強磁性金属における電界誘起磁化反転に関する研究

• 研究課題/領域番号: 12J02212
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 電子・電気材料工学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 金井 駿 東北大学, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2012 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 採択後辞退 (2014年度)
• 配分額: 3,000千円 (直接経費: 3,000千円); 2014年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2013年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2012年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: 電界誘起磁化反転 / 垂直磁化容易 / コバルト / 鉄 / ホウ素 / 酸化マグネシウム / 磁気トンネル接合 / スピントロニクス

研究概要

電界誘起磁化反転は、磁性層を電極として有するキャパシタ構造素子に電圧を印加し、磁化容易軸方向を一時的に切り替えることにより磁化が歳差運動を行うことを利用した磁化反転手法である。1年目で実証したこの電界誘起磁化反転時に付随する様々な現象について深く理解することを目指した。電界誘起磁化反転の確率が熱擾乱により乱される過程を、単磁区を仮定した計算機シミュレーションにより再現し、磁化歳差過程における熱擾乱の影響が磁化反転の制御性を悪化させる(過程が確率的になる)ことを明らかにした。歳差運動過程における熱擾乱の影響を直接測定するため、磁化方向に依存する磁気トンネル接合の抵抗変化により反射率が変化することを利用して、ナノ秒程度の時間領域で電界により誘起される磁化の歳差運動の様子を測定した。素子抵抗と接合面積の積と、素子サイズの最適化を行うことにより、検出信号強度を向上し、ナノ・メートルサイズの磁性体の1回の試行での電界誘起磁化歳差を世界で初め七実時間観測した。測定結果から、電界印加時間の経過につれての歳差運動振幅の減衰は10ナノ秒程度まで殆ど見られないが、歳差運動の位相の試行ごとの分散が著しく大きく、多数回の試行の結果を平均する確率測定では見かけの振動振幅が減衰することを明らかにした。この結果は、微小磁気デバイスの磁化ダイナミクスを理解する上で重要な知見となる。電界誘起磁化反転は磁化歳差運動を利用するという特性上、電圧制御時にオーバー・ドライブできないという原理的欠点があり、この克服のためにスピン注入磁化反転を併用する新しい磁化反転手法を提案した。提案手法を用い、スピン注入磁化反転による磁化反転よりも高速かつ低消費電力で、電界誘起磁化反転よりも電圧制御マージンが広い磁化反転を実証した。

今後の研究の推進方策

(抄録なし)

研究成果

• [雑誌論文] Electric Field Induced Magnetization Switching in CoFeB-MgO - Static Magnetic Field Angle Dependence - (2014)
  • 著者名/発表者名: Shun Kanai, Michihiko Yamanoichi, Shoji Ikeda, Yoshinobu Nak atani, Fumihiro Matsukura, and Hideo Ohno
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetism 巻: 50 号: 1 ページ: 1-3
  • DOI: 10.1109/tmag.2013.2278559
  • 査読あり
• [雑誌論文] Size Dependence of Magnetic Properties of Nanoscale CoFeB-MgO Magnetic Tunnel Junctions with Perpendicular Magnetic Easy A-xis Observed by Ferromagnetic Resonance (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Mizunuma, et. al.
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 6 号: 6 ページ: 063002-063002
  • DOI: 10.7567/apex.6.063002
  • 査読あり
• [雑誌論文] In-plane magnetic field dependence of electric field-induced magnetization switching (2013)
  • 著者名/発表者名: Shun Kanai, Michihiko Yamanouchi, Shoji Ikeda, Yoshinobu Nakatani, Fumihiro Matsukura, and Hideo Ohno
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 103 号: 7 ページ: 72408-72408
  • DOI: 10.1063/1.4818676
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electric field-induced magnetization reversal in a perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junction (2012)
  • 著者名/発表者名: Shun Kanai, Michihiko Yamanouchi, Shoji Ikeda, Yoshinobu Nakatani, Fumihiro Matsukura, and Hideo Ohno
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 101 号: 12
  • DOI: 10.1063/1.4753816
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of boron diffusion in an annealed Ta/CoFeB/MgO magnetic tunnel junction with standing-wave hard x-ray photoemission (2012)
  • 著者名/発表者名: A. A. Greer, A.X. Gray, Shun Kanai, A. M. Kaiser, S. Ueda, Y. Yamashita, C. Bordel, G. Palsson, N. Maejima, S.-H. Yang, G. Conti, K. Kobayashi, Shoji Ikeda, Fumihiro Matsukura, Hideo Ohno, C. M. Schneider, J. B. Kortright, F. Hellman, and C. S. Fadley
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 101 号: 20 ページ: 202402-202402
  • DOI: 10.1063/1.4766351
  • 査読あり
• [雑誌論文] RECENT PROGRESS OF PERPENDICULAR ANISOTROPY MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS FOR NONVOLATILE VLSI (2012)
  • 著者名/発表者名: Shoji Ikeda, Hideo Sato, Michihiko Yamanouchi, Huadong Gan, Katsuya Miura, Kotaro Mizunuma, Shun Kanai, Shunsuke Fukami, Fumihiro Matsukura, Naoki Kasai, Hideo Ohno
  • 雑誌名: SPIN 巻: 2 号: 03 ページ: 1240003-1240003
  • DOI: 10.1142/s2010324712400036
  • 査読あり
• [学会発表] 電界誘起磁化ダイナミクスの実時間観測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 金井 駿, 仲谷栄伸, 山ノ内路彦, 池田正二, 松倉文礼, 大野英男
  • 学会等名: 2014年春季第61回応用物理関係連合講演会
  • 発表場所: 青山学院大学
  • 招待講演
• [学会発表] Magnetization switching by two successive voltage pulses (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Kanai, H. Sato, M. Yamanouchi, S. Ikeda, Y. Nakatani, F. Matsukura. and H. Ohno
  • 学会等名: 2014年春季第61回応用物理関係連合講演会
  • 発表場所: 青山学院大学
• [学会発表] Temperature dependence of electric-field effect on magnetic properties of Ta/CoFeB/MgO structures investigated by ferromagnetic resonance (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Okada, S. Kanai, M. Yamanouchi, S. Ikeda, F. Matsukura, H. Ohno
  • 学会等名: 2014年春季第61回応用物理関係連合講演会
  • 発表場所: 青山学院大学
• [学会発表] Ferromagnetic resonance spectra of CoFeB-MgO magnetic tunnel junctions measured by homodyne detection (2014)
  • 著者名/発表者名: E. Hirayama, S. Kanai, K. Sato, M. Yamanouchi, H. Sato, S. Ikeda, F. Matsukura, and H. Ohno
  • 学会等名: 2014年春季第61回応用物理関係連合講演会
  • 発表場所: 青山学院大学
• [学会発表] 不揮発性集積回路応用に向けたCoFeB-MgO磁気トンネル接合の開発状況 (2013)
  • 著者名/発表者名: 池田正二, 佐藤英夫, 山ノ内路彦, 深見俊輔, 水沼広太朗, 金井駿, 石川慎也, 松倉文礼, 笠井直記, 大野英男
  • 学会等名: 独立行政法人 日本学術振興会 先端ナノデバイス・材料テクノロジー第151委員会 平成25年度第1回研究会
  • 発表場所: 東京大学
  • 年月日: 2013-05-09
• [学会発表] Electric-Field Induced Magnetization Switching in CoFeB-MgO with Different Magnetic Field Angles (2013)
  • 著者名/発表者名: Shun Kanai, Michihiko Yamanouchi, Shoji Ikeda, Yoshinobu Nakatani, Fumihiro Matsukura, and Hiden Ohno
  • 学会等名: 2013 International Symposium on Advanced Magnetic Materials and Applications (ISAMMA 2013)
  • 発表場所: Taichung, Taiwan
• [学会発表] 電界誘起磁化歳差運動の実時間測定 (2013)
  • 著者名/発表者名: 金井駿, 山ノ内路彦, 池田正二, 仲谷栄伸, 松倉文礼, 大野英男
  • 学会等名: 2013年第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 同志社大学
• [学会発表] 強磁性共鳴によって検出したTa-CoFeB-MgO接合における磁気特性の電界効果の膜厚依存性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 岡田 篤, 金井 駿, 山ノ内路彦, 池田正二, 松倉文礼, 大野英男
  • 学会等名: 2013年第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 同志社大学
• [学会発表] Ta/CoFeB/MgO構造における磁気特性の電界効果の強磁性共鳴による検出 (2013)
  • 著者名/発表者名: 岡田 篤, 金井 駿, 山ノ内路彦, 池田正二, 松倉文礼, 大野英男
  • 学会等名: 第32回電子材料シンポジウム(EMS32)
  • 発表場所: ラフォーレ琵琶湖
• [学会発表] Temperature dependence of electric-field effects on magnetic anisotropies in Ta-CoFeB-MgO (2013)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Okada, Shun Kanai, Michihiko Yamanouchi, Shoji Ikeda, Fumihiro Matsukura, and Hideo Ohno
  • 学会等名: 第18回半導体スピン工学の基礎と応用 ; PASPS (Physics and ApplicationsofSpin-related Phenomenain Semiconductors)
  • 発表場所: 福岡
• [学会発表] CoFeB-MgO接合における電界誘起磁化スイッチングの磁界角度依存性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 金井駿、山ノ内路彦、池田正二、仲谷栄伸、松倉文礼、大野英男
  • 学会等名: 2013年春季第60回応用物理関係連合講演会
  • 発表場所: 厚木
• [学会発表] Magnetization Switching in CoFeB/MgO by Electric Fields (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Kanai, M. Yamanouchi, S. Ikeda, Y. Nakatani, F. Matsukura, and H. Ohno
  • 学会等名: The 10^<th> RIEC International Workshop on Spintronics
  • 発表場所: Sendai
• [学会発表] Measurement of magnetic properties in CoFeB-MgO p-MTJs by ferromagnetic resonance with homodyne detection technique (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Mizunuma, M. Yamanouchi, H. Sato, S. Ikeda, S. Kanai, F. Matsukura, and H. Ohno
  • 学会等名: The 10^<th> RIEC International Workshop on Spintronics
  • 発表場所: Sendai
• [学会発表] Magnetic Field Angle Dependence of the Probabilities of Electric-Field Induced Magnetization Switching (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Kanai, M. Yamanouchi, S. Ikeda, Y. Nakatani, F. Matsukura, and H. Ohno
  • 学会等名: The 11^<th> RIEC International Workshop on Spintronics
  • 発表場所: Sendai
• [学会発表] Electric Field-induced Magnetization Switching in COFeB (2013)
  • 著者名/発表者名: F Matsukura, S. Kanai, M. Yamanouchi, S. Ikeda, Y. Nakatani, and H. Ohno
  • 学会等名: The 11^<th> RIEC International Workshop on Spintronics
  • 発表場所: Sendai(招待講演)
• [学会発表] 垂直磁気異方性CoFeB-MgO接合における電界誘起磁化反転 (2012)
  • 著者名/発表者名: 金井駿、山ノ内路彦、池田正二、松倉文礼、大野英男
  • 学会等名: 2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 松山
• [学会発表] CoFeB-MgO垂直磁化容易磁気トンネル接合における強磁性共鳴のホモダイン検出 (2012)
  • 著者名/発表者名: 水沼広太朗、山ノ内路彦、佐藤英夫、池田正二、金井駿、松倉文礼、大野英男
  • 学会等名: 2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 松山
• [学会発表] 垂直磁化CoFeB-MgO接合における電界誘起磁化反転 (2012)
  • 著者名/発表者名: 金井駿、山ノ内路彦、池田正二、仲谷栄伸、松倉文礼、大野英男
  • 学会等名: 第17回半導体スピン工学の基礎と応用 ; PASPS(Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors)
  • 発表場所: 福岡
• [学会発表] Electric-field induced magnetization switching in CoFeB-MgO with perpendicular anisotropy (2012)
  • 著者名/発表者名: S. Kanai. M. Yamanouchi, S. Ikeda, F. Matsukura, and H. Ohno
  • 学会等名: the 21th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS)
  • 発表場所: Shanghai, china
• [学会発表] Ferromagnetic resonance by means of homodyne detection technique in CoFeB/MgO magnetic tunnel junctions with perpendicular easy axis (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Mizunuma, M. Yamanouchi, H. Sato, S. Ikeda, S. Kanai, F. Matsukura, and H. Ohno
  • 学会等名: the 21th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS)
  • 発表場所: Shanghai, china
• [学会発表] Magnetization Reversal of CoFeB Induced by the Application of Electric Fields (2012)
  • 著者名/発表者名: R Matsukura, S. Kanai, M. Yamanouchi, S. Ikeda, Y. Nakatani, and H. Ohno
  • 学会等名: WPI-AIMIR workshop Topological Functional Materials and Devices
  • 発表場所: Sendai(招待講演)