2017 Fiscal Year Annual Research Report
実用デバイスに向けたハーフメタルホイスラー合金のスピン依存伝導機構の解明
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17H06152
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
宝野 和博 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 拠点長 (60229151)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
桜庭 裕弥 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主任研究員 (10451618)
中谷 友也 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主任研究員 (60782646)
佐々木 泰祐 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主任研究員 (30615993)
三浦 良雄 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 准教授 (10361198)
木村 昭夫 広島大学, 理学研究科, 教授 (00272534)
田尻 寛男 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 研究員 (70360831)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | ハーフメタル / ＣＰＰ－ＧＭＲ / スピン分極 / 規則合金 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ホイスラー合金ハーフメタルを用いたCPP-GMR素子の温度依存性の起源解明と改善に向けて、Co2FeGa0.5Ge0.5(CFGG)/Ag界面に1.5原子層の異種原子層を挿入することによるMRへの影響を調べた。その結果、Niを挿入することで室温のMR比が1.3倍ほどに改善することが分かった。走査透過電子顕微鏡解析の試料作製法および観察技術の改善をおこない、従来不可能であった界面における原子レベルの元素マッピングが可能になり、界面終端層の同定が可能になった。Ni挿入をした試料ではAg/Ga終端層が形成され、その隣接層にNi層が1原子層分で形成されていることが観測された。Ni層が界面磁性や電子構造、スピン依存伝導に与える影響は今後、光電子分光や第一原理計算により解明していく。他方、大きなMRの温度依存性の起源として、Agスペーサー中を弾道的に伝導する電子が低温でエンハンスされることによる影響も考慮する必要がある。そこで、CFGGとCuのチャネル層を用いた非局所スピンバルブ素子(NLSV)を作製し、CFGGの熱処理温度を変化させ本質的なスピン分極率を変化させた場合の、スピン蓄積信号の温度依存性を評価した。NLSVでは、拡散スピン流がスピン蓄積信号を生むため、弾道成分の影響を排除できる。その結果、CFGGの熱処理温度によらず、スピン蓄積信号には大きな温度依存性が現れた。この結果より、上記、弾道成分の温度依存性への影響は小さいことが分かった。
実用デバイス展開を目指し、安価な基板上に作製できる多結晶薄膜を用いたCPP-GMR素子を作製した。ホイスラー合金にCo2(Mn,Fe)Geを用いることで比較低温である300 °Cの熱処理条件下でも高いB2規則度が得られることが明らかとなった。合わせてスペーサー材料の改善により、従来実用デバイスで20%程度であった磁気抵抗比を50%まで改善することができた。
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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
1CPP-GMRとNLSV素子を用いて、ホイスラー合金のバルク領域および界面近傍におけるスピン依存伝導の温度依存性に関する理解が進んでいる。試料真空搬送とレーザー光電子分光装置が立ち上がり、H30年度から電子構造評価が可能になった。走査透過電子顕微鏡観察手法の改善により、ホイスラー合金/スペーサー界面構造における元素配列を特定できるようになった。Spring-8においても、異常分散XRDをより効率的かつ精度よく測定するための環境整備が進み、ビームタイムを有効活用できるシステムが構築された。実用デバイス構造においても磁気抵抗値の大幅な改善を達成した。以上のことから、ホイスラー合金磁気抵抗素子のスピン依存伝導の温度依存性起源を解明し、磁気センサーデバイス展開を目指す本課題の目的達成のために順調に進展していると評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
ホイスラー合金CPP-GMR素子の磁気抵抗（MR）値の温度依存性の起源に迫るために、以下の実験と理論計算を行なう。（１）試料真空搬送システムとスピン分解レーザー光電子分光を用いた、ホイスラー合金薄膜のバルクおよび界面近傍の電子状態の温度変化測定。（２）SPring-8での軟X線および硬X線磁気円二色性（MCD）測定による、バルクおよび界面近傍における元素ごとの磁気モーメント評価。（３）SPring-8での異常分散効果X回折（AXRD）によるホイスラー合金の化学規則化挙動のin situ観察および測定と解析の高スループット化。（４）Local Moment Disorder法を用いた理論計算によるスピン偏極率の温度依存性の解析。（５）界面スティフネスの減少が小さい、新規磁性材料の理論設計とその試作と評価。
走査透過電子顕微鏡によるホイスラー/スペーサー界面構造の同定、理論計算によるハーフメタルギャップの大きなホイスラー合金の探索、磁化の熱揺らぎに強い界面構造の設計（界面挿入層）を活用した、材料と素子プロセスの改善により、ホイスラー合金CPP-GMR温度依存性の改善、すなわち室温での大きなCPP-GMR値の実現を目指す。また、実用的な多結晶素子におけるCPP-GMR値と磁気特性の改善を行い、HDDリードヘッドや微弱磁気センサーへの応用可能を実証する。
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[Journal Article] Enhancement of current-perpendicular-to-plane giant magnetoresistive outputs by improving B2-order in polycrystalline Co2(Mn0.6Fe0.4)Ge Heusler alloy films with the insertion of amorphous CoFeBTa underlayer2018
Author(s)
S.Li, T.Nakatani, K.Masuda, Y.Sakuraba, X.D.Xu, T.T.Sasaki, H.Tajiri, Y.Miura, T.Furubayashi,K.Hono
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Journal Title
Acta Materiaria
Volume: 142
Pages: 49, 57
DOI
Peer Reviewed
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