / ジョセフソン効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超伝導デジタル回路は，ジョセフソン素子の高速性・低消費電力性と共に，超伝導体本来の特性でもある無損失性という特徴をもつ。近年，超伝導デジタル回路の消費電力の低減化は急速に進んでいる。一方で，低消費電力・低温動作可能な超伝導メモリは，磁束量子の保持による記録に代わり，素子内に組み込まれた磁性体の磁化の向きで記憶素子を構成する方式が提案され，その集積化の可能性から研究が活性化している。そこで本研究の目的は，ハーフメタル型ホイスラー合金と超伝導体を用いたフルエピタキシャル多層膜の成膜技術とナノサイズ素子の加工技術を利用し，超伝導デジタル技術に必要な超伝導磁気メモリ(超伝導MRAM)のためのハーフメタル・ジョセフソン素子の作製と特性評価に取り組むことである。
初年度に当たる今年度は，MgO単結晶基板上に，ハーフメタル型ホイスラー合金Co2(Fe,Mn)Siと超伝導体NbNの積層膜を成膜し，その成膜条件の最適化に取り組んだ。成膜した二層膜の電気抵抗と磁化の測定を行うことによって，高い超伝導転移温度をもつNbN層と，バルクの値とほぼ等しい自発磁化をもつCo2(Fe,Mn)Si層の成膜条件を調べた。加えて，Co2(Fe,Mn)Siは高規則度の結晶化のためにポストアニールが欠かせないが，ポストアニールによりCo2(Fe,Mn)Si層とNbN層の間の拡散が進むことも懸念されるため，ポストアニールの条件の最適化も重要であった。また，成膜したハーフメタル型ホイスラー合金Co2(Fe,Mn)Siのスピン分極率を直接決定することは，Co2(Fe,Mn)Siのハーフメタル性を保証するために重要である。そこで，エピタキシャル成長させたCo2(Fe,Mn)Si/NbN構造の積層型アンドレーエフ反射素子の作製と，その素子を利用したアンドレーエフ分光法の測定を行うことによって，ホイスラー合金Co2(Fe,Mn)Siのスピン分極率の決定にも取り組んだ。
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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
MgO単結晶基板上に，ハーフメタル型ホイスラー合金Co2(Fe,Mn)Siと超伝導体NbNをピタキシャル成長させた積層膜を成膜し，その結晶構造や超伝導特性，磁気特性の評価を行った。X線回折や反射高速電子回折(RHEED)の解析から，NbNとCo2(Fe,Mn)SiがMgO単結晶基板上にエピタキシャル成長していることが確認できた。さらに，RHEEDの超格子反射ストリークの存在から，Co2(Fe,Mn)Siが高規則度のL21構造になっていることも明らかになった。次いで，このCo2(Fe,Mn)Si/NbN構造の二層膜の電気抵抗と磁化の測定を行ったところ，16Kの高い超伝導転移温度と23Tの高い上部臨界磁場をもつことがわかった。さらに，Co2(Fe,Mn)Siバルクの自発磁化とほぼ等しい磁化を有していることも明らかになり，ホイスラー合金Co2(Fe,Mn)Siと超伝導体NbNの良質な二層膜の成膜に成功した。
そこで，ハーフメタル・ジョセフソン素子への微細加工を行うために，最適な成膜条件を用いて，MgO単結晶基板上にCo2(Fe,Mn)Siの膜厚を変化させたNbN/Co2(Fe,Mn)Si/NbN構造の三層膜を成膜した。X線回折やRHEEDの測定から，この三層膜の各層がエピタキシャルに成長していることが確認できた。
また，NbN/Co2(Fe,Mn)Si構造の二層膜を用いて，積層型アンドレーエフ反射素子を作製した。アンドレーエフ反射分光法によるCo2(Fe,Mn)Siのスピン分極率の測定にも取り組み，ホイスラー合金Co2FeSiのスピン分極率を55%と決定することができた。これまでの報告では，点接触型アンドレーエフ反射（PCAR）法が主流であった。ゆえに，素子界面を原子レベルで制御した積層型アンドレーエフ反射素子を用いて，ホイスラー合金のスピン分極率測定に成功した初めての研究成果である。したがって，この積層型素子を用いたアンドレーエフ反射分光法によって，ハーフメタル・ジョセフソン素子に用いるハーフメタル型ホイスラー合金のスピン分極率測定ができるようになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
NbN/Co2(Fe,Mn)Si構造の積層型素子を用いたアンドレーエフ反射分光法を用いて，Co2FeSiとは組成の異なるCo2(Fe,Mn)Siのスピン分極率の測定を継続する。
さらに，最適化した成膜条件を用いて作製したNbN/Co2(Fe,Mn)Si/NbN構造のエピタキシャル三層膜について，電子線描画装置を利用して微細加工を施すことによって，ハーフメタル・ジョセフソン素子の作製に取り掛かる。ハーフメタル層であるCo2(Fe,Mn)Siの膜厚を変化させたジョセフソン素子を作製し，その素子特性のCo2(Fe,Mn)Siの膜厚依存性を調べることによって，ハーフメタル・ジョセフソン素子の特性を検証する予定である。
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| Causes of Carryover |
購入したシリコニット電気炉を構成する部品を変更することによって，安価に購入することができたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
アンドレーエフ反射法のための測定用試料として用いる低飽和磁化ハーフメタル材料の高純度原料の購入費の一部に充当する。
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[Journal Article] Magnetic and electrical properties of Heusler compounds Ru2Cr1-xXxSi (X = V, Ti)2017
Author(s)
Masahiko Hiroi, Hiroaki Sano, Tomoya Tazoko, Iduru Shigeta, Masakazu Ito, Keiichi Koyama, Hirotaka Manaka, Norio Terada, Muneaki Fujii, Akihiro Kondo, Koichi Kindo
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Journal Title
Journal of Alloys and Compounds
Volume: 694
Pages: 1376-1382
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Spin polarization and magnetization of Heusler alloys Co2TiGa1-Snx (x = 1.0, 0.5)2016
Author(s)
Ryutaro Ooka, Yoshimi Sukino, Yutaro Fujimoto, Iduru Shigeta, Rie Y. Umetsu, Akiko Nomura, Touru Yamauchi, Takeshi Kanomata, Kunio Yubuta, Masahiko Hiroi
Organizer
The 4th International Conference of Asian Union of Magnetics Societies (IcAUMS 2016)
Place of Presentation
Tainan （Taiwan）
Year and Date
2016-08-01 – 2016-08-05
Int'l Joint Research
