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2022 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、グラフェンベース2次元材料、3次元トポロジカル絶縁体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。その結果、これまで報告されている中で最も大きい426%の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。本成果はシュプリンガー・ネイチャーグループのScientific Reportsに掲載された。また、プレスリリースを行い、日本経済新聞などのメディアにて報じられた。

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においてこれまでで最大の426%の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

    (16 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 1 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] Modulation of magnetic anisotropy by bending in Ni and Ni78Fe22 thin films on polycarbonate organic substrates2023

    • Author(s)
      Y. Ohashi, Y. Matsushima and H. Kaiju
    • Journal Title

      Journal of Magnetism and Magnetic Materials

      Volume: 570 Pages: 170497(1-5)

    • DOI

      10.1016/j.jmmm.2023.170497

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 631% room temperature tunnel magnetoresistance with large oscillation effect in CoFe/MgO/CoFe(001) junctions2023

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

      Applied Physics Letters

      Volume: 122 Pages: 112404(1-6)

    • DOI

      10.1063/5.0145873

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [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] Room-temperature magnetoresistance in Ni78Fe22/C8-BTBT/Ni78Fe22 nanojunctions fabricated from magnetic thin-film edges using a novel technique2022

    • Author(s)
      M. Matsuzaka, Y. Sasaki, K. Hayashi, T. Misawa, T. Komine, T. Akutagawa, M. Fujioka, J. Nishii and H. Kaiju
    • Journal Title

      Nanoscale Advances

      Volume: 4 Pages: 4739-4747

    • DOI

      10.1039/D2NA00442A

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Staircase-like tunnel resistance increase with barrier thickness in epitaxial Fe/Mg4Al-Ox/Fe(001) magnetic tunnel junctions2023

    • Author(s)
      Thomas Scheike, Zhenchao Wen, Shinya Kasai, Hiroaki Sukegawa, Seiji Mitani
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Large magnetocapacitance beyond 420% in epitaxial magnetic tunnel junctions with an MgAl2O4 barrier2022

    • Author(s)
      Kenta Sato, Hiroaki Sukegawa, Kentaro Ogata, Gang Xiao, and Hideo Kaiju
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Observation of magnetoresistance in Ni78Fe22/C8-BTBT/Ni78Fe22 nanojunctions at room temperature2022

    • Author(s)
      Mizuki Matsuzaka, Yuma Sasaki, Kyohei Hayashi, Takahiro Misawa, Takashi Komine, Tomoyuki Akutagawa, Masaya Fujioka, Junji Nishii, and Hideo Kaiju
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Fabrication and evaluation of Ni78Fe22 thin films on polycarbonate for flexible magnetic sensors2022

    • Author(s)
      Yuri Ohashi, Yu Matsushima, and Hideo Kaiju
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Large magnetocapacitance beyond 420% in epitaxial Fe/MgAl2O4/Fe magnetic tunnel junctions2022

    • Author(s)
      Kenta Sato, Hiroaki Sukegawa, Kentaro Ogata, Gang Xiao, and Hideo Kaiju
    • Organizer
      The 23rd RIES-Hokudai International Symposium
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Observation of spin signal in molecular nanojunctions utilizing magnetic thin-film edges at room temperature2022

    • Author(s)
      Mizuki Matsuzaka, Yuma Sasaki, Kyohei Hayashi, Takahiro Misawa, Takashi Komine, Tomoyuki Akutagawa, Masaya Fujioka, Junji Nishii, and Hideo Kaiju
    • Organizer
      The 23rd RIES-Hokudai International Symposium
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Room-temperature magnetoresistance in Ni78Fe22/C8-BTBT/Ni78Fe22 nanojunctions fabricated using magnetic thin-film edges2022

    • Author(s)
      Mizuki Matsuzaka, Yuma Sasaki, Kyohei Hayashi, Takahiro Misawa, Takashi Komine, Tomoyuki Akutagawa, Masaya Fujioka, Junji Nishii, and Hideo Kaiju
    • Organizer
      35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Giant tunnel magnetoresistance of 429% at 300 K and 1,034% at 10 K in Fe/Mg-rich Mg-Al-O/Fe(001) junctions2022

    • Author(s)
      Thomas Scheike, Zhenchao Wen, Hiroaki Sukegawa, Seiji Mitani
    • Organizer
      24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2022)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fe/MgAlO/Fe(001)単結晶トンネル接合における巨大トンネル磁気抵抗効果2022

    • Author(s)
      介川 裕章, シャイケ トーマス, 温 振超, 葛西 伸哉, 三谷 誠司
    • Organizer
      第46回日本磁気学会学術講演会
  • [Presentation] Giant Tunnel Magnetoresistance at Room Temperature: Recent Progress and Prospect2022

    • Author(s)
      Hiroaki Sukegawa
    • Organizer
      The 6th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and The 5th Symposium on International Joint Graduated Program in Materials Science
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 研究室ホームページ

    • URL

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

URL: 

Published: 2023-12-25  

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