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Studies on nitride-based spintronics materials with perpendicular magnetic anisotropy

Research Project

Project/Area Number 19K21954
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

末益 崇  筑波大学, 数理物質系, 教授 (40282339)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 磯上 慎二  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主任研究員 (10586853)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Keywordsスピントロ二クス / 磁化補償 / フェリ磁性体 / 電流駆動磁壁移動 / 垂直磁気異方性 / スピン移行トルク / 磁壁移動 / 磁性細線
Outline of Research at the Start

申請者は、SrTiO3基板上で垂直磁気異方性を示すMn4N膜の磁区サイズが1mmを超えることを発見し、Mn4N細線での電流誘起磁壁駆動の実験において、速さ1,000m/sに達する世界最高レベルの磁壁移動を実証した。これは、Mn4Nがスピン注入トルクにより磁化反転が容易に起こることを示している。本研究では、Mn4N をベースに、3d 元素(D)を僅かに添加したMn4-xDxN 膜を作製し、磁化反転を可能にするスピン注入トルクおよびスピン軌道トルクの大きさを測定し、スピントロニクス材料としてのポテンシャルを明確にして、Mn4Nをベースとする新規スピントロニクス材料を開拓する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、フェリ磁性体Mn4Nをベースに新規スピントロニクス材料を開拓することを目的とする。これまでの研究により、Mn4NにCoをx=0.8ドーピングすると、Coは角位置に入り(Co(I))、その磁気モーメントは角位置のMn原子(Mn(I))と平行になることが分かっている。そこで、x=0.8を挟んで、x=0.2とx=1.3のCo組成を有するMn(4-x)Co(x)N膜をチタン酸ストロンチウム基板上に分子線エピタキシー法によりエピタキシャル成長した。磁気輸送特性からCo組成x=0.8と1.3で、垂直磁気異方性を保持しながら、異常ホール係数の符号が急峻に変化したことから、このCo組成間に磁化補償点があると予想した。一方、Co組成x=0.2と0.8では、異常ホール係数の符号は同じであった。次に、これら3つの試料について、X線磁気円二色性(XMCD)測定を室温で行った。その結果、x=0.2ではCoは角位置に入り、Co(I)の磁気モーメントはMn(I)と反平行であった。x=0.8では、面心位置のMn原子(Mn(II))を含めて、Co(I), Mn(I)の磁気モーメントがx=0.2から反転した。さらに、x=1.3においては、Coが面心位置(Co(II))も置換し、その磁気モーメントはCo(I)と反平行であった。さらに、Co(I), Co(II), Mn(I), Mn(II)の全ての磁性原子について、その磁気モーメントが反転した。以上の結果から、x=0.2と0.8の間に、さらに、x=0.8と1.3の間の2つのCo組成において、磁化補償が生じることが明らかになった。室温において、不純物をドーピングすることのみで磁化補償が複数の組成で生じる物質は、これが初めてである。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

室温において、不純物をドーピングすることのみで室温で磁化補償が2度も生じる物質は、これが初めてである。Co4Nが強磁性体であることから、Co組成をx=1.3よりも増やしたところで、もう1度、Coの磁気モーメントが反転する組成があると予想される。このような磁化補償が生じる組成付近では、電流駆動磁壁移動において高速な移動が期待されるが、組成がわずかにズレることで、磁気特性も急激に変化すると思われる。磁化補償が2つのCo組成で生じることは、その間の組成において、Co組成にそれほど依存せず高速な磁壁移動が達成できる可能性があり、今後の研究の進展が期待される。このように、当初予想しなかった面白い結果が得られているため、計画以上に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究では、Mn4NをベースにMn原子を他の磁性不純物で置換することで、磁化補償を達成してきた。今後は、非磁性不純物をドーピングしてMn原子を置換することで、磁化補償が生じる可能性について探索する。

Report

(2 results)
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report

Research Products

(21 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 1 results) Presentation (10 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] University Grenoble Aples/Spintec(フランス)

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  • [Journal Article] Current-Driven Domain Wall Dynamics in Ferrimagnetic Nickel- Doped Mn4N Films: Very Large Domain Wall Velocities and Reversal of Motion Direction across the Magnetic Compensation Point2021

    • Author(s)
      Mitarai, Hanako Okuno, Jan Vogel, Mairbek Chshiev, Jean-Philippe Attane, Laurent Vila, Takashi Suemasu, Stefania Pizzini
    • Journal Title

      Nano Letters

      Volume: 21 Pages: 2580-2587

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.1c00125

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  • [Journal Article] Magnetic compensation at two different composition ratios in rare-earth-free Mn4-xCoxN ferrimagnetic films2020

    • Author(s)
      Haruka Mitarai, Taro Komori, Taku Hirose, Keita Ito, Sambit Ghosh, Syuta Honda, Kaoru Toko, Laurent Vila, Jean-Philippe Attane, Kenta Amemiya, Takashi Suemasu
    • Journal Title

      Physical Review Materials

      Volume: 4

    • DOI

      10.1103/physrevmaterials.4.094401

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Manipulation of saturation magnetization and perpendicular magnetic anisotropy in epitaxial CoxMn4-xN films with ferrimagnetic compensation2020

    • Author(s)
      Ito Keita、Yasutomi Yoko、Zhu Siyuan、Nurmamat Munisa、Tahara Masaki、Toko Kaoru、Akiyama Ryota、Takeda Yukiharu、Saitoh Yuji、Oguchi Tamio、Kimura Akio、Suemasu Takashi
    • Journal Title

      Phys. Rev. B

      Volume: 101

    • DOI

      10.1103/physrevb.101.104401

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  • [Journal Article] Perpendicular magnetic anisotropy in ferrimagnetic Mn4N films grown on (LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7(0 0 1) substrates by molecular beam epitaxy2020

    • Author(s)
      Taku Hirose, Taro Komori, Toshiki Gushi, Kaoru Toko, Takashi Suemasu
    • Journal Title

      Journal of Crystal Growth

      Volume: 535

    • DOI

      10.1016/j.jcrysgro.2020.125566

    • NAID

      120007132953

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Strong correlation between uniaxial magnetic anisotropic constant and in-plane tensile strain in Mn4N epitaxial films2020

    • Author(s)
      Taku Hirose, Taro Komori, Toshiki Gushi, Akihito Anzai, Kaoru Toko, Takashi Suemasu
    • Journal Title

      API Advances

      Volume: 10

    • DOI

      10.1063/1.5141818

    • NAID

      120007127659

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Magnetic reversal in rare-earth free Mn4-NixN epitaxial films below and above Ni composition needed for magnetic compensation around room temperature2020

    • Author(s)
      Taro Komori, Taku Hirose, Toshiki Gushi, Kaoru Toko, Takayasu Hanashima, Laurent Villa, Jean-Philippe Attane, Kenta Amemiya, Takashi Suemasu
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 127 Pages: 043903-043903

    • DOI

      10.1063/1.5128635

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Large Current Driven Domain Wall Mobility and Gate Tuning of Coercivity in Ferrimagnetic Mn4N Thin Films2019

    • Author(s)
      Toshiki Gushi, Matic J Klug, Jose Pena Garcia, Sambit Ghosh, Jean-Philippe Attane, Hanako Okuno, Olivier Fruchart, Jan Vogel, Takashi Suemasu, Stefania Pizzini, Laurent Vila
    • Journal Title

      Nano Letters

      Volume: 19 Pages: 8716-8723

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.9b03416

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Magnetic and magneto-transport properties of Mn4N thin films by Ni substitution and their possibility of magnetic compensation2019

    • Author(s)
      Komori Taro、Gushi Toshiki、Anzai Akihito、Vila Laurent、Attane Jean-Philippe、Pizzini Stefania、Vogel Jan、Isogami Shinji、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 125 Pages: 213902-213902

    • DOI

      10.1063/1.5089869

    • NAID

      120007133414

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Examination of magneto-transport properties in Mn4-xNixN acquired by experiment and ab-initio calculation2021

    • Author(s)
      Taro Komori, Haruka Mitarai, Tomohiro Yasuda, Kaoru Toko, Syuta Honda and Takashi Suemasu
    • Organizer
      The 68th JSAP Spring Meeting
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  • [Presentation] Exploring magnetic compensation composition in Fe-doped Mn4N epitaxial films at room temperature2021

    • Author(s)
      Haruka Mitarai, Taro Komori, Taku Hirose, Akihito Anzai, Kaoru Toko and Takashi Suemasu
    • Organizer
      The 68th JSAP Spring Meeting
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  • [Presentation] Growth of Mn4-xInxN epitaxial films and analysis of its structure by X-ray magnetic circular dichroism2021

    • Author(s)
      Tomohiro Yasuda, Taro Komori, Haruka Mitarai, Kenta Amemiya, Kaoru Toko and Takashi Suemasu
    • Organizer
      The 68th JSAP Spring Meeting
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  • [Presentation] Analysis of the magneto-transport properties in Mn4-xNixN films with large current induced domain wall mobility and anomalous Hall effect2020

    • Author(s)
      Taro Komori, Haruka Mitarai, Taku Hirose, Kaoru Toko and Takashi Suemasu
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      The 81st JSAP Autumn Meeting
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  • [Presentation] Magnetic compensations in Mn4-xCoxN epitaxial films proved by X-ray magnetic circular dichroism2020

    • Author(s)
      Haruka Mitarai, Taro Komori, Taku Hirose, Keita Ito, Kaoru Toko, Kenta Amemiya and Takashi Suemasu
    • Organizer
      The 81st JSAP Autumn Meeting
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      Taku Hirose, Haruka Mitarai, Taro Komori, Kaoru Toko, and Takashi Suemasu
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      第67回応用物理学会春季学術講演会
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      H. Mitarai, T. Hirose, T. Komori, K. Toko, and T. Suemasu
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      第67回応用物理学会春季学術講演会
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      Taro Komori, Haruka Mitarai, Taku Hirose, Takashi Suemasu
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      第67回応用物理学会春季学術講演会
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      T. Komori, T. Hirose, K. Amemiya, T. Suemasu
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
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      T. Hirose, T. Komori, T. Suemasu
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
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  • [Remarks] 環境半導体・磁性体研究室

    • URL

      http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ecology/journalpapers.html

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URL: 

Published: 2019-07-04   Modified: 2021-12-27  

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