2015 Fiscal Year Annual Research Report
効率的スピン流生成とスピンホール角制御のための界面制御とバンドエンジニアリング
Publicly Offered Research
| Project Area | nano spin conversion science |
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| Project/Area Number |
15H01011
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大矢 忍 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20401143)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / スピン流 / 分子線エピタキシー / 界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２７年度は、下記の材料系を用いて縦型素子を作製し、スピンポンピングを用いたスピン注入の研究を進めることを予定しており、計画通り研究を進めてきたが、想定外の結果も得られた。（材料系： IV族系： 注入源GeFe, チャネル層Ge or Si, 絶縁体障壁SiO2やMgOなど。III-V族系：注入源GaMnAs, チャネル層 GaAs, 絶縁体障壁AlAsなど。酸化物系：注入源LaSrMnO3, チャネル層 n型La:SrTiO3やSrTiO3/LaAlO3２次元電子ガス領域）
＜本年度の実績＞強磁性半導体GeFeの強磁性共鳴を得ることに成功した。強磁性共鳴が発現する磁場強度は磁場印加角度にほとんどよらず、磁気異方性が小さいことが明らかになった。また、ボロンをドーピングすることによって、キャリア濃度を大きく制御できることを明らかにした。ドーピング濃度の増加とともに、強磁性共鳴が強くなる現象を初めて観測した。酸化物分子線エピタキシー法によるLaSrMnO3/SrTiO3構造の作製技術を確立した。製膜した薄膜の表面では原子ステップが観測され、極めて品質の高い薄膜が形成できることを示した。Pt/LaSrMnO3縦型デバイスを作製しスピンポンピングによる起電力を観測することに成功した。
想定外の成果として、筑波大学黒田研究室との共同研究として行っているスピンポンピングを用いたトポロジカル結晶絶縁体SnTeへのFeからのスピン注入に成功した。本研究は縦型デバイスを用いたスピン注入の研究の一環として行った。
また、東京大学物性研究所の勝本研究室との共同研究成果として、強磁性半導体InFeAs上の１ミクロンのギャップを持つNb電極を配置した素子で、InFeAsに対する超伝導近接効果を観測した。三重項ジョセフソン電流を観測できている可能性があり、今後更なる追求が必要である。
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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
強磁性半導体を用いた研究については、計画に基づき研究を進めている。様々な作製条件で作製したGeFeで強磁性共鳴が系統的に得られた。ボロンをドーピングしてキャリア濃度を変えたGeFe試料においては、強磁性共鳴信号がボロンドーピングに依存するという新たな知見が得られた。材料自体を変えずにキャリア濃度を変えることができるのは強磁性半導体の大きな強みであり、このような研究は他の材料系では難しいため、今後この原理を解明することが重要である。さらに、酸化物分子線エピタキシー法によるLaSrMnO3/SrTiO3構造の作製技術を予定通り確立することができた。実際にPt/LaSrMnO3縦型デバイスを作製し、スピンポンピングによる起電力を観測することに成功した。起電力の起源については、今後更なる追求が必要である。
一方で想定外の成果も得られた。本研究は縦型デバイスを用いたスピン注入の研究の一環として、筑波大学黒田研究室との共同研究でスピンポンピングを用いたトポロジカル結晶絶縁体SnTeへのスピン注入の実験を行った。本素子はすべて単結晶で作製されており、スピンの散乱を最小限に抑えることができるものと期待される。磁場角度依存性、温度特性の系統的な測定により、様々なアーティファクトを除外した結果、SnTeにFeからスピン注入されていることを支持する結論が得られた。また、東京大学物性研究所の勝本研究室との共同研究成果として、強磁性半導体InFeAs上の１ミクロンのギャップを持つNb電極を配置した素子で、InFeAsに対する超伝導近接効果を観測することができた。強磁性体が超伝導になっていることを示す結果であり、三重項ジョセフソン電流を観測できている可能性がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の予定通り、GeFe等の強磁性半導体を用いたスピン注入横型デバイスの作製および逆スピンホール効果検出、LaSrMnO3/LaAlO3/SrTiO3縦型デバイスにおけるスピンポンピング、酸化物を用いた横型スピン注入デバイスの作製／大きな逆スピンホール起電力の検出等に取り組む。まず、Ge系強磁性半導体へテロ構造および多層構造の作製技術の確立を目指す。酸化物系の研究に関しては、SrTiO3基板上のLaAlO3の作製技術の確立をまず最初の目標として研究を進め、次にLaSrMnO3/LaAlO3/SrTiO3縦型デバイスの作製技術の確立を目指す。LaAlO3の化学量論比の最適化を行い障壁高さの制御などに取り組む。その後、スピンポンピングの研究を行う。
一方、引き続き、トポロジカル結晶絶縁体SnTeへのスピン注入の研究も進めていく。今後は、Fe以外の強磁性体等も利用して、より効率的にスピンが注入される条件が存在するかどうかを調査する。可能であれば、横型デバイスも作製し、効率的なスピン輸送の可能性について検証を行う。
また、強磁性半導体InFeAsで観測された超伝導近接効果についても、磁場依存性の詳細な測定など、さらに研究を進めて行く予定である。
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