2014 Fiscal Year Annual Research Report
規則合金系ヘテロ接合における多彩な物理現象とスピンデバイス創製
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24226001
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
安藤 康夫 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60250726)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大兼 幹彦 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50396454)
永沼 博 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60434023)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 規則合金 / ホイスラー / 高磁気異方性 / ヘテロ結合 / 生体磁場 / 磁気センサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
10 Merg/ccを超える高い磁気異方性エネルギーと0.01以下の低磁気緩和を有するDO22-およびL10-MnGa規則合金薄膜を作製し，これを電極に用いたMTJ素子の作製を行った．極薄のCoFeをMnGa/MgO界面に挿入した垂直磁化型MTJ素子において，室温で60%の磁気抵抗比を得た．
高いハーフメタル性を示すことが知られている，Co2Fe0.4Mn0.6Siホイスラー合金エピタキシャル薄膜を作製した．熱処理温度を系統的に変化させた結果，最適条件下において0.003という非常に小さい磁気緩和定数が得られた．
高磁気異方性と高スピン分極率が期待されるDO22-MnGa/L21-Heusler積層構造を作製した．Heusler合金として，1 nmのCo2MnSiをMnGa上に積層した場合に，良好な垂直磁気特性を得た．
MgO基板上にMnAl薄膜を作製した．用いるターゲット材料および作製条件の最適化を行い，(001)配向かつL10規則構造を有するMnAl薄膜が得られた．磁気異方性エネルギーは約10 Merg/ccであり，磁気緩和定数は0.006と非常に小さかった．MnAlとMgO絶縁層の界面に極薄のCoFeまたはCoFeBを界面に挿入したMTJ素子を作製し，12.5%の磁気抵抗効果を観測した．
MgOおよびSrTiO3単結晶基板上にFePd薄膜をエピタキシャル成長させた．基板および熱処理温度の最適化により，L10規則構造を有する薄膜が得られた．最適化した試料において，10 Merg/ccを超える異方性エネルギーと，0.007という目標を上回る低磁気緩和定数を得た．FePdを電極としたMTJ素子を作製した結果，室温で約80%の磁気抵抗比が得られた．また，電子線リソグラフィーにより，120 nmφ程度の微小なMTJ素子を作製し，ミリ波を電気的に検出することに成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究は以下の２つのマイルストーンで研究を進めている．
(1) 規則合金の高品位化および理想的な物性発現のための薄膜作製条件の確立
(2) 規則合金を含むヘテロ接合を種々作製し，新規な物性の発現，新規のスピンデバイス創成にむけた設計指針の提案
(1)については0.01以下の小さい磁気緩和をL10合金で実現した．また，ホイスラー合金電極CPP-GMR素子において約90%のスピン分極率を実現した．これらより(1)については当初の目標を達成し，さらに高いレベルでの材料開発を進めている．(2)についても(1)で作製した材料を用いたデバイス開発に取り組み，L21ホイスラー合金を用いた世界最高のCPP-GMR効果，L10-FePd電極を用いたミリ波の電気的検出，L10-Mn系垂直MTJ素子における磁気抵抗効果の観測など多くの成果を挙げている．さらに，Co2Fe0.4Mn0.6Siホイスラー合金のスピン波伝搬素子への応用，BiFeO3およびCoFeB系ヘテロ膜における高感度磁場センサへの応用，など，当初は想定していなかった新しいデバイスの方向性も見えてきている．このように順調に研究が進められている要因の一つは，研究リーダーの強いリーダーシップのもとで，それぞれのグループが有機的に連携して研究を行っている点である．一方では，研究協力者で材料設計をすることで，効率的に材料開発が進められている．常にスピン波伝搬に関して理論と実験の両サイドから貴重な情報をもたらしていただいている．
以上より，現在のところ研究開発は想定以上に順調に進んでおり，来年度以降は，スピン波伝搬を利用した新しいスピントロニクス素子など，当初の計画にはなかったデバイスの創製も期待できるなど，当初計画を大きく上回る成果を挙げる可能性が高い．研究体制も有機的に機能してきており，全く問題ないといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) L21-ホイスラー規則合金薄膜, CPP-GMRおよびMTJ素子の作製 H27年度以降は，エピタキシャル膜を用いてTMR比の温度依存性の改善に引き続き取り組み，超高TMR比の実現を目指す．また，多結晶膜を用いて，その低磁気異方性を活かした高感度磁場センサなどの新しいデバイスへの応用を提案する．
(2) DO22-およびL10-MnGa規則合金薄膜およびMTJ素子の作製
(3) DO22-MnGa/L21-Heusler積層構造の作製 H26年度までに行った，(2)，(3)の成果をもとにして，MnGa/Co2MnSi構造の作製条件最適化を行い，高TMRと高磁気異方性を両立した素子の実現を目指す．
(4) L10-FePd規則合金薄膜およびMTJ素子の作製 スピン注入MRAMやスピントルク発振素子に応用するためには，動作電流を低減するための強磁性薄膜の極薄膜化が必要である．H27-28年度は作製条件の最適化により，2 nm程度までFePd膜を薄膜化して低消費電力駆動のMTJ素子を作製する．MTJ素子のスピントルク特性を評価し，製品応用への道筋を示す．
(5) L10-MnAl規則合金薄膜およびMTJ素子の作製 H26年度までに得られた高品位なMnAl薄膜を電極としたMTJ素子を作製し，高TMR化を目指す．また，20 nmφ以下の素子サイズにおいても十分な熱安定性と，低消費電力をともに満たすMTJ素子を実現し，MRAMへの応用可能性を示す．
他，Biフェライト障壁と合金ヘテロ接合の作製と評価，垂直CoFeB合金ヘテロ接合の作製と評価，を並行して行う．これらは高密度かつ高速のスピン注入MRAM実現や高密度ハードディスクからの微小信号読み出し技術の著しい促進に結び付くとともに，多彩な材料からなる素子を集積化することで，新しい多機能素子の創成も目指す．
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[Journal Article] Correlations between atomic structure and giant magnetoresistance ratio in Co-2(Fe,Mn) Si spin valves2014
Author(s)
L. Lari, K. Yoshida, P.L. Galindo, J. Sato, J. Sizeland, D. Gilks, G.M, Uddin, Z. Nedelkoski, P.J, Hasnip, A. Hirohata, M. Oogane, Y. Ando, V.K. Lazarov
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Journal Title
Journal of Physics D- Applied Physics
Volume: 47
Pages: 322003_1-6
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Ultrafast magnetization dynamics in Co-based Heusler compounds with tuned chemical ordering2014
Author(s)
D. Steil, O. Schmitt, R. Fetzer, T. Kubota, H. Naganuma, M. Oogane, Y. Ando, A.K. Suszka, O. Idigoras, G. Wolf, B. Hillebrands, A. Berger, M. Aeschlimann, M. Cinchetti
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Journal Title
New Journal of Physics
Volume: 16
Pages: 63068_1-17
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Control of the Effective Damping in Heusler/Pt Microstructures via Spin-Transfer Torque2014
Author(s)
Thomas Meyer, Thomas Braecher, Thomas Sebastian, Philipp Pirro, Tobias Fischer, Alexander A. Serga, Hiroshi Naganuma, Koki Mukaiyama, Mikihiko Oogane, Yasuo Ando, Burkard Hillebrands
Organizer
2014 IEEE ICMM
Place of Presentation
Sendai International Center，Sendai
Year and Date
2014-06-29 – 2014-07-02
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