室温マルチフェロイック薄膜における電場印加磁化反転機構の解明とデバイス動作実証

• 研究課題/領域番号: 20K21092
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分26:材料工学およびその関連分野
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 北條 元 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (90611369)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2021年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2020年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
• キーワード: マルチフェロイック / 走査透過電子顕微鏡 / 分極反転機構 / 透過電子顕微鏡

研究開始時の研究の概要

磁性と強誘電性が共存したマルチフェロイック物質において、電場による磁化の制御が可能であれば低消費電力の磁気メモリを実現できる。本研究では、室温で弱強磁性と強誘電性が共存したマルチフェロイックBiFe0.9Co0.1O3に着目し、まずはその電気分極反転機構を解明することで、電気分極反転に伴う磁化反転の可能性について検討する。続いて、実際に素子構造の作製し、電極を用いた電場印加による磁化反転の実証を試みる。

研究成果の概要

ペロブスカイト型酸化物BiFe1-xCoxO3は室温で強誘電性秩序と弱強磁性秩序が共存したマルチフェロイック物質である。本研究では、電場印可による電気分極の反転により磁化反転が起こる機構を解明することを目指して研究を推進した。BiFe1-xCoxO3と同じ結晶構造をもつBiFeO3に着目し、弱強磁性の向きを決めているとされるFe-O6八面体の回転パターンを、原子分解能の走査透過電子顕微鏡を用いて直接観察することに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の目的はBiFe1-xCoxO3をベースとして、電場により制御可能な、新しい原理に基づいた低消費電力の磁気メモリ実現のための路を拓くことである。電場印可による磁化反転の際に鍵となるFe-O6八面体の回転パターンを直接観察することに成功したことは、その機構解明のための大きな一歩となる成果である。また、電気分極の反転機構自体も、強誘電体研究の重要な研究テーマの1つである。八面体回転パターンの直接観察という新しい方法論を提案することができたと考えている。

研究成果

• [雑誌論文] Magnetic Ordering and Structural Transition in the Ordered Double-Perovskite Pb2NiMoO6 (2022)
  • 著者名/発表者名: Jianfa Zhao, Xiao Wang, Xi Shen, Christoph J Sahle, Cheng Dong, Hajime Hojo, Yuki Sakai, Jun Zhang, Wenmin Li, Lei Duan, Ting-Shan Chan, Chien-Te Chen, Johannes Falke, Cheng-En Liu, Chang-Yang Kuo, Zheng Deng, Xiancheng Wang, Richeng Yu, Runze Yu, Zhiwei Hu, Martha Greenblatt, Changqing Jin
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 34 号: 1 ページ: 97-106
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c02826
• [雑誌論文] Observation of novel charge ordering and spin reorientation in perovskite oxide PbFeO3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Ye Xubin、Zhao Jianfa、Das Hena、Sheptyakov Denis、Yang Junye、et. al.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 1917-1917
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22064-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced Piezoelectric Response in Orientation-Controlled BiFe1-xGaxO3 Thin Films with Polarization Rotation (2021)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Shimizu, Hajime Hojo, Masaki Azuma
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 3 号: 10 ページ: 4459-4464
  • DOI: 10.1021/acsaelm.1c00616
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional Transition Metal Perovskite Oxides with 6s2 Lone Pair Activity Stabilized by High-Pressure Synthesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki Azuma, Hajime Hojo, Kengo Oka, Hajime Yamamoto, Keisuke Shimizu, Kei Shigematsu, and Yuki Sakai
  • 雑誌名: Annual Review of Materials Research 巻: 51 号: 1 ページ: 329-349
  • DOI: 10.1146/annurev-matsci-080819-011831
  • 査読あり
• [雑誌論文] 次世代低消費電力メモリを実現するマルチフェロイック材料の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 重松圭、東正樹、北條元
  • 雑誌名: グリーンテクノロジー 巻: 1 ページ: 47-51
• [雑誌論文] BiFe1-xCoxO3薄膜のスピン構造変化～電場による磁化の反転に成功、次世代低消費電力磁気メモリ実現の道拓く～ (2020)
  • 著者名/発表者名: 東正樹、重松圭、北條元、壬生攻
  • 雑誌名: NanotechJapan Bulletin 巻: 13 ページ: 1-5
• [備考] 九州大学 大学院総合理工学府 永長・北條研究室
  • URL: https://einaga-lab.weebly.com