2021 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of New Spin-Functional Materials and Devices by Renaissance of Ferromagnetic Semiconductors
Project/Area Number |
20H05650
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Research Institution | The University of Tokyo |
Principal Investigator |
田中 雅明 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (30192636)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大矢 忍 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (20401143)
吉田 博 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任研究員 (30133929)
PHAM NAM・HAI 東京工業大学, 工学院, 准教授 (50571717)
Le DucAnh 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50783594)
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Project Period (FY) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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Keywords | スピン / 強磁性半導体 / ヘテロ構造 / 狭ギャップ半導体 / 電界効果磁化制御 / スピン軌道トルク / スピントロニクス / 低消費電力デバイス |
Outline of Annual Research Achievements |
これまで実績があるMn添加強磁性半導体に加えて、従来作製することが不可能であった室温以上のキュリー温度(Tc)をもつ新しいp型強磁性半導体((Ga,Fe)Sb)、n型強磁性半導体((In,Fe)Sb)およびそれらを含むヘテロ構造・ナノ構造の分子線エピタキシー(MBE)成長に成功し、その基本物性や明らかにしてデバイス機能を示した。 ・InAs半導体単結晶中にFe-As正四面体結合を1原子層の厚さの平面内に閉じ込める添加方法を実現し、閃亜鉛鉱型結晶構造を保ちつつすべてのFe原子を中心位置から1.5原子層以内に局所的に分布させることに成功した。この成長技術により、FeAs原子層をInAs結晶中に等間隔に埋め込んだ単結晶FeAs/InAs超格子構造の作製に成功した。超格子構造全体の強磁性秩序が強く、すべてのFe原子が最大に近い5μB (μB :ボーア磁子)の磁気モーメントを持つこと、電気抵抗が外部磁場によって500%変化する巨大磁気抵抗効果を観測、さらに電界効果トランジスタデバイスを作製し、ゲート電界の印加によって巨大磁気抵抗効果を変調できることを示した。本研究により作製した超格子構造は、新規機能材料としてスピン自由度を用いた電子デバイスに応用できる可能性がある。 ・世界最高品質の単結晶ダイヤモンド型結晶構造をもつα-Sn薄膜をIII-V族半導体InSb上にMBE成長することに成功した。量子輸送測定と解析により、α-Snがトポロジカル・ディラック半金属であること、膜厚を薄くすると2次元トポロジカル絶縁体(および通常の絶縁体)になるなど、多様なトポロジカル相を持つことを示した。α-Sn薄膜は、材料物性の制御性、主要な半導体との整合性、環境にやさしい単元素構造を持つことから、トポロジカル物性機能の開拓と将来の量子情報デバイスのための新しいプラットフォームとして有望な量子物質である。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
従来作製することが不可能であった室温以上のキュリー温度(Tc)をもつ新しいp型強磁性半導体((Ga,Fe)Sb)、n型強磁性半導体((In,Fe)Sb)およびそれらを含むヘテロ構造・ナノ構造の成長に成功し、その新しい物性機能を示した。さらに、当初計画外の成果として、世界最高品質の単結晶ダイヤモンド型結晶構造をもつα-Sn薄膜をIII-V族半導体InSb上にエピタキシャル成長することに成功した。
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Strategy for Future Research Activity |
引き続き、強磁性半導体を用いたヘテロ構造、ナノ構造の成長、物性機能、デバイス応用の開拓研究を進める。
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Research Products
(111 results)
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[Presentation] Giant spin-charge conversion in an all-epitaxial LaTiO3+δ/SrTiO3 heterostructure2022
Author(s)
Shingo Kaneta-Takada, Miho Kitamura, Shoma Arai, Ryo Okano, Le Duc Anh, Tatsuro Endo, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Masaki Kobayashi, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
Organizer
15th Joint MMM-INTERMAG Conference (2022 Joint)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Giant Spin-charge Conversion in an All-epitaxial Single-crystal-oxide Rashba LaTiO3+δ/SrTiO3 Heterostructure2022
Author(s)
S. Kaneta-Takada, M. Kitamura, S. Arai, T. Arai, R. Okano, L. D. Anh, T. Endo, K. Horiba, H. Kumigashira, M. Kobayashi, M. Seki, H. Tabata, M. Tanaka, and S. Ohya
Organizer
22nd International Conference on Molecular Beam Epitaxy (ICMBE 2022)
Int'l Joint Research
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[Presentation] L10-MnGa 垂直直膜における電子状態観測2022
Author(s)
小林 正起, N. H. D. Khang, 武田 崇仁, 荒木 恒星, 岡野 諒, 鈴木 雅弘, 黒田 健太, 矢治 光一郎, 菅原 克明, 相馬 清吾, 中山 耕輔, 山内 邦彦, 北村 未歩, 堀場 弘司, 藤森 淳, 佐藤 宇史, 辛 埴, 田中 雅明, P. N. Hai
Organizer
強的秩序とその操作に関わる第14回研究会
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[Presentation] N型強磁性半導体(In,Fe)SbにおけるFe 3d軌道とInSbバンドとの混成2022
Author(s)
岡野諒, 堀田智貴, 武田崇仁, 荒木恒星, 髙瀬健吾, L. D. Anh, 坂本祥哉, 竹田幸治, 藤森淳, 田中雅明, 小林正起
Organizer
第35回日本放射光学会年会
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[Presentation] オールエピタキシャル単結晶LaTiO3+δ/SrTiO3ラシュバヘテロ構造における巨大スピン流電流変換 (Giant spin-to-charge conversion in an all-epitaxial single-crystal-oxide Rashba LaTiO3+δ/SrTiO3 heterostructure)2022
Author(s)
Shingo Kaneta-Takada, Miho Kitamura, Shoma Arai, Takuma Arai, Ryo Okano, Le Duc Anh, Tatsuro Endo, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Masaki Kobayashi, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
Organizer
令和4年度13回低温科学研究センター研究交流会
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[Presentation] L10-MnGa垂直直膜における電子状態観測2022
Author(s)
小林 正起, N. H. D. Khang, 武田 崇仁, 荒木 恒星, 岡野 諒, 鈴木 雅弘, 黒田 健太, 矢治 光一郎, 菅原 克明, 相馬 清吾, 中山 耕輔, 山内 邦彦, 北村 未歩, 堀場 弘司, 藤森 淳, 佐藤 宇史, 辛 埴, 田中 雅明, P. N. Hai
Organizer
日本物理学会(第77回)年次大会
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[Presentation] 鉄添加III-V族磁性半導体における強磁性発現条件の解明2022
Author(s)
武田 崇仁, 坂本 祥哉, レ デゥック アイン, 竹田 幸治, 藤森 伸一, 北村 未歩, 堀場 弘司, 組頭 広志, 藤森 淳, 田中 雅明, 小林 正起
Organizer
日本物理学会(第77回)年次大会
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[Presentation] Quantum limit transport and Two-dimensional Weyl fermions in epitaxial ferromagnetic oxide SrRuO3 thin films2022
Author(s)
Shingo Kaneta-Takada, Yuki. K. Wakabayashi, Yoshiharu Krockenberger, Toshihiro Nomura, Yoshimitsu Kohama, Hiroshi Irie, Kosuke Takiguchi, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka, Yoshitaka Taniyasu, and Hideki Yamamoto
Organizer
2022 Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics
Invited
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[Presentation] Giant spin-to-charge conversion in an all-epitaxial single-crystal-oxide Rashba LaTiO3+δ/SrTiO3 heterostructure2022
Author(s)
Shingo Kaneta-Takada1, Miho Kitamura, Shoma Arai, Takuma Arai, Ryo Okano, Le Duc Anh, Tatsuro Endo, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Masaki Kobayashi, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
Organizer
2022 Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics
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[Presentation] マンガン酸化物極薄膜ヘテロ構造における金属絶縁体転移に伴う磁気異方性の変化2022
Author(s)
小林正起, L. D. Anh, 鈴木雅弘, 金田真悟, 竹田幸治, 藤森伸一, 芝田悟朗, 田中新, 田中雅明, 大矢忍, 藤森淳
Organizer
2022年日本物理学会秋季大会
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[Presentation] Alternation of Magnetic Anisotropy Accompanied by Metal-Insulator Transition in Strained Ultrathin Manganite Heterostructures2022
Author(s)
Masaki Kobayashi, Le Duc Anh, Masahiro Suzuki, Shingo Kaneta, Yukiharu Takeda, Shin-ichi Fujimori, Goro Shibata, Arata Tanaka, Masaaki Tanaaka, Shinobu Ohya, Atsushi Fujimori
Organizer
2022 Autumn Meeting of the Japan Society of Applied Physics
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[Presentation] Ambipolar control of high-mobility carriers at a wide-gap oxide interface and applications towards oxide-based electronics2021
Author(s)
Le Duc Anh, Shingo Kaneta-Takada, Theodorus Jonathan Wijaya, Hikari Shinya, Tetsuya Fukushima, Akira Masago, Hiroshi Katayama-Yoshida, Masashi Tokunaga, Masaki Kobayashi, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
Organizer
The 27th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE27)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Minority-Spin Impurity Band in n-Type (In,Fe)As: A Materials Perspective for Ferromagnetic Semiconductors2021
Author(s)
M. Kobayashi, Le Duc Anh, J. Minar, W. Khan, S. Borek, P. N. Hai, Y. Harada, T. Schmitt, M. Oshima, A. Fujimori, M. Tanaka, V. N. Strocov
Organizer
Joint Conferences of The 24th International Conference on Electronic Properties of Two-dimensional Systems and The 20th International Conference on Modulated Semiconductor Structures
Int'l Joint Research
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[Presentation] Onset of ferromagnetism in Fe-doped magnetic semiconductors depending on the occupation of the impurity band by electrons2021
Author(s)
Takahito Takeda, Shoya Sakamoto, Le Duc Anh, Yukiharu Takeda, Shin-ichi Fujimori, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Masaki Kobayashi
Organizer
Joint Conferences of The 24th International Conference on Electronic Properties of Two-dimensional Systems and The 20th International Conference on Modulated Semiconductor Structures
Int'l Joint Research
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[Presentation] Hybridization of Fe 3d orbitals with the host InSb bands in n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)Sb2021
Author(s)
Ryo Okano, Tomoki Hotta, Takahito Takeda, Kohsei Araki, Kengo Takase, Le Duc Anh, Shoya Sakamoto, Yukiharu Takeda, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Masaki Kobayashi
Organizer
Joint Conferences of The 24th International Conference on Electronic Properties of Two-dimensional Systems and The 20th International Conference on Modulated Semiconductor Structures
Int'l Joint Research
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[Presentation] Weyl fermions in an epitaxial ferromagnetic oxide grown by machine-learning-assisted molecular beam epitaxy2021
Author(s)
Yuki K. Wakabayashi, Kosuke Takiguchi, Yoshiharu Krockenberger, Hiroshi Irie, Takuma Otsuka, Hiroshi Sawada, Sergey A. Nikolaev, Hena Das, Masaaki Tanaka, Yoshitaka Taniyasu, and Hideki Yamamoto
Organizer
International Symposium on Novel maTerials and quantum Technologies (ISNTT)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Quantum limit transport and two-dimensional Weyl fermions in epitaxial ferromagnetic oxide SrRuO3 thin films2021
Author(s)
Shingo Kaneta-Takada, Yuki K. Wakabayashi, Yoshiharu Krockenberger, Toshihiro Nomura, Yoshimitsu Kohama, Hiroshi Irie, Kosuke Takiguchi, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka, Yoshitaka Taniyasu, and Hideki Yamamoto
Organizer
International Symposium on Novel maTerials and quantum Technologies (ISNTT)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Onset of ferromagnetism in Fe-doped magnetic semiconductors depending on the electron occupation of the impurity band2021
Author(s)
Takahito Takeda, Shoya Sakamoto, Le Duc Anh, Yukiharu Takeda, Shin-ichi Fujimori, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Masaki Kobayashi
Organizer
2021 Autumn Meeting of the Japan Society of Applied Physics
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[Presentation] Orbital hybridization of Fe 3d orbitals with the host InSb band in n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)Sb2021
Author(s)
Ryo Okano, Tomoki Hotta, Takahito Takeda, Kohsei Araki, Kengo Takase, Le Duc Anh, Shoya Sakamoto, Yukiharu Takeda, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Masaki Kobayashi
Organizer
2021 Autumn Meeting of the Japan Society of Applied Physics
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[Presentation] Two-dimensional Electronic State in a Ferromagnetic L10 MnGa Thin Film with Perpendicular Magnetization2021
Author(s)
M. Kobayashi, N. H. D. Khang, T. Takeda, K. Araki, R. Okano, M. Suzuki, K. Kuroda, K. Yaji, K. Sugawara, S. Souma, K. Nakayama, M. Kitamura, K. Horiba, A. Fujimori, T. Sato, S. Shin, M. Tanaka, and P. N. Hai
Organizer
2021 Autumn Meeting of the Japan Society of Applied Physics
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[Presentation] Quantum limit transport and Two-dimensional Weyl fermions in an epitaxial ferromagnetic oxide SrRuO3 thin films2021
Author(s)
Shingo Kaneta-Takada, Yuki. K. Wakabayashi, Yoshiharu Krockenberger, Toshihiro Nomura, Yoshimitsu Kohama, Hiroshi Irie, Kosuke Takiguchi, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka, Yoshitaka Taniyasu, and Hideki Yamamoto
Organizer
2021 Autumn Meeting of the Japan Society of Applied Physics
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