2019 Fiscal Year Research-status Report
六方晶系スピントロニクス材料の電圧スピン操作への応用検討
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19K04482
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
野崎 友大 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究員 (10610644)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 六方晶 / 電界制御 / 垂直磁気異方性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、超低消費電力を実現するスピンの操作方法として、電界による界面垂直磁気異方性の変調効果が注目を集めており、これまでFe/MgOといった立方晶系の材料で精力的に研究が行われてきた。本研究では、立方晶系に代わり、六方晶系スピントロニクス材料を用いて電界で高効率にスピン操作をできるかを検討する基礎研究を行う。
初年度である本年度は、六方晶Co系スピントロニクス材料と組みわせる新規ゲート材料の開発を行った。これまで立方晶系で使われてきたMgOは格子整合性や表面エネルギーの観点から六方晶Co系材料と相性が悪く、絶縁性を得ることが難しい。そこでMgOに代わるゲート材料として、コランダム構造を有するCr2O3に注目し、分子線エピタキシー(MBE)法によるCrのラジカルアシスト反応性蒸着法を利用した成膜を試みた。蒸着源の成膜レート、基板温度、酸素流量、ラジカル源パワーをパラメータとして成膜を試み、表面粗さの小さい単結晶膜を得ることができた。この成膜条件を用い、Al2O3基板/Pt 20/Cr2O3 ~33/Co 1/Pt 5 (nm)構造を作製し、微細加工を行い、電気特性と磁気特性変化を調べた。ラジカルアシストMBE法で作製したCr2O3は33nmの膜厚でも、数百nmのスパッタ膜に匹敵する絶縁性を有し、Co界面へ電界印加可能なデバイスが得られたとともに、MBE法で絶縁性に優れるCr2O3薄膜が得られることを示した。Cr2O3上に製膜したCo/Pt膜は大きな垂直磁気異方性を示し、電界印加により磁気異方性変化が得られた。これは、六方晶単結晶ゲート材料を用いた電界磁気異方性変調の最初の成果である。現段階では電界による磁気特性変化の効率は十分ではないが、電界が印加可能なCr2O3/Co構造が実現されたため、今後、界面への微量の元素置換などにより高効率化が期待できる。
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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
MgOに代わる六方晶Co系の強磁性体材料に適合するCr2O3単結晶ゲートをラジカルアシストMBE法で実現し、それを利用してCr2O3/Co界面での垂直磁気異方性とその電界変調効果を測定できたという点では、当初の計画以上の進展がみられている。これにより、今後の界面制御や強磁性体開発の研究が可能となった。一方、単結晶のCr2O3薄膜を作製するためには500℃程度の高温とラジカル酸化が必要となり、Coなどの強磁性体金属上に作製することには未だ成功していない。成膜条件のさらなる改善や、Cr2O3以外のゲート材料の探索は引き続き行う必要がある。以上を踏まえて、全体を通して「おおむね順調に進展している」と考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の成果により、ラジカルアシストMBE法を利用して作製するCr2O3/Co構造において界面垂直磁気異方性とその電界変調効果の観測に成功したことから、今後はこの構造を利用して、Cr2O3/Co界面にPtやIrなどの微量の異種元素の置換効果の検証を行う。一方、本研究から、Cr2O3/Coの系では電気特性や界面垂直磁気異方性とその電界変調効果のCr2O3薄膜の品質依存性が大きいことも見いだされた。また、Cr2O3薄膜を強磁性体金属上に製膜することにいまだ成功していない。このことから、Cr2O3の成膜条件のさらなる改善や、Cr2O3以外のゲート材料の探索も引き続き行う。
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| Causes of Carryover |
年度末に予定していた国内学会や研究打ち合わせがキャンセルとなったため、そのための旅費などが未使用となり、次年度使用額が生じた。次年度は、成膜のための蒸着源、ターゲット、基板、るつぼ、真空部品などの消耗品、微細加工に必要なフォトマスク、そして、学会参加や研究打ち合わせのための旅費、論文投稿費などのために予算を使用する予定である。
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