2020 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of new magnetic wire memory with rare-earth and transition-metal ferri-magnetic magnetic wire that achieves both ultra-low power consumption and ultra-high speed
| Project/Area Number |
20H02185
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| Research Institution | Toyota Technological Institute |
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Principal Investigator |
粟野 博之 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40571675)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 磁性細線 / 電流磁壁駆動 / 電流磁壁移動速度 / 希土類・遷移金属合金 / 電流パルス幅 / 電流密度 / g値 / レーストラックメモリ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
GdFeCo磁性細線の磁壁移動速度を広い温度範囲で高速駆動することが出来た。
①GdFeCoのFeとCoの比率を75zt%から88at%に変え、ほとんどFeという状態にすると、高速で安定駆動が可能になった。試料ステージの温度を室温～70℃まで変えたが、磁壁移動速度は1500m/secを維持した。温度範囲を広げてもこの高速速度は維持できるものと考えている。これは、Feのｇ値が2.10と、Ｇｄのそれに近い値となっている。一方、Ｃｏのｇ値は2.22とＧｄの値から離れている。これは空く運動量補償温度に効いてくる。ＧｄとＦｅのｇ値が近いということは、角運動量補償温度と磁化補償温度が近くなる。磁壁移動速度は角運動補償温度付近で早くなり、磁化補償温度付近でも早くなる。したがって、両方の補償温度が近いほど、より磁壁移動速度が向上するため、今回の高速駆動が出来たものと考えている。また、両者の補償温度が近づきすぎるとその補償温度付近でしか磁壁移動速度は速くならない。すなわち、温度変化に対する安定性が確保できなくなる。一方、ＧｄＣｏのようにＧｄとＣｏのｇ値が離れると、それぞれの補償温度付近では磁壁移動速度が速くなるが、その中間温度では磁壁移動速度が遅くなり、結果として安定駆動できる温度マージンが減ってしまう。この点を解消できたのが今回の成果だと言える。
②電流パルス印加時間を短くすることにより、著しい速度向上が可能になった。
パルス電流を磁性細線に印加するとジュール発熱が生ずる。このジュール発熱を熱シミュレーションで確認した。パルス幅が長くなると細線中央と細線エッジの温度差が大きくなり、磁壁エネルギーに差が生ずることになる。したがって、短パルスで細線中央と細線エッジの温度差がなくなることで磁壁移動速度が向上したと考えられる。
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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
以下に研究成果を示すように概ね計画通りの進捗である。
GdFeCo磁性細線の磁壁移動速度を広い温度範囲で高速駆動することが出来た。
①GdFeCoのFeとCoの比率を75zt%から88at%に変え、ほとんどFeという状態にすると、高速で安定駆動が可能になった。試料ステージの温度を室温～70℃まで変えたが、磁壁移動速度は1500m/secを維持した。温度範囲を広げてもこの高速速度は維持できるものと考えている。これは、Feのｇ値が2.10と、Ｇｄのそれに近い値となっている。一方、Ｃｏのｇ値は2.22とＧｄの値から離れている。これは空く運動量補償温度に効いてくる。ＧｄとＦｅのｇ値が近いということは、角運動量補償温度と磁化補償温度が近くなる。磁壁移動速度は角運動補償温度付近で早くなり、磁化補償温度付近でも早くなる。したがって、両方の補償温度が近いほど、より磁壁移動速度が向上するため、今回の高速駆動が出来たものと考えている。また、両者の補償温度が近づきすぎるとその補償温度付近でしか磁壁移動速度は速くならない。すなわち、温度変化に対する安定性が確保できなくなる。一方、ＧｄＣｏのようにＧｄとＣｏのｇ値が離れると、それぞれの補償温度付近では磁壁移動速度が速くなるが、その中間温度では磁壁移動速度が遅くなり、結果として安定駆動できる温度マージンが減ってしまう。この点を解消できたのが今回の成果だと言える。
②電流パルス印加時間を短くすることにより、著しい速度向上が可能になった。
パルス電流を磁性細線に印加するとジュール発熱が生ずる。このジュール発熱を熱シミュレーションで確認した。パルス幅が長くなると細線中央と細線エッジの温度差が大きくなり、磁壁エネルギーに差が生ずることになる。したがって、短パルスで細線中央と細線エッジの温度差がなくなることで磁壁移動速度が向上したと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
磁壁移動速度の高速性を得るためには、希土類・遷移金属フェリ磁性材料の磁化補償温度と角運動量補償温度が近いことが効いていると仮説を立てている。そこで、GdFeCoよりもさらに両温度の近いGdFeでこの仮説を検証する。また、膜厚が薄くなると、電流印加時のジュール発熱による細線中央と細線エッジの温度差が減少し、更なる高速化が期待できる。これを検証するために、昨年度の膜厚20nmを更に薄くする効果を確認する。膜厚8nmとした先行実験では、磁壁移動速度を今回の2500m/secから5200m/secに増大できた。この詳細な実験で、この仮説を検証する。一方、高速磁壁駆動に必要な電流密度の低減検討も行う。先行研究では、Ｓｉ基板に比べ、プラスチック基板上の磁性細線のほうが少ない電流密度で磁壁を駆動できた。これは、電流によるジュール発熱の影響と考えているが、先行研究では電流パルス幅が100nsecと長かった。磁壁駆動の高速化には、短パルス（3nsec)が有効で、熱シミュレーション結果によるとジュール発熱はかなり抑制されている。そうなると熱伝導の良いSi基板と熱伝導の悪いプラスチック基板の差が出にくくなることが想定される。この仮説が正しいかどうか、Si基板、ガラス基板、プラスチック基板で検証する。また、磁壁駆動にはスピン軌道トルクとスピン移行トルクの2種類が考えられているが、GdFeCoではスピン軌道トルクを担うPt層がなくても磁壁が電流方向に動く、説明が困難となる現象が起きている。すなわち、第3の磁壁駆動トルクが考えられる。それはジュール熱流とも考えられる。この熱流でスピン流が生まれ、そのスピン流のトルクで磁壁が動く可能性である。先述の熱伝導の異なる基板で電流磁壁駆動実験を行うことでこの仮説を検証する。一方、安価に磁性細線デバイスを作成するナノインプリントの検討も進める。
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