2020 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical design of a ferromagnetic thin-film with 4d transition-metal
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16K17508
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
北岡 幸恵 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究員 (30760269)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / 4d遷移金属 / 強磁性薄膜 / 電界印加 / スピンエレクトロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究「4d遷移金属を用いた新規強磁性薄膜の理論設計」の主な目的は以下の2項目である。(1) 直径10ナノメートルサイズに耐え得る高い磁気異方性エネルギーをもつ強磁性薄膜の設計、(2) 電界印加によって磁気異方性エネルギーが減少する強磁性薄膜の設計 である。磁気異方性は磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM）などの記憶保持力を決める重要な物性値であり、以上の2点で構成される本研究の意義は、MRAMのさらなる高密度化・低消費電力化に繋がる。具体的には、従来の磁気トンネル接合（MTJ）素子を構成するMgO/Fe界面がもつ物性値を超える新たなMgO/4d遷移金属界面の探索を行った。
第一原理電子状態計算手法を用いて解析した結果、MRAMに応用可能な垂直磁気異方性となるのは、Ru超薄膜のみであることがわかった。現実系モデルに近いMgO基板上Ru超薄膜では、従来のMgO/Fe界面と比較して、磁気異方性エネルギーが約3倍になることがわかった。また、電界に対する磁気異方性エネルギーの変化において、MgO/Fe界面の約3倍になること、逆位相になることがわかった。電子構造を解析した結果、Fe超薄膜ではフェルミ準位近傍にマイノリティスピンのみ存在するのに対し、Ru超薄膜ではマジョリティ・マイノリティスピンが存在し、スピン軌道相互作用定数の大きさの違いだけではなく、フェルミ準位近傍の占有・非占有d電子軌道の違いも磁気異方性の増大に寄与することがわかった。
以上の研究で得られた知見によって、次世代のMRAMを担うMTJ素子のための強磁性薄膜材料の理論設計が前進した。
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