CPP-GMR of Ferromagnetic Multilayered Nanowire Arrays with Large Aspect Ratio

• Project/Area Number: 18H01754
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
• Research Institution: Nagasaki University
• Principal Investigator: 大貝 猛 長崎大学, 工学研究科, 准教授 (60253481)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2020: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2019: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2018: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: 電析 / 陽極酸化 / ナノワイヤー / ナノチャンネル / 巨大磁気抵抗効果 / パルス電解 / 陰極電位 / ナノ細孔 / 多層ナノワイヤー / TEM観察 / コバルト / 銅 / スパッタリング / 成長速度 / 逆電解剥離 / メンブレンフィルター / 電解研磨 / アルミニウム

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、電析Co/Cu多層ナノワイヤー配列素子の磁気抵抗効果に及ぼすナノワイヤー直径サイズの影響を調査した。まず、陽極酸化電圧を20V～110Vの範囲で制御し、アルミナテンプレートの細孔径を35nm～130nmの範囲で変化させた。次に、この陽極酸化アルミナテンプレートの細孔中に、電位制御型パルス電解法を駆使して、Co/Cu多層ナノワイヤー配列素子を作製した。更に、陽極酸化アルミナテンプレートを溶解除去後、分離回収されたCo/Cu多層ナノワイヤーを透過型電子顕微鏡により観察した結果、Co層(約14nm)とCu層（約1.5nm）が交互に積層されたCo/Cu多層ナノワイヤーを確認した。また、このCo/Cu多層ナノワイヤーの電気抵抗値に及ぼす外部磁場の影響を調査した結果、外部磁場の増加に伴い、電気抵抗値が大幅に減少する積層界面垂直通電型の巨大磁気抵抗効果を確認した。特に、ナノワイヤーの直径が約70nmの試料において、最大約23.4%の巨大磁気抵抗効果が発現することを見出した。また、パルス電解時のCo層の再溶解を防止するために、Crを合金元素として添加したCo-Cr合金層を得るために、新たに、Co-Cr合金電析用の電解浴を開発した。グリシンを錯化剤として添加した結果、Co中にCrを約38.9%まで含有し、且つ、高硬度で強磁性状態を維持できることが判明した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、アルミナテンプレートの細孔径を35nm～130nmの範囲で変化させた条件において、直径の異なるCo/Cu多層ナノワイヤー配列素子の合成を試みた。その結果、透過型電子顕微鏡により、Co層(約14nm)とCu層（約1.5nm）が交互に積層されたCo/Cu多層ナノワイヤーを確認できた。更に、Co/Cu多層ナノワイヤーの巨大磁気抵抗効果が、ナノワイヤーの直径に依存することを見出した。直径が小さすぎると交互積層状態が維持できなくなり、また、直径が大きすぎるとCo層が多磁区構造となり、スピンバルブ効果を維持できなくなると推定した。特に、ナノワイヤーの直径が約70nmの試料において、最大約23.4%の巨大磁気抵抗効果が発現することを見出した。以上より、現在までの進捗状況はおおむね順調と判断した。

Strategy for Future Research Activity

電析金属ナノワイヤー配列素子は、Co層(約14nm)とCu層（約1.5nm）が交互に積層された構造を有していることが判明したので、今後は、Co層の耐食性を向上させる予定である。具体的には、Co層とCu層との積層界面状態の改善策として、Co層を合金化させる方針である。パルス電解時のCo再溶解抑制元素XとしてNi、Cr、Mo、W等を合金化させたCo-X/Cu系多層ナノワイヤー配列素子の合成にも取り組む予定である。

Research Products

• [Journal Article] Nanocrystalline structure and microhardness of cobalt-chromium alloys electrochemically synthesized using a metal hydroxide coprecipitation technique (2022)
  • Author(s): Saeki Ryusei、Ohgai Takeshi
  • Journal Title: Materials Research Express Volume: 9 Pages: 026515-026515
  • DOI: 10.1088/2053-1591/ac5275
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Post-Annealing Effects on the Structure and Semiconductor Performance of Nanocrystalline ZnTe Thin Films Electrodeposited from an Aqueous Solution Containing Citric Acid (2021)
  • Author(s): Ohta Jun、Ohgai Takeshi
  • Journal Title: Applied Sciences Volume: 11 Pages: 10632-10632
  • DOI: 10.3390/app112210632
  • NAID: 120007186853
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Current-perpendicular-to-plane giant magnetoresistance in Co/Cu multilayered nanocylinders electrodeposited into anodized aluminum oxide nanochannels with ultra-large aspect ratio (2021)
  • Author(s): Ide Tomomi、Hayashida Masamitsu、Ohgai Takeshi
  • Journal Title: Journal of Materials Science: Materials in Electronics Volume: 32 Pages: 10089-10100
  • DOI: 10.1007/s10854-021-05667-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] CPP-GMR performance of electrodeposited metallic multilayered nanowires with a wide range of aspect ratios (2021)
  • Author(s): Saeki Ryusei、Mizoguchi Saeko、Kamimura Himeyo、Hayashida Masamitsu、Ohgai Takeshi
  • Journal Title: Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume: 529 Pages: 167849-167849
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2021.167849
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Determination of Cobalt Spin-Diffusion Length in Co/Cu Multilayered Heterojunction Nanocylinders Based on Valet?Fert Model (2021)
  • Author(s): Mizoguchi Saeko、Hayashida Masamitsu、Ohgai Takeshi
  • Journal Title: Nanomaterials Volume: 11 Pages: 218-218
  • DOI: 10.3390/nano11010218
  • NAID: 120006961266
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Perpendicular magnetization performance of hcp-cobalt nanocylinder array films electrodeposited from an aqueous solution containing cobalt (II)-citrate complexes (2020)
  • Author(s): Saeki Ryusei、Ohgai Takeshi
  • Journal Title: Journal of Materials Research and Technology Volume: 9 Pages: 8029-8040
  • DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.05.032
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CPP-GMR Performance of Electrochemically Synthesized Co/Cu Multilayered Nanowire Arrays with Extremely Large Aspect Ratio (2020)
  • Author(s): H. Kamimura, M. Hayashida, T. Ohgai
  • Journal Title: Nanomaterials Volume: 10 Pages: 5-5
  • DOI: 10.3390/nano10010005
  • NAID: 120006988327
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Uniaxial Magnetization Reversal Process in Electrodeposited High-density Iron Nanowire Arrays with Ultra-large Aspect Ratio (2019)
  • Author(s): C. Neetzel, H. Kamimura, M. Hayashida, T. Ohgai
  • Journal Title: Results in Physics Volume: 15 Pages: 102653-102653
  • DOI: 10.1016/j.rinp.2019.102653
  • NAID: 120006988403
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Determination of Cathode Current Efficiency for Electrodeposition of Ferromagnetic Cobalt Nanowire Arrays in Nanochannels with Extremely Large Aspect Ratio (2019)
  • Author(s): R. Saeki, T. Ohgai
  • Journal Title: Results in Physics Volume: 15 Pages: 102658-102658
  • DOI: 10.1016/j.rinp.2019.102658
  • NAID: 120006988402
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Determination of Crystal Growth Geometry Factors and Nucleation Site Densities of Electrodeposited Ferromagnetic Cobalt Nanowire Arrays (2019)
  • Author(s): Ryusei Saeki and Takeshi Ohgai
  • Journal Title: Crystals Volume: 9 Pages: 142-142
  • DOI: 10.3390/cryst9030142
  • NAID: 120006987728
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of Growth Rate on the Crystal Orientation and Magnetization Performance of Cobalt Nanocrystal Arrays Electrodeposited from Aqueous Solution (2018)
  • Author(s): Ryusei Saeki and Takeshi Ohgai
  • Journal Title: Nanomaterials Volume: 8 Pages: 566-566
  • DOI: 10.3390/nano8080566
  • NAID: 120006987994
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Determination of Activation Overpotential during the Nucleation of Hcp-Cobalt Nanowires Synthesized by Potentio-Static Electrochemical Reduction (2018)
  • Author(s): Ryusei Saeki and Takeshi Ohgai
  • Journal Title: Materials Volume: 11 Pages: 2355-2355
  • DOI: 10.3390/ma11122355
  • NAID: 120006987881
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] グリシン錯体浴から電析された強磁性Co-Cr基アモルファス合金の作製とそのビッカース硬度特性 (2022)
  • Author(s): 佐伯龍聖, 大貝猛
  • Organizer: 表面技術協会第145回講演大会
• [Presentation] Perpendicular Magnetization Performance of hcp-Cobalt Nanowire Arrays Electrodeposited from Co2+ Citrate Complex Ions (2021)
  • Author(s): Ryusei Saeki, Takeshi Ohgai
  • Organizer: INTERFINISH 2020 (20th World Congress)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高アスペクト比を有する電析Co/Cu多層ナノワイヤー配列素子の界面垂直通電型巨大磁気抵抗効果 (2021)
  • Author(s): 佐伯龍聖, 溝口沙恵子, 上村姫代, 林田将充, 大貝猛
  • Organizer: 表面技術協会第144回講演大会
• [Presentation] パルス電解法による強磁性金属多層ナノワイヤー配列素子の作製 (2021)
  • Author(s): 大貝猛
  • Organizer: 日本金属学会・日本鉄鋼協会九州支部秋季講演会
  • Invited
• [Presentation] 電鋳剥離法により作製されたNi-Mo合金厚膜の機械的特性評価 (2021)
  • Author(s): 松田知之, 大貝猛
  • Organizer: 応用物理学会九州支部学術講演会
• [Presentation] DMF浴から電析された鉄-クロム系ステンレス合金の化学状態とその微小硬度特性 (2021)
  • Author(s): 佐伯龍聖, 矢北大征, 大貝猛
  • Organizer: 応用物理学会九州支部学術講演会
• [Presentation] 非水溶媒浴を利用したCo-Cr系アモルファス合金膜の室温電解合成とその磁気特性 (2020)
  • Author(s): 杉野颯士, 佐伯龍聖, 大貝猛
  • Organizer: 2020年度応用物理学会九州支部学術講演会
• [Presentation] タングステンを含有したコバルト基アモルファス合金膜の室温電解合成 (2020)
  • Author(s): 斧澤一成, 林田将充, 大貝猛
  • Organizer: 2020年度日本顕微鏡学会九州支部学術講演会
• [Presentation] モリブデンを含有したコバルト基アモルファス超合金膜の室温電解合成 (2020)
  • Author(s): 松田知之, 斧澤一成, 林田将充, 大貝猛
  • Organizer: 2020年度日本顕微鏡学会九州支部学術講演会
• [Presentation] 電析Co/Cu多層ナノワイヤーの交互積層状態とそのCPP-GMR特性 (2020)
  • Author(s): 佐伯龍聖, 溝口沙恵子, 上村姫代, 林田将充, 大貝猛
  • Organizer: 2020年度日本顕微鏡学会九州支部学術講演会
• [Presentation] クエン酸錯体浴からの垂直磁化型コバルトナノシリンダー配列素子の室温電解合成 ～Pourbaix Diagramによる計算と水溶液分光科学的アプローチ～ (2020)
  • Author(s): 佐伯龍聖, 大貝猛
  • Organizer: 2020年度資源・素材学会九州支部春季例会
• [Presentation] Pangarov理論に基づいた電析金属の結晶配向性遷移電位の決定 (2019)
  • Author(s): 佐伯龍聖，大貝猛
  • Organizer: 2019年度資源・素材関係学協会合同秋季大会
• [Presentation] 水溶液電解法による人工超格子型Co/Cu多層ナノワイヤー配列構造体の創製 (2019)
  • Author(s): 上村姫代，林田将充，大貝猛
  • Organizer: 2019年度資源・素材関係学協会合同秋季大会
• [Presentation] Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov理論に基づいた電析金属の結晶成長幾何学因子の決定 (2019)
  • Author(s): 佐伯龍聖，大貝猛
  • Organizer: 2019年度資源・素材学会九州支部春季例会
• [Presentation] 界面垂直磁化型Co/Cu多層ナノワイヤー配列素子の2軸スピンバルブ効果 (2019)
  • Author(s): 溝口沙恵子、上村姫代、林田将充、大貝猛
  • Organizer: 金属学会・鉄鋼協会・軽金属学会九州支部
• [Presentation] 電位制御型パルス電解法による超高アスペクト比型コバルトナノワイヤー配列構造体の創製 (2019)
  • Author(s): 田森祐稀、佐伯龍聖、大貝猛
  • Organizer: 金属学会・鉄鋼協会・軽金属学会九州支部
• [Presentation] 超高アスペクト比型ナノ細孔中への強磁性金属電析におけるFaraday効率の最適化 (2019)
  • Author(s): 佐伯龍聖，大貝猛
  • Organizer: 応用物理学会九州支部学術講演会
• [Presentation] 電析ナノワイヤー配列構造体を利用した金属系磁気抵抗効果素子の作製と物性評価 (2019)
  • Author(s): 溝口沙恵子、上村姫代、林田将充、大貝猛
  • Organizer: 応用物理学会九州支部学術講演会
• [Presentation] 電位制御型パルス電解法による膜面垂直磁化型強磁性金属ナノワイヤー集積膜の創製 (2019)
  • Author(s): 田森祐稀、佐伯龍聖、大貝猛
  • Organizer: 応用物理学会九州支部学術講演会
• [Presentation] 高アスペクト比型Coナノワイヤー配列集積膜の電析とその垂直磁化特性 (2018)
  • Author(s): 佐伯龍聖，森村隆夫，大貝 猛
  • Organizer: 資源・素材学会九州支部春季例会
• [Presentation] スルーホール型ナノ細孔内に電析されたCo/Cu多層ナノワイヤーのCPP-GMR特性 (2018)
  • Author(s): 上村姫代，林田将充，大貝 猛
  • Organizer: 資源・素材学会九州支部春季例会
• [Presentation] (002)優先配向型hcp-Coナノワイヤー配列集積膜の垂直磁化特性 (2018)
  • Author(s): 佐伯龍聖，森村隆夫，大貝 猛
  • Organizer: 金属学会・鉄鋼協会・軽金属学会九州支部
• [Presentation] 電析Co/Cu多層ナノワイヤーの積層界面垂直通電型巨大磁気抵抗特性 (2018)
  • Author(s): 上村姫代，林田将充，大貝 猛
  • Organizer: 金属学会・鉄鋼協会・軽金属学会九州支部
• [Presentation] Pangarov理論に基づいた電析Coナノワイヤー配列構造体の結晶配向性遷移電位の決定 (2018)
  • Author(s): 佐伯龍聖，森村隆夫, 大貝猛
  • Organizer: 表面技術協会第138回講演大会
• [Presentation] スルーホール型ナノ細孔中に電析されたCo/Cu多層ナノワイヤー配列素子のCPP-GMR特性 (2018)
  • Author(s): 上村姫代，林田将充，大貝猛
  • Organizer: 表面技術協会第138回講演大会
• [Remarks] 長崎大学工学部・工学研究科 材料組織物性学研究室 発表論文リスト
  • URL: http://www.cms.nagasaki-u.ac.jp/lab/soshiki/articles.html
• [Remarks] 長崎大学工学部・工学研究科 材料組織物性学研究室 受賞者リスト
  • URL: http://www.cms.nagasaki-u.ac.jp/lab/soshiki/awards.html