| 研究課題/領域番号 |
20H02196
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21060:電子デバイスおよび電子機器関連
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| 研究機関 | 茨城大学 |
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研究代表者 |
小峰 啓史 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 准教授 (90361287)
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| 研究分担者 |
青野 友祐 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (20322662)
長谷川 靖洋 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (60334158)
千葉 貴裕 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (90803297)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2023年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2021年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2020年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
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| キーワード | トポロジカル絶縁体 / スピン軌道トルク / 磁気異方性 / 界面制御 / 電界制御 / 磁気メモリ / 低消費電力 / 磁壁移動型メモリ / 低電力動作 / 磁性絶縁体 / ダンピング定数の電界制御 / スピン波情報処理 / 閾値電流 / 磁気トポロジカル絶縁体 / 磁気異方性の電界制御 / FET型メモリ素子 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
磁壁移動型メモリ実現のためには，低消費電力・高速動作を両立する必要があり，スピン軌道トルクの積極的な利用に加えて，磁壁ピニングを抑制する構造上の工夫が必要である．本研究では，電荷-スピン変換を磁壁に効率よく伝達するため，トポロジカル絶縁体と磁性体の界面状態を理解する．磁性層/トポロジカル絶縁層界面の電子状態解析，及び，異常ホール抵抗のハーモニック解析を通じて，大きな界面スピン軌道トルクを誘起するための材料および界面制御方法を探索する．低電流駆動およびロバストネス向上のため，磁壁ピニング効果を抑制するための軟磁性被覆構造も併行して検討し，低消費電力・高速動作を両立する基本原理を明らかにする．
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| 研究実績の概要 |
本研究では，低消費電力・高速動作を両立するスピントロニクスデバイスを目指し、界面におけるスピン軌道トルクの積極的に利用した新しい素子構造を検討した。電荷-スピン変換を磁壁に効率よく伝達するため，ビスマス系化合物，特にトポロジカル絶縁体と磁性体の界面状態を目指した。磁性層/トポロジカル絶縁層界面の電子状態解析，及び，異常ホール抵抗測定を通じて、界面電子状態を調べたところ、狭いdバンドがフェルミ面にかかることから、トポロジカル絶縁体の界面状態を有効活用出来ないことがわかった。一方で、磁性絶縁体とトポロジカル絶縁体の接合による界面状態を電圧制御することで、界面おける大きなスピン軌道トルクを誘起することが可能である。さらに、界面状態のスピン-運動量ロッキングを使うと、電圧により磁気異方性が制御出来る可能性を明らかにした。つまり、ゲート電圧印加によって磁気異方性およびスピン軌道トルクの同時制御が可能となる。このような磁気トポロジカル絶縁体素子を提案し、電圧による磁化反転を解析したところ、磁気トンネル接合よりも低電力(1V未満)で動作可能であり、消費電力が低いスピントロニクスデバイスの可能性(0.1fJ/bit未満)を示唆した。加えて、熱揺らぎがある下での磁化反転シミュレーションを行い、実用化に重要な書き込みエラー率を調べたところ、100nmスケール素子において実用に十分な書き込みエラー率が実現出来る可能性を明らかにした。
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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