Exploring new device frontiers using ultra-high quality oxide heterostructures

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22H04948
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 大矢 忍 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20401143)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 正起 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30508198) ; Le DucAnh 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50783594)
• Project Period (FY): 2022-04-27 – 2027-03-31
• Keywords: 酸化物 / スピントロニクス / 分子線エピタキシー / ヘテロ構造 / スピン流 / トランジスタ

Outline of Annual Research Achievements

[1] 高効率のスピン流電流変換が可能な系の実現を目指して、従来よりオールエピタキシャルのLaSrMnO3/LaAlO3/SrTiO3ヘテロ構造の成膜と高品質化の研究を行ってきた。本系で、スピンポンピング実験により、正の値としては世界最高値となるスピン流電流変換効率6.7 nm の逆エデルシュタイン長を20 Kで得ることに成功していた[S. Ohya et al., Phys. Rev. Res. 2, 012014 (R) (2020) (Rapid Commun.)]。しかし、LaAlO3 は絶縁体であるため、スピン流がそこで減衰してしまい変換効率が低減している可能性を懸念していた。そこで、LaAlO3 をLaTiO3 に置き換えて研究を行った。LaTiO3 は本来は反強磁性モット絶縁体であるが、SrTiO3上に成長すると歪みの影響により常磁性の「金属」となることが知られている。本物質のような強相関物質がスピン流伝導にどのように寄与するかは不明であった。本系でスピンポンピング実験を行い、低温で193.5nm もの巨大なスピン流電流変換効率を得ることに成功した。この値は３次元系も含め全材料系での報告値の中で、最大値であった。本成果は、Nature Communications誌に掲載され、東京大学よりプレスリリースを行った。
[2] 従来、半導体を用いたスピントランジスタの研究では、良好なスピン注入やバリスティック伝導を実現することが難しく、スピンバルブ比が1～10%と小さいことが大きな問題となっていた。本研究では、ペロブスカイト酸化物(La,Sr)MnO3 (LSMO)を用いて半導体系で得られていた値の10倍以上におよぶ世界最高値のスピンバルブ比(140%)をもつスピントランジスタを実現することに成功した。本成果は Advanced Materials誌に採択された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究で得られた世界最高値のスピン流電流変換効率や、酸化物スピントランジスタにおける巨大なスピンバルブ比の実現の成果が、国際的に高い評価を受けている。LaTiO3/SrTiO3界面に形成された二次元電子ガスを利用して、世界最大のスピン流電流変換効率を実現した研究では、強相関金属とスピン軌道相互作用の大きな二次元電子ガス系を組み合わせることで、効率的なスピン流の注入と電流への変換を可能にした。本材料系のスピントロニクス応用の研究は、世界的に全く行われておらず、独自の成果かつ世界的に先駆的な結果と言える。スピントランジスタの研究では、酸化物におけるナノ領域の相転移技術を用いることで世界最高値となる約140%のスピンバルブ比を実現し、半導体では従来困難であった100%以上のスピンバルブ比をを達成した。第一著者である当時修士２年生の遠藤達朗氏は、本研究成果により、米国で行われた国際学会Magnetism and Magnetic Materials2022にて招待講演を行っている。上記の成果は、Nature CommunicationsやAdvanced Mateialsに採択されており、プレスリリースなども行っている。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、ペロブスカイト酸化物(La,Sr)MnO3 (LSMO)を用いて半導体系で得られていた値の10倍以上におよぶ世界最高値のスピンバルブ比(140%)をもつスピントランジスタを実現することに成功したが、アルゴンを照射したナノチャネル部分でどのような現象が起こっているのかまだ明確にはなっていない。チャネル部分の結晶の解析を進め、さらに大きなスピンバルブ比を得るための新規手法を開拓していきたい。
本研究の目的の一つとして、水溶性のバッファ層上にLSMO薄膜を作製して、基板から剥がすことにより磁気的不活性層を低減し、フレキシブルデバイスに応用することを検討している。今年度は水溶性バッファ層の結晶成長技術の開拓を行ってきたが、まだ条件が整っておらず、成長が良好に行えていない。引き続き、成長条件の探索を行いたい。
スピン流電流変換については、強相関金属LaTiO3を中間層とする方法が有望であることが明らかになったが、どのような条件で大きな変換効率が得られるのかは未解明である。今後、系統的に実験を進めることで、解明していきたい。
Ge基板上を用いた微細チャネルスピントランジスタの研究も進めてきたが、本構造においても明瞭なスピンバルブ効果が観測され始めている。さらに素子作製条件を探求することでスピンバルブ比の向上を目指したい。一方、このようなデバイスで30000%におよぶ巨大な磁気抵抗効果が観測されることがあることが明らかになってきた。現在、本現象の原理を調べているところである。継続的に、さらに追究を進めていきたい。

Research Products

• [Journal Article] Giant spin-valve effect in planar spin devices using an artificial implemented nanolength Mottinsulator region (2023)
  • Author(s): T. Endo, S. Tsuruoka, Y. Tadano, S. Kaneta-Takada, Y. Seki, M. Kobayashi, L. D. Anh, M. Seki, H. Tabata, M. Tanaka, and S. Ohya
  • Journal Title: Adv. Mater. Volume: 35 Pages: 2300110
  • DOI: 10.1002/adma.202300110
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Giant spin-to-charge conversion at an all-epitaxial single-crystal-oxide Rashba interface with a strongly-correlated metal interlayer (2022)
  • 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
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Pages: 5631
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33350-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Giant spin-charge conversion in an all-epitaxial single-crystal-oxide Rashba LaTiO3+δ/SrTiO3 heterostructure (2023)
  • 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: American Physical Society March Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Giant spin-to-charge conversion in a (La,Sr)MnO3/LaTiO3+δ/SrTiO3 single-crystalline epitaxial heterostructure (2023)
  • 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: 応用物理学会 強的秩序とその操作に関わる研究会 第16回研究会
• [Presentation] Change of the band structure in a freestanding La0.67Sr0.33MnO3 thin film (2023)
  • Author(s): Takuma Arai, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh, Masaki Kobayashi, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
  • Organizer: 第14回低温科学研究センター研究交流会
• [Presentation] Gate modulation of the spin-dependent transport in the metal-insulator transition region of La0.67Sr0.33MnO3-based spin-MOSFET structure (2023)
  • Author(s): Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
  • Organizer: 第14回低温科学研究センター研究交流会
• [Presentation] Magnetic-field-controllable resistive-switching and spin-valve-like behavior in an Fe/MgO/Ge-based two-terminal device (2023)
  • Author(s): Masaya Kaneda, Shun Tsuruoka, Hiroshi Katayama-Yoshida, Tatsuro Endo, Yuriko Tadano, Masaaki Tanaka, and and Shinobu Ohya
  • Organizer: 第14回低温科学研究センター研究交流会
• [Presentation] 探針制御用走査電子顕微鏡を備えたin situ 4探針電気伝導測定装置によるSrTiO3上の原子層構造の測定 (2023)
  • Author(s): 清水翔太、保原麗、秋山了太、金田真吾、堀内皓斗、大矢忍、長谷川修司
  • Organizer: 第14回低温科学研究センター研究交流会
• [Presentation] Change of the band structure in a freestanding La0.67Sr0.33MnO3 thin film (2023)
  • Author(s): Takuma Arai, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh, Masaki Kobayashi, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Gate modulation of current in the metal-insulator transition region of La0.67Sr0.33MnO3 (2023)
  • Author(s): Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Magnetic-field-controllable resistive-switching and spin-valve-like behavior in an Fe/MgO/Ge-based two-terminal device (2023)
  • Author(s): Masaya Kaneda, Shun Tsuruoka, Hiroshi Katayama-Yoshida, Tatsuro Endo, Yuriko Tadano, Masaaki Tanaka, and and Shinobu Ohya
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Nanoscale metal-insulator transition of La0.67Sr0.33MnO3 and its application to two-terminal spin-valve devices and spin MOSFET (2023)
  • Author(s): Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
  • Organizer: Spin-RNJシンポジウム（2022年度報告会）
• [Presentation] Giant spin-charge conversion at a single-crystal-oxide Rashba interface with a strongly correlated metal interlayer (2023)
  • Author(s): Shingo Kaneta-Takada, Miho Kitamura, Shoma Arai, Takuma Arai, Ryo Okano, Le Duc Anh, Tatsuro Edno, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Masaki Kobayashi, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
  • Organizer: Spin-RNJシンポジウム（2022年度報告会）
• [Presentation] Giant Spin-charge Conversion in an All-epitaxial Single-crystal-oxide Rashba LaTiO3+δ/SrTiO3 Heterostructure (2022)
  • 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: International Conference on Molecular Beam Epitaxy (ICMBE) 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Growth of atomically flat SnTe(001) thin films using the room temperature wetting layer method and its electrical transport measurements (2022)
  • Author(s): Ryota Akiyama, Shingo Kaneta-Takada, Shinobu Ohya, Shota Shimizu, Hiroto Horiuchi, Takuya Takashiro, and Shuji Hasegawa
  • Organizer: The 22nd international vacuum congress (IVC-22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Field-free spin-orbit torque magnetization switching in a perpendicularly magnetized (Ga,Mn)As single layer (2022)
  • Author(s): Miao Jiang, Chenda Wang, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka
  • Organizer: 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Giant voltage-controllable magnetoresistance switching in Ge short-channel devices with epitaxial ultra-thin Fe electrodes (2022)
  • Author(s): Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
  • Organizer: 2022 Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Highly efficient spin-charge conversions in all-epitaxial single-crystalline ferromagnetic heterostructures (2022)
  • Author(s): Shinobu Ohya
  • Organizer: TSMC-Utokyo symposium
  • Invited
• [Presentation] Efficient spin-charge conversion using two-dimensional electrons gas systems of all-epitaxial single-crystalline perovskite-oxide heterostructures (2022)
  • Author(s): Shinobu Ohya
  • Organizer: The 8th Quantum Science (QS) symposium, ICCMSE 2022 -Computational Chemistry and Computational Physics
  • Invited
• [Presentation] Giant spin-valve effect in oxide-based lateral nano-scale channel devices (2022)
  • Author(s): Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka and Shinobu Ohya
  • Organizer: 2022 Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM)
  • Invited
• [Presentation] Creation of novel spintronics functionalities using high-quality oxide heterostructures (2022)
  • Author(s): Shinobu Ohya
  • Organizer: VANJ 2022, UTokyo -VietnamDIALOGUES
  • Invited
• [Presentation] オール不揮発エレクトロニクス時代の実現を目指して (2022)
  • Author(s): 大矢忍
  • Organizer: パナソニックP-MOTワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 強相関酸化物スピントロニクスの実現に向けて：放射光の役割 (2022)
  • Author(s): 大矢忍
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会 シンポジウム T8.先端計測と機能性酸化物研究の共進化
  • Invited
• [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: 日本物理学会2022年秋季大会
• [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: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Giant spin-valve effect in oxide-based lateral nano-scale channel devices (2022)
  • Author(s): Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka and Shinobu Ohya
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Giant voltage-controllable magnetoresistance switching in Ge short-channel devices with epitaxial ultra-thin Fe electrodes (2022)
  • Author(s): Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Book] 光と物質の量子相互作用ハンドブック 監修：荒川泰彦 (2023)
  • Author(s): 第４章 固体中の電子の基礎
  • Total Pages: 992
  • Publisher: 株式会社エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 978-4-86043-826-5
• [Remarks] 東京大学 大学院工学系研究科 電気系工学専攻 大矢研究室
  • URL: http://www.cryst.t.u-tokyo.ac.jp/ohya/