2023 Fiscal Year Research-status Report
Development of Low Power Consumption Multiferroic Memory using Experimental and Computational Approaches
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23KJ0919
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
李 邱穆 東京工業大学, 物質理工学院, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2023-04-25 – 2025-03-31
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| Keywords | マルチフェロイックス / 薄膜合成 / 第一原理計算 / 強誘電体 / 磁性体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
私は強誘電・強磁性を併せ持つマルチフェロイック物質BiFe0.9CoO.1O3 (BFCO)を用いた電場印加による磁化反転現象に注目した磁気メモリの実現に取り組んでいる。この材料は磁場の代わりに電圧で磁化を反転できることから磁気情報を書き込む際にジュール熱を削減でき、超低消費電力・不揮発性磁気メモリへの応用が期待できる。さらにBFCO薄膜は既報にて、圧力応答顕微鏡(PFM)と磁気力顕微鏡(MFM)を用いて電場印加による電気分極の反転に伴う磁化の反転が確かめられた。しかし、BFCOの自発磁化は0.03muB/f.u.程度で弱く、磁気メモリデバイスとして磁化を電気信号として読み取るためには10 Oe未満の磁場検出可能な高感度磁気センサが求められる。また、材料探索によってBFCOの自発磁化を上回る新しい材料が見つかれば、上記の条件を緩和できる。これまで私は、BFCOの電場印加による磁化反転の電気的検出を目指し、[1]パルスレーザー堆積法を用いたInSb薄膜の成長およびホールセンサとして10 Oe未満磁場検出の達成(Lee,K.et al.,Jpn.J.Appl.Phys.(2022).)、[2]理論計算(DFT+U,Monte Carlo法)を用いてBFCOのスピン構造を解析し、Co3+の高スピン状態がBFCOの弱強磁性秩序を安定・自発磁化を発現させる機構を解明した。
さらに令和5年度はInSbホールセンサのホール効果測定用の素子の設計、常圧下におけるBFCO中のCo3+のスピン状態の実験的な検証を実施した。さらに、上記の研究計画に加えて、共同研究先(UC Bekeley,Northeastern大学)に訪問し、1ヵ月間新しい実験を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
[1]BFCO薄膜上にInSb薄膜を合成し、ホール効果によるBFCO薄膜の磁化反転検出性能評価に必要な測定素子の設計を行った。ホール効果測定装置(PPMS)でBFCO薄膜の複数箇所での磁化反転を検出するための半導体パッケージおよび配線・ケーブルの自作を行い、最大4箇所においてホール効果を同時測定できることを確かめた。
また、[2]の成果の発展として、常圧下でCo3+のスピン状態を実験で明らかにした。先ず、DFT+U計算で、外部圧力でBFCO中のCo3+が高スピン(S=2)から低スピン(S=0)状態へ転移することが示唆された。高圧合成でBiFe0.8Co0.2O3多結晶を合成し、SPring-8の高輝度X線発光分光法(BL37XU)で圧力下のCo Kβスぺトクルの変化を調べた。その結果、圧力増加に伴い、Co3+の高スピン由来の成分が減少することを確かめ、常圧下でBFCO中に高スピン状態のCo3+が含まれることを明らかにした。この成果は多数の国際学会で発表を行い、優秀賞を受賞した。現在論文投稿済みである。
上記の研究計画に加えて、共同研究先で実施した実験内容について述べる。BFCOの磁化は弱いことから、磁気信号を検出する際に表面形状の影響を受けやすく、ナノスケールで電場印加による磁化反転メカニズムを調べることは非常に難しい。そこで、MFMよりも高感度な磁気検出手法である走査型ダイヤモンドNVセンター磁力計(NVセンター)を用いて、BFCOの磁気ドメインの鮮明な観察を試みた。検出試料として直径200nmのドット形状のBFCOを合成し、電場印加により磁化反転検出を目標として実験を行った。結果として、PFMによる電気分極、NVセンターで磁気像を測定し、両ドメイン構造の相関を調べた。
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| Strategy for Future Research Activity |
[1]に継続してBFCO薄膜上に高品質なInSbホールバーを成膜し、ホール効果による磁化反転検出動作を確かめる。
BFCO中のCo3+の高スピン状態の検証([2])で得た知見をDFT計算、Monte Carlo法に取り入れる。Co以外の3d-5d遷移金属元素置換によるBiFeO3の構造最適化や、磁気秩序・自発磁化の計算を進める。特に、自発磁化の発現に寄与するパラメータであるDM相互作用や磁気異方性を高精度に計算を進める。自発磁化増大への寄与が期待される候補元素の選別を効率化することで、新しい置換種の探索・合成・評価を実施する。
BFCOナノドット試料においてNVセンターで測定した磁気像に画像解析手法を適用することで、ナノドット由来の磁気信号を精密に抽出することができた。そして、BFCOナノドットへの電場印加によって、磁化が反転する挙動を捉えることに初めて成功した。現在この成果をまとめており、来年度に学会発表および論文投稿を行う。
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| Causes of Carryover |
今年度中に自作したInSbホール効果測定素子の配線にはワイヤボンディングを計画していた。そのため、3月までに外部のトレーニングセンターでワイヤボンディングの自習トレーニングを受けることを計画し、当初はトレーニング費用、半導体パッケージに必要な部品代を合わせて予算を使い切る予定であった。しかし、ボンディングの際にInSb薄膜が熱振動で容易に剥がれてしまうことから、ホールバー上に金電極の蒸着を計画し、金蒸着用のメタルマスクの設計・購入が必要になった。また、学内で使用中のワイヤボンダが古い機種のため、エンジニアから学内訪問によるトレーニングを提案された。その結果、メタルマスクの購入費＋訪問出張費＋トレーニング費を含めて8万円程度の予算が必要になることが見積もられた。
以上の理由で、研究計画の修正に伴い、予算の執行は次年度から実施する。
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