2018 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) |
木村 昭夫 広島大学, 理学研究科, 教授 (00272534)
三浦 良雄 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, 独立研究者 (10361198)
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, グループリーダー (10451618)
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)
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)
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磁気抵抗素子の室温特性向上並びに温度依存性の起源の解明を目指し研究を遂行させた。単結晶面直電流巨大磁気抵抗素子(CPP-GMR素子)については、Co2FeGa0.5Ge0.5(CFGG)/Ag界面へのNiGa,NiFe,CoGa等の二元合金材料挿入効果について調べ、Coを含む挿入層よりもNiを含む材料で大きな磁気抵抗効果の増大が現れることがわかった。この結果は第一原理計算によるアップスピン電子の透過率計算による予測とも一致した。また、CFGG/Ag界面の磁性について調べるため、SPring-8においてバルク敏感性の高い硬X線を用い、Co,Feの2p内殻軌道から放出される光電子スペクトルの磁気円二色性(MCD-HAXPES)測定の実験を進めた。光電子の表面脱出角度依存性を測定することにより、バルク領域からAg界面領域までの深さ+元素分解磁気モーメントの評価を行った結果、Ag界面においてCoの磁気モーメントが室温で顕著に減少しており、室温でのMR特性劣化と相関している可能性が高いことが確認された。以上の結果から、室温特性向上のためには、中間層界面の数原子層が決定する電子透過率と磁気スティフネスの改善が極めて重要であることが見出された。他方、広島大でのスピン・角度分解光電子分光測定のための真空輸送チャンバーを購入し、ホイスラー合金について世界初となるスピン分解のバンド分散を観測することにも成功した。異常分散XRDによって、ハーフメタル性だけではなくスピンギャップレス半導体特性を有するとされるMn2CoAl,CoFeCrGaなどの新規な材料の原子規則度の評価も進め、解析法を確立させた。より実用的な観点で重要になる多結晶CPP-GMRにおけるベンチマーク材料であるCo2(Mn0.6Fe0.4)Geについても、膜厚が数nm程度の領域ではB2規則度が低下することがわかった。
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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
単結晶膜や素子における基礎研究では、 MCD-HAXPESやAXRDにより、磁気抵抗素子の大きな温度依存性の原因があぶり出されつつあり、基礎の観点で重要な成果は得られている。レーザー光電子分光自体は予定より遅延しているが、設計した真空輸送チャンバーによって軟X線スピン分解光電子分光は既に成功しており、レーザー光電子分解に展開される土台は十分整った。2018年度までは、ホイスラー合金ハーフメタルの課題解明期と位置付けているため、研究の遂行は概ね順調と判断される。より実用的な観点で並行して研究を進めている多結晶素子については、4-10 nmのCMFG多結晶薄膜のB2規則度を異常分散X線回折法によって評価した結果、6 nm以下ではB2規則度が顕著に低下する問題があることがわかった。これは実用上解決すべき点であり、今度の課題となることが見出せた。その他顕著な成果としては、ホイスラー合金を用いたCIP-GMR素子の研究からの派生によって発見された体心立方構造Cu中間層により、CIP-GMR素子で世界最高となる室温で40%の磁気抵抗比も実現されており、一定以上の成果が挙がっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年より残りの研究期間は、ハーフメタルホイスラー合金課題の解決し、室温デバイス特性向上を目指した取り組みに対するエフォートを高め、研究を遂行していく。具体的なアプローチとしては、第一原理計算を頼りとし、界面の多数スピン電子の透過率と磁気モーメントの交換スティフネスを高める新規ハーフメタル材料やスペーサー材料の探索、磁性体と非磁性体を原子層レベルで組み合わせた新しい積層構造を考案しトライしていく。レーザー光電子分光実験を加速化させ、作製した新規材料や界面構造と界面バンド分散がスピン依存輸送に与える影響を基礎観点から解明する試みも合わせて進めていく。実用面で重要となる多結晶素子に関しては、低温でのホイスラーの原子規則化挙動が重要となるため、規則化温度の低いCo2MnGeをベースにし、そのスピン分極率を改善する置換元素を実験、第一原理計算の両面から検討する。
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Research Products
(27 results)
