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 2021)
• 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 / 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、ナノ細孔中へパルス電析されたCo/Cu系多層ナノワイヤー配列素子の構成相の同定および多層構造の直接観察を実施し、積層状態に及ぼすパルス電解条件の影響を明確化することを目標とした。具体的には、X線回折法（XRD）および走査型電子顕微鏡（SEM）や透過型電子顕微鏡（TEM）を駆使して、Co層とCu層の積層状態に及ぼす陰極電位の影響を調査した。まず、陽極酸化アルミナ製ナノ細孔中へパルス電析されたCo/Cu系多層ナノワイヤー配列素子に対してX線回折実験を行った。その結果、hcp-Co(002)とfcc-Cu(111)に対応する回折ピークが同時に検出されたため、Co層とCu層は合金化せずに、2相分離した状態で存在していることが判明した。次に、陽極酸化アルミナ製ナノ細孔部分のみを溶解除去し、金属ナノワイヤー部分のみを回収するため、試料を水酸化ナトリウム水溶液中に浸漬させた。得られた試料は純水中で超音波洗浄後、磁場を利用して回収し、TEM観察用のマイクログリッド上へ搭載した。その後、この試料をTEM観察した結果、金属ナノワイヤーの直径は、約50nm程度であり、陽極酸化アルミナ製ナノ細孔の直径と一致することが判明した。更に、金属ナノワイヤー中に、周期的な明暗の縞模様を確認した。この暗部は約10nm程度の層厚であり、一方、明部は約2nm程度の層厚であった。したがって、Co層厚約10nmおよびCu層厚約2nmから構成される周期的なCo/Cu積層構造が実現出来ていることが判明した。また、パルス電析時のCo層陰極電位（pulse on-time）を制御することにより、Co層厚は8～27nmの範囲で調整可能であることも分かった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、X線回折法（XRD）および走査型電子顕微鏡（SEM）や透過型電子顕微鏡（TEM）を駆使して、CoとCuの積層状態を調査し、多層ナノワイヤー配列素子を電析可能な陰極電位領域を決定できた。また、アルミナ製メンブレンフィルター部分のみをアルカリ性水溶液中で溶解可能であることも判明し、試料にダメージを与えることなく、金属ナノワイヤー部分のみを回収出来ることを見出した。更に、電位制御型パルス電解法により、金属ナノワイヤー配列素子がCo層約10nmおよびCu層約2nmから構成される周期的なCo/Cu積層構造を有していることもTEMにより直接観察出来た。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が明瞭な積層構造を有していることが判明したので、今後は、得られた試料の直流磁化特性および磁気抵抗特性を評価予定である。具体的には、振動試料型磁力計（VSM）および微小電流印加型電気抵抗測定装置を駆使して、得られた試料の磁気特性を調査する。また、Co層とCu層との積層界面状態の改善策として、Coの再溶解抑制剤として期待できるNiを合金化させたCoNi/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] 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] 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