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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Observation of large tunnel magnetocapacitance effect and elucidation of its mechanism

Research Project

Project/Area Number 21H01397
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

海住 英生  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (70396323)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 介川 裕章  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主幹研究員 (30462518)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywordsスピントロニクス / キャパシタンス / 交流インピーダンス特性 / 表面・界面物性 / ナノ構造
Outline of Annual Research Achievements

磁場によりキャパシタンス(=電気容量)が変化する磁気キャパシタンス(MC)効果は、高感度磁気センサ、省エネメモリ、大容量蓄電材料への応用が期待されていることから、国内外で大きな注目を集めている。MC効果は時間反転対称性と空間反転対称性が破れている系で観測されることから基礎物理学の観点からも興味深い。これまでにMC効果はマルチフェロイック材料、スピントロニクスデバイス、磁気スーパーキャパシタなど、様々な物質・材料・デバイスにおいて発見されてきた。最近では、有機ヘテロ接合、トポロジカル超格子、グラフェンベース2次元材料などにおいても観測されている。本研究では、スピントロニクスデバイスにおける磁気トンネル接合(MTJ)に注目し、巨大なトンネル磁気キャパシタンス(TMC)効果の発現とそのメカニズム解明を目指す。
MTJは2層の磁性層の間に極薄の絶縁層が挟まれた構造を有する。当該年度では、磁性層としてFeを用い、絶縁層としてMgAlOを用いたFe/MgAlO/FeベースのMTJを作製し、磁場中交流4端子法によりTMC効果の周波数特性、及び電圧依存性を調べた。初めに、TMC効果の周波数特性を調べた結果、数100Hz付近でTMC比はピーク値を示し、最大で220%程度に達した。次に、その周波数帯域で電圧依存性を調べた結果、400%を超えるTMC比の観測に成功した。これらの実験結果はデバイ・フレーリッヒ模型、シグモイド関数を取り入れたジャン理論、2次関数放物線バリア近似、スピン依存ドリフト拡散模型を用いた理論計算により定量的に説明することができた。さらに、本計算によると、磁性層のスピン分極率が0.8以上の場合、TMC比は1000%を超えることが明らかになった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究課題を推進することにより、Fe/MgAlO/FeベースのMTJにおいて400%を超えるTMC比の観測にはじめて成功した。また、実験結果は拡張デバイ・フレーリッヒ模型により定量的に説明できることがわかった。これらの結果は研究実施計画に従って得られた研究成果である。このような事由から本研究は順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

当該年度において得られた学術的知見に基づき、更なるTMC比の向上を目指す。計算によると、高スピン分極率を有する磁性層を用いることでTMC比は向上する。高スピン分極率を実現するためには、磁性層の検討のみならず、格子整合性の優れた磁性層/絶縁層界面構造の形成が重要となる。また、MTJ素子に直流電圧を印加するとTMC比が増大することも明らかになっている。今後は、格子整合性の優れた磁性層/絶縁層界面構造を検討すると同時に、TMC比の電圧依存性、及び周波数特性を詳細に調べることで、従来値を凌駕する巨大なTMC比の達成、並びに、そのメカニズム解明を目指す。

  • Research Products

    (15 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] ブラウン大学(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      ブラウン大学
  • [Journal Article] Large magnetocapacitance beyond 420% in epitaxial magnetic tunnel junctions with an MgAl2O4 barrier2022

    • Author(s)
      K. Sato, H. Sukegawa, K. Ogata, G. Xiao and H. Kaiju
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Pages: 7190(1-10)

    • DOI

      10.1038/s41598-022-11545-6

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Enhanced tunnel magnetoresistance in Fe/Mg4Al-Ox/Fe(001) magnetic tunnel junctions2022

    • Author(s)
      T. Scheike, Z. Wen, H. Sukegawa, and S. Mitani
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 120 Pages: 032404(1-4)

    • DOI

      10.1063/5.0082715

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Observation and theoretical calculations of voltage-induced large magnetocapacitance beyond 330% in MgO-based magnetic tunnel junctions2021

    • Author(s)
      K. Ogata, Y. Nakayama, G. Xiao, and H. Kaiju
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Pages: 13807(1-10)

    • DOI

      10.1038/s41598-021-93226-4

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Sign Inversion Phenomenon of Voltage-induced Tunnel Magnetocapacitance2021

    • Author(s)
      T. Nakagawa, K. Ogata, Y. Nakayama, G. Xiao, and H. Kaiju
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 118 Pages: 182403(1-5)

    • DOI

      10.1063/5.0050304

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Principle and Recent Advances in Tunnel Magnetocapacitance Effect2021

    • Author(s)
      H. Kaiju and T. Nagahama
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials

      Volume: 141 Pages: 270-278

    • DOI

      10.1541/ieejfms.141.270

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Giant tunnel magnetoresistance in Fe/Mg4Al-Ox/Fe(001) magnetic tunnel junctions2022

    • Author(s)
      Thomas Scheike, Zhenchao Wen, Hiroaki Sukegawa, and Seiji Mitani
    • Organizer
      2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 330%を超える巨大トンネル磁気キャパシタンス効果の観測とメカニズム解明2021

    • Author(s)
      緒方健太郎, 中山雄介, Gang Xiao, 海住英生
    • Organizer
      電気学会A部門マグネティックス研究会
  • [Presentation] 電圧誘起トンネル磁気キャパシタンスの符号反転現象2021

    • Author(s)
      中川健, 緒方健太郎, 中山雄介, Gang Xiao, 海住英生
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] Revisiting Fe/MgO/Fe(001): Giant tunnel magnetoresistance up to ~420% at room temperature2021

    • Author(s)
      Hiroaki Sukegawa, Thomas Scheike, Qingyi Xiang, and Zhenchao Wen
    • Organizer
      The 32nd Magnetic Recording Conference (TMRC2021)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] トンネル磁気抵抗効果の新展開2021

    • Author(s)
      Tadakatsu Ohkubo, Kazuhiro Hono, and Seiji Mitani
    • Organizer
      電気学会 光・熱・電気との相互作用を活用した高機能磁気デバイス技術調査専門委員会5月研究会
    • Invited
  • [Presentation] 磁気トンネル接合のトンネルバリア開発による巨大磁気抵抗の実現2021

    • Author(s)
      介川 裕章
    • Organizer
      2021年日本電子材料技術協会セミナー
    • Invited
  • [Presentation] Fe/MgO/Fe(001):室温400%・低温900%を超えるトンネル磁気抵抗比の観測2021

    • Author(s)
      シェーク トーマス, 向 清懿, 温 振超, 介川 裕章, 大久保 忠勝, 宝野 和博, 三谷 誠司
    • Organizer
      第45回 日本磁気学会学術講演会
  • [Presentation] Giant tunnel magnetoresistance ratio and oscillation Fe/MgO/Fe(001) and Fe/MgAlO/Fe(001) magnetic tunnel junctions2021

    • Author(s)
      T. Scheike, H. Sukegawa, Q. Xiang, Z. Wen, T. Ohkubo, K. Hono, S. Mitani
    • Organizer
      2022 Joint MMM & Intermag
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 研究室ホームページ

    • URL

      https://www.kaiju.appi.keio.ac.jp/

URL: 

Published: 2022-12-28  

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