2018 Fiscal Year Annual Research Report
スピン軌道トルクによるハーフメタル強磁性体磁化制御とそのデバイス応用
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17H03225
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
植村 哲也 北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (20344476)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近藤 憲治 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (50360946)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | スピン軌道相互作用 / ハーフメタル強磁性体 / スピン軌道トルク / 強磁性トンネル接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，スピン軌道相互作用の大きい非磁性層と，スピン偏極率が本質的に100%となるハーフメタル強磁性体からなる積層構造において生じるスピン軌道トルク（スピン軌道相互作用によって生じるスピン流が磁化に及ぼすトルク）(SOT)を利用した，ハーフメタル強磁性体磁化制御技術を確立し，高速性・低消費電力性に優れた新規スピントロニクスデバイスを実現することである．具体的には，優れたハーフメタル性が実証されているCo基ホイスラー合金を電極とした強磁性トンネル接合(MTJ)デバイスと強いスピン軌道相互作用を有する非磁性材料を組み合わせた，新規磁気抵抗素子ならびに高周波自励発振デバイスを開拓する．また，ハーフメタル強磁性体における伝導電子と局在電子スピン（磁化）間に働く相互作用や磁化ダイナミクスに関する学理を解明し，スピントルクに対するスピン軌道相互作用の効果を詳細に明らかにする．
Ｈ３０年度は，Co基ホイスラー合金のCo2MnSiとTaからなる2層膜をMTJの磁化自由層に組み込んだ３端子型MTJの開発を継続するとともに、Co2MnSi/Ta 接合におけるSOT由来の有効磁場の大きさを異常ホール効果により評価した．その結果，Co2MnSi/Ta 接合の有効磁場の大きさは，先行研究のFe/Ta接合のそれと比べ，およそ２倍となり，より高効率なSOT磁化反転の可能性があることがわかった．また，垂直磁化特性を有するCo基ホイスラー合金に対するSOT磁化反転の検討を開始した．今年度はMnGa垂直磁化膜との交換結合を利用し，Co2MnSiに垂直磁化特性が発現することを実証した．高周波自励発振素子の開発に関しては，素子特性を評価するための高周波測定系を構築した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
Co基ホイスラー合金に対するSOT磁化反転の実証とその基本特性の評価に関しては，おおむね予定どおり進んでいる．一方，高周波自励発振素子の評価に関しては，高周波測定系の構築に想定以上の時間を要し，やや遅れ気味である．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までに， Co基ホイスラー合金のCo2MnSiとTaからなる積層構造に対して，SOT由来の有効磁場の大きさを明らかにするとともに，Co2MnSi/Taヘテロ構造をMTJに組み込んだ3端子型MTJを開発した．Co2MnSiは面内磁化膜であるが，今年度は垂直磁化特性を有するCo基ホイスラー合金に対するSOT磁化反転を検討する．垂直磁化膜は素子の微細化に有利であるばかりでなく，磁化反転の閾電流密度低減の観点からも有望である．Co基ホイスラー合金に垂直磁化特性を付与するために，強い垂直磁気異方性を有する強磁性材料との交換結合を利用する．すでに予備検討として，MnGaを垂直磁化膜として利用することでCo2MnSiに垂直磁化特性が発現することを実証している．MnGaは垂直磁気異方性定数が1x10^6 J/m3程度と比較的高く，さらに飽和磁化や磁気緩和定数が小さいことから，スピントルクの研究においても有望な材料である．さらに， Co2MnSiとMnGaは反強磁性的に結合することも見出しており，このような反強磁結合した2層膜におけるSOT磁化反転のダイナミクスは物理的にも興味深い．
また，昨年度までに構築した高周波測定系を用いて，作製した３端子型MTJにおいて自励発振特性を明らかにする．
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