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IV族強磁性半導体の物性機能の解明とスピン依存伝導素子への応用

研究課題

研究課題/領域番号 16J08275
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
研究機関東京大学

研究代表者

若林 勇希  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2016-04-22 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2016年度)
配分額 *注記
2,300千円 (直接経費: 2,300千円)
2016年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワードトンネル磁気抵抗 / スピントロニクス / 強磁性半導体 / Ge
研究実績の概要

酸化物MgOをIV族強磁性半導体GeFe薄膜の上に成長し、トンネル磁気抵抗(TMR)素子を作製した。また、そのTMR素子の結晶性評価、トンネル伝導及び磁気抵抗の測定を行った。透過型電子顕微鏡(TEM)観察の結果から、単結晶エピタキシャルFe/MgO/GeFe多層構造が作製されていることを確認した。またそのトンネル抵抗はMgO障壁層の膜厚の増加によって指数関数的に大きくなることから、MgO障壁がトンネル障壁として機能していることを確認した。3.5Kでの磁気抵抗測定によって、上部Feと下部GeFe層の磁化の相対的な向きの変化に対応した明瞭なTMR効果の観測に成功した。IV族強磁性半導体を用いたTMR効果の観測は本研究が世界初である。以上の結果より、GeFe中のフェルミーエネルギー付近での伝導キャリアがスピン分極していることが示され、GeFeがスピントロニクス応用へ有望な材料であることが分かった。得られたTMR比は素子の微細化や、GeFe層中のFe原子濃度の増加によって上昇し、Fe原子濃度10.5%、素子サイズ5μmにおいて1.5%の値が得られた。
さらなるTMR比の上昇のためにはGeFeの電子構造の解明が必要不可欠であるが、角度分解光電子分光(ARPES)測定の結果から、GeFeの磁気特性は不純物バンドモデルで説明されることを明らかにした。また、ARPES測定によって得られたバンド構造と第一原理計算との比較から、GeFe中のスピン分極は約70%ほどと非常に大きな値を持つことが明らかになり、このことからもGeFeがスピントロニクス応用へ有望な材料であると言える。
その他の展開としては、Ge中にFeではなくMnを添加したグラニュラー薄膜GeMnやSi基板上にエピタキシャル成長したスピネルCoFe2O4に対するX線磁気円二色性測定を行い、その磁気特性や磁気抵抗の起源を明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

報告書

(1件)
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (8件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (3件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Origin of the large positive magnetoresistance of Ge1-xMnx granular thin films2017

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Wakabayashi, R. Akiyama, Y. Takeda, M. Horio, G. Shibata, S. Sakamoto, Y. Ban, Y. Saitoh, H. Yamagami, A. Fujimori, M. Tanaka, and S. Ohya
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 95 号: 1 ページ: 144171-6

    • DOI

      10.1103/physrevb.95.014417

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Origin of robust nanoscale ferromagnetism in Fe-doped Ge revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy and first-principles calculation2017

    • 著者名/発表者名
      S. Sakamoto, Y. K. Wakabayashi, Y. Takeda, S.-i. Fujimori, H. Suzuki, Y. Ban, H. Yamagami, M. Tanaka, S. Ohya, and A. Fujimori
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 95 号: 7 ページ: 752031-5

    • DOI

      10.1103/physrevb.95.075203

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Electronic structure and magnetic properties of magnetically dead layers in epitaxial CoFe2O4/Al2O3/Si(111) films studied by X-ray magnetic circular dichroism2017

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Wakabayashi, Y. Nonaka, Y. Takeda, S. Sakamoto, K. Ikeda, Z. Chi, G. Shibata, A. Tanaka, Y. Saitoh, H. Yamagami, M. Tanaka, A. Fujimori, and R. Nakane
    • 雑誌名

      arXiv

      巻: 2017

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Tunneling magnetoresistance in trilayer structures composed of group-IV ferromagnetic semiconductor Ge1-xFex, MgO, and Fe2016

    • 著者名/発表者名
      Yuki Wakabayashi, Kohei Okamoto, Yoshisuke Ban, Shoichi Sato, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Express

      巻: 9 号: 12 ページ: 1230011-4

    • DOI

      10.7567/apex.9.123001

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] IV族強磁性半導体GeFeの物性解明と磁気トンネル接合2016

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Wakabayashi
    • 雑誌名

      応用電子物性分科会会誌

      巻: 4 ページ: 143-143

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Electronic structure and magnetic properties of magnetic dead layers in epitaxial CoFe2O4/Al2O3/Si(111) films studied by X-ray magnetic circular dichroism (XMCD)2017

    • 著者名/発表者名
      若林勇希
    • 学会等名
      2017年春季応用物理学会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜
    • 年月日
      2017-04-14
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Origin of the large magnetoresistance in Ge1-xFex granular films2016

    • 著者名/発表者名
      若林勇希
    • 学会等名
      2016年秋季応用物理学会
    • 発表場所
      新潟コンベンションセンター
    • 年月日
      2016-09-13
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] IV族強磁性半導体Ge1-xFexの物性解明と磁気トンネル接合2016

    • 著者名/発表者名
      若林勇希
    • 学会等名
      応用電子物性分科会・スピントロニクス研究会共催「スピントロニクス材料の新展開」
    • 発表場所
      首都大学東京 秋葉原サテライトキャンパス
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演

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公開日: 2016-05-17   更新日: 2024-03-26  

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