2018 Fiscal Year Annual Research Report
Fe3O4/絶縁体の界面精密制御によるトンネル磁気抵抗素子の高機能化
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18H01465
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
長浜 太郎 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (20357651)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡林 潤 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70361508)
本多 周太 関西大学, システム理工学部, 准教授 (00402553)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / トンネル磁気抵抗効果 / マグネタイト / XMCD |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はFe3O4を電極とするトンネル磁気抵抗（TMR）素子の現象解明と高機能化を目的とする。Fe3O4は第一原理計算ではハーフメタルになると期待されており、大きなMR比が期待されているが、これまでの研究では20％程度のMR比しか得られておらず、その理由も明らかではない。TMR素子では電極とバリア界面の電子状態磁気状態が重要である。本研究ではFe3O4／酸化物界面の電子状態磁気状態を詳細に調べ、これまでのFe3O4－TMR素子で大きなMRが観測されていない理由を明らかにし、Fe3O4本来のハーフメタル性を発揮した素子を作成することを目的とした。
今年はMgO(001)/Fe3O4(001)/MgO(001)/Feという構造のTMR素子を作製し、その磁気抵抗効果を調べた。その結果、80Kという低温ではあるが、約60％という大きな磁気抵抗効果を得ることができた。またこのMR比は-200ｍVのバイアス電圧化で得られた。バイアス電圧依存性を調べたところ、通常のMR素子と同様に電圧の増加とともにMR比が減少した。また、素子抵抗が大きすぎるため低電圧領域ではMRを測定することができなかった。
電子状態について調べるためにKEK-PFでのXASおよびXMCD実験を行った。用いた試料は、Fe3O4薄膜であり(100)（110）（111）の3つの結晶方位について調べた。またキャップ層をMgOとAl2O3とし、MgO－TMR素子とAl2O3－TMR素子についてそれぞれ情報が得られるように測定を行った。結果は結晶方位についてはほぼ同じスペクトルであったが若干の結晶方位依存性が見られた。また、MgOキャップ層とAl2O3キャップ層についてはほとんど差はなかった。
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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
以上のように、本年度はFe3O4－TMR素子の作製とMR比の実現、シンクロトロンを用いたFe3O4に関する分光研究を進めることができた。TMR素子の作製ではMgO(100)バリアを用いた素子において60％という大きなMRを実現することに成功した。これは、Fe3O4を電極とするTMR素子では最も大きなTMR比である。また、Fe3O4電子状態について、その結晶方位依存性とキャップ層依存性について一定の知見をえることができた。さらに研究を進めていけば、大きなTMR比の実現とFe3O4の界面電子状態の解明に近づいていきことができると期待される。このような理由から本研究は概ね順調に進んでいると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度の研究成果に基づき、平成31年度はTMR比の向上とFe3O4の局所的な電子状態および磁気状態の解明を目指す。TMR比の増大については低抵抗化をおこない、10mVでのTMR効果の測定を目指す。H30年度の60％のTMR比は200mVでの測定であり、バイアス依存性の結果を踏まえると低バイアスではさらに大きなTMR比の観測が期待できる。XMCDにおいては測定結果の詳細な解析をおこなう。すなわちサイト占有率など評価を行う。さらに、Coを挿入することにより局所的にCoFe2O4として、CoのXMCDを測定することを検討する。まさに測定したいところだけにCoを入れることができれば、界面からの深さ依存性などの知見を得ることが可能となる。
理論面からは、Fe3O4／MgOの第一位原理計算を行い、局所的な状態密度などから、磁気伝導のメカニズムを検討する。
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