2014 Fiscal Year Annual Research Report
強誘電体障壁強磁性トンネル接合素子の開発と電界効果によるスピン輸送制御
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26249037
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
角田 匡清 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80250702)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
末益 崇 筑波大学, 数理物質科学研究科(系), 教授 (40282339)
白井 正文 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (70221306)
古門 聡士 静岡大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50377719)
磯上 慎二 福島工業高等専門学校, 一般教科(物理科), 准教授 (10586853)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | スピンエレクトロニクス / 磁性 / 先端磁性デバイス / 物性実験 / 物性理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、大きな自発分極を有する強誘電体を絶縁障壁層とするFe4N基強磁性トンネル接合素子（MTJ）を開発し、電界効果が及ぼすFe4N薄膜の界面磁性の変調をトンネル磁気抵抗（TMR）効果ならびに電流誘起磁化反転現象を通じて明らかにすることを目的としている。
本年度は、Fe4N基強磁性薄膜の磁性・磁気伝導特性の解明と、複合酸化物障壁層を有するFe4N基強磁性トンネル接合素子の開発について研究を行った。その結果、熱処理温度を変化させて作製したFe4N薄膜と(Co,Fe)4N薄膜の異方性磁気抵抗（AMR）効果の計測、ならびに同薄膜のＸ線構造解析とメスバウアー分光計測から、同薄膜の逆ペロブスカイト型結晶格子中での窒素原子サイトの規則度が、磁気伝導特性に大きな影響を及ぼすことが判り、窒素欠損の多い試料では、Fe4Nで特徴的な少数スピン電子伝導が失われることが明らかとなった。また、結晶場効果を取り入れた磁気伝導理論を構築した結果、Fe4N薄膜で特徴的に観測される50K以下の低温におけるAMR効果の増大と4回対称性の出現が、結晶場分裂による各3d軌道のフェルミ準位における状態密度差によって引き起こされることが示唆された。
さらに、RFスパッタ法によるスピネル（MgAl2O4）薄膜のFe4N薄膜上への堆積実験の結果、成膜温度を室温とした場合にも、堆積後の300℃程度の加熱処理でエピタキシャル成長が可能であることを見出した。同知見の基、スピネル障壁層を有するMTJの作製を行い、Fe4Nの負のスピン分極を反映したインバースTMR効果の観測に成功した。
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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
交付申請書に記載した研究計画が順調に実施され、所期の成果が得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続きFe4N基薄膜の磁性・磁気伝導特性の解明ならびに高品質ペロブスカイト型強誘電体トンネル障壁層の開発を行う。
Fe4N薄膜で特徴的に観測される負の異方性磁気抵抗効果の50K以下での急激な増大現象はこれまでの実験・理論両面での研究により、磁気伝導特性に及ぼす結晶場の影響であることが明らかとなった。今後はこの研究成果を踏まえ、単層強磁性薄膜の磁気伝導特性を計測する有力な手段である異常ホール効果について詳細な検討を行う。また、(Mn-Co)4N薄膜等の合成を行い、垂直磁気異方性を始めとする同薄膜の磁性の組成依存性について詳細な検討を行う。
ペロブスカイト型酸化物強誘電体薄膜の高品質成膜プロセスの開発に関しては、同様の複合酸化物であるスピネル（MgAl2O4）トンネル障壁層の形成実験でこれまでに明らかとなった知見を踏まえ、複合酸化物トンネル障壁層の形成手法の違いがスピン依存トンネル伝導現象に及ぼす影響についてより詳細な検討を行う。その上で強誘電体ペロブスカイト型酸化物薄膜の高品質成膜技術の開発を行い、ペロブスカイト障壁膜の低温形成技術の確立を目指す。
これらの知見・技術を総合し、強誘電体障壁層を有するFe4N基強磁性トンネル接合薄膜を形成し、電界効果が及ぼすFe4N薄膜の界面磁性の変調をトンネル磁気抵抗効果ならびに電流誘起磁化反転現象を通じて明らかにしてゆく。
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