Study on spin current in oxide semiconductors for quantum bit application

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K14292
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: YAMASHITA Naoto 九州大学, システム情報科学研究院, 助教 (50929669)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 反応性スパッタリング / 酸化亜鉛 / 希土類鉄ガーネット / 磁性酸化物 / 応力誘起磁気異方性

Outline of Final Research Achievements

This study explored two methods to polarize electron spin in zinc oxide, a potential material for dark exciton spin current media. Firstly, we investigated the method of making zinc oxide ferromagnetic by adding transition metals. By solid-state crystallization technique of amorphous thin films through thermal treatment, we artificially created a nanoscale inhomogeneity in the atomic distribution, successfully enhancing the ferromagnetic transition temperature by fourfold. Secondly, we fabricated rare-earth iron garnet films with perpendicular magnetic anisotropy via sputtering and evaluated their magnetic properties. As a result, we clarified that the previously considered influence of negative ions on the magnetic properties is minimal.

Free Research Field

スピントロニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

酸化物半導体は、暗励起子デバイス応用が期待される候補材料の一つである。本研究では、コバルト添加酸化亜鉛のナノスケール不均一性を設計し、作製する方法を開発した。これにより転移温度を設計することが可能となった。さらに、大面積成膜可能なオンアクシススパッタリング法によりツリウム鉄ガーネット薄膜を作製できることを示した。高エネルギー負イオン照射が磁気特性を劣化させるという従来の通説にとらわれず、実験結果により他手法と同等の磁気特性を得ることを示した。これより、比較的簡便な反応性スパッタリングが新しい酸化物材料の作製においても有力な手法であることを示した。