2017 Fiscal Year Research-status Report
スピン偏極STMによる電界駆動Fe/MgO磁気デバイスの原子欠陥制御
| Project/Area Number |
17K19023
|
|---|
| Research Institution | Chiba University |
|---|
Principal Investigator |
山田 豊和 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (10383548)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
|
| Keywords | スピントロニクス / スピン偏極STM / MgO / Fe / 表面磁性 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
磁界を磁石にかけることでＮＳ極を反転できる。磁界を発生させるために微小なコイルに電流を流すため熱が発生し、これが電力消耗となる。世界規模の情報端末の普及と、ＩｏＴ社会発展により、ますますの電力消費が想定される。一方、もし電界で磁気特性が制御できれば、情報記録処理での熱発生に伴う電力損失はなくなる。結果として電界駆動磁気デバイスは世界規模での省電力化に大きく貢献する。一般に、電界を磁石にかけても何も変化しない。しかし、極めて薄い磁性薄膜では、電界が金属内にも影響を与え、結果として電界で磁気特性が変化することが分かってきた。
本研究で我々は、現在市販のパソコン等の情報記憶素子に使われているFe/MgO系に注目する。電界を印加した際の磁気特性の変化と制御が重要な課題である。我々は、原子分解能で試料表面を観察できる走査トンネル顕微鏡(STM)のエキスパートである。２０００年より研究開発を行ってきている。現在、千葉大学において５台のSTM装置が稼働している。STMの利点として、表面形状観察と同時に、各原子位置での電子状態も計測できる。我々の２０１０年から２０１６年のSTM研究で、２原子層厚さのFe薄膜であれば、電界が侵入し鉄原子の層間距離を極性により伸ばしたり近づけたりできることがわかってきた。また、Fe(001)表面にMgO膜を製膜すると、Fe(001)表面が活性であるため想定外の鉄酸化物が作成されることも判明した。そこで、あえて規則的なFe(001)-p(1x1)O酸素単原子層でコートすることで [Jpn. J. Appl. Phys., 55, 08NB14 (2016)]、鉄の活性を抑え、MgO単原子絶縁膜を形成できることが分かった [執筆中]。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
我々が２０１７年度に取り組んだのは、Fe/MgO膜中の欠陥位置と欠陥のない平坦な位置での磁気ヒステリシス曲線の測定である。超伝導コイルを自作した。１個の超伝導コイルを、千葉大学にて使用している１台目の超高真空・極低温STM装置に取り付けた。Fe/MgO系にトライする前に、同じFe(001)基板にMn超薄膜を成長させ、あえて層間180度磁化反転磁区を作成した。バルクのＣｒ棒をエッチングしてスピン偏極STM探針とした。Ｃｒは反強磁性であるため外磁場印加に対して応答しない。磁場印加によりFe基板の磁化が反転すれば、Mn膜磁化も反転する。これからMn膜およびFe基板の保磁力が得られると考えた。Mn膜の磁気像を計測しながら磁場を変化させた。磁気コントラストの差分をプロットすることでSTM磁気ヒステリシス曲線となる。±400 mT印加したが、レマネンス曲線になり飽和しなかった。原因は、我々のFe(001)単結晶基板はウィスカ形状を有するため、長軸方向に強い形状異方性をもつ。我々はウィスカ単結晶（直方体）の側面をSTM観察していたため、ウィスカにとっては磁化困難軸に磁場をかけてしまった。驚くことに、鉄であっても別途行ったFeウィスカ単結晶のVSM（振動試料型磁力計）計測より、磁化困難軸方向に磁化を飽和させるには約1000 mTが必要であることが分かった。STMでも1000 mTまで磁場を印加すればよいのだが、別の問題が発生した。STMは、極めて感度のより距離検出センサーである。その結果、鉄基板に磁場を印加していくと、鉄単結晶自体の磁歪を検出した。50mTを超えると磁歪により約250mTでピエゾ素子の伸縮限界200nmに達し、探針が鉄にクラッシュした。少なくとも±50mT以内であれば磁気ヒステリシス計測は可能であることが判明した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
超伝導コイルを使用したMn膜上のSTM磁気ヒステリシス曲線計測はできたが、磁歪や形状異方性など、ケアしなくてはならない様々な課題も浮き彫りとなった。失敗を踏まえて、１台目の極低温超高真空STM装置でMgO膜上のFe原子の研究を行っていく。
STM測定を行いながら同時に面直・面内方向に磁場を印加できる機構の開発を、2台目の超高真空・極低温STMで行ってきた。７個作製した超伝導コイルの5個を使用した。面直Z方向に磁場を印加する用に2個、面内X方向用に2個、面内Y方向用に1個、である。全てのコイルは液体ヘリウムクライオスタット底から伸ばした銅柱にしっかり固定し冷却する。コイルのサイズは液体ヘリウムクライオスタット底につけた冷却シールドの内径で決まる。
Z方向用に大きめのコイル2個をヘルムホルツ型に配置した（STM試料位置に対して、上下対称となるように配置）。X方向用の2つの面内磁場用コイルは、上下の2つのZコイルの間隙にヘルムホルツ型に配置した。２つのXコイルの中間地点にSTM試料がくる。STMへの試料出し入れの空間を確保するため、Y軸方向には1個のコイルしか設置できなかった。
超伝導コイル5個を配置後に、液体ヘリウムシールドをはめた。ところが90%挿入したところで、超伝導コイル下部からわずかに突き出たネジ頭が、冷却シールド内部につきでたビス固定用ネジと衝突してしまい、冷却シールドが取り付けられなくなった。これらの1mmレベルの干渉は、CAD上では発見できなかった。修理を行い、現在、再度設置作業を行っている。２０１８年度、超伝導コイルでのx,y,z方向からの磁界印可を行う。
|
