Studies on nitride-based spintronics materials with perpendicular magnetic anisotropy
| Project/Area Number |
19K21954
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
末益 崇 筑波大学, 数理物質系, 教授 (40282339)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| 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)
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| 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 |
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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Report
(2 results)
Research Products
(21 results)
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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
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Journal Title
Physical Review Materials
Volume: 4
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[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
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Journal Title
Nano Letters
Volume: 19
Pages: 8716-8723
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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