2023 Fiscal Year Final Research Report

Nitride-based spintronics materials for ultrafast current-induced domain wall motion

Research Project

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Project/Area Number	19KK0104
Research Category	Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
Research Institution	University of Tsukuba
Principal Investigator	Suemasu Takashi 筑波大学, 数理物質系, 教授 (40282339)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	本多周太関西大学, システム理工学部, 准教授 (00402553) 中堂博之国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門原子力科学研究所先端基礎研究センター, 研究主幹 (30455282) 柳原英人筑波大学, 数理物質系, 教授 (50302386) 奥村宏典筑波大学, 数理物質系, 助教 (80756750)
Project Period (FY)	2019-10-07 – 2024-03-31
Keywords	スピントロニクス / フェリ磁性体 / 磁化補償 / x線磁気円二色性 / エピタキシャル成長 / 分子線エピタキシー
Outline of Final Research Achievements	The following results were obtained in this study. First, the spin-transfer torque has demonstrated the magnetic wall motion reaching 3 km/s at room temperature without any external magnetic field assist. Second, several impurity elements were found to produce magnetization compensation at room temperature by doping into Mn4N films. Third, the first successful epitaxial growth of Mn4N films with a thickness of about 4 nm was achieved by precisely controlling the amount of Mn and nitrogen supplied during the molecular beam epitaxy deposition process. Finally, Pt was selected as the heavy metal to take advantage of the spin Hall effect, and Mn4N films were successfully epitaxially grown on Pt/SrTiO3(001) substrates.
Free Research Field	結晶成長工学、デバイス工学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	AI活用に伴うデータ量の拡大により、半導体メモリーの消費電力が急拡大しており、記録保持に電力を使わない磁性体メモリーが注目されている。そのようなデバイスでは、磁性体の磁化の方向を電流で制御することが基本である。フェリ磁性体における高速な磁化制御は、これまでTb等の希少元素を構成元素とするフェリ磁性体で、スピン軌道トルクにより達成されたきた。それに対し、レアアースフリーなMn4Nにより超高速の磁化制御が、スピン移行トルクにより達成されたことで、スピン移行トルクが見直される機会になった。今後、Mn4N系でスピン軌道トルクを用いることで、さらに高速な磁化制御が達成できると期待される。