液体薄膜スピントロニクスの開拓

研究課題

研究課題/領域番号	23K13658
研究種目	若手研究
配分区分	基金
審査区分	小区分29010:応用物性関連
研究機関	お茶の水女子大学
研究代表者	高橋遼お茶の水女子大学, 基幹研究院, 講師 (30782023)
研究期間 (年度)	2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス	交付 (2024年度)
配分額 *注記	4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円) 2025年度: 130千円 (直接経費: 100千円、間接経費: 30千円) 2024年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円) 2023年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
キーワード	抵抗加熱蒸着 / 基板冷却 / スピントロニクス / 液体薄膜
研究開始時の研究の概要	液体金属薄膜を用いて、液相へのスピン角運動量注入の実証、スピン流注入による動的なナノレオロジー特性の実証を行う。スピントロニクスの中心概念は、スピン流と物質内の角運動量との相互変換にあり、力学的回転もその一つである。流動する液体金属の渦度（局所的回転）からスピン流を生成する実験、理論に基づき、その相反性によれば、液体にスピン角運動量を注入することで散逸的な渦度を生じさせ、注入界面における実効的な粘性の変化を与えられることが示唆される。そこで本研究では、固体で行われているスピントロニクスを、液体薄膜にまで拡張するとともに、スピン流を用いた角運動量変換による新たなナノレオロジー現象の開拓を目指す。
研究実績の概要	本研究では、液体金属薄膜を作製し液相へのスピン角運動量注入を実験的に実証、スピン流注入による動的なナノレオロジー現象を実験的に実証することを目的としている。研究代表者らにより液体金属の渦度からスピン流を生成する現象が実証されてきたが、相反性を考慮すると、液体へのスピン角運動量注入により、散逸的な渦度を生じさせ、注入界面における実効的な粘性の変化を与えることが可能となる。本研究ではこの相反性を基軸として、スピントロニクスを液体薄膜にまで拡張するとともに、スピン流による角運動量変換を用いたナノレオロジー現象の開拓を目指している。本課題では研究を３段階に分け推進する計画となっている。すなわち、①Gaの固相薄膜の作製と、渦度-スピン流変換係数の決定、②Ga薄膜に対しスピンポンピング法を用いた実験により、固相から液相にまたがるスピン流物性の解明、③スピンポンピングとナノ表面力の同時測定を通した、スピン流注入によるナノレオロジー現象の観測である。本研究課題１年目に導入した固相Gaを成膜するための抵抗加熱蒸着装置に対し、本年度は、基板冷却機構を本格実装し成膜実験を行った。対象物質であるGaは融点が約30℃と低く、その薄膜は固相の単結晶状態では量子サイズ効果がみられ、液相ではアモルファスに近い短距離秩序構造が空間的に勾配をもちうる。本冷却機構では、任意の低温で基板を冷却しながらの抵抗加熱蒸着を可能とし、これにより上述の特長を有するGaの固相薄膜成膜を試みた。当該年度ではしかしながら、成膜されたGaの酸化が問題となり、本研究課題で必要となる金属性を保持したGa薄膜の作製には至っていない。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 4: 遅れている理由液体金属薄膜を用いて、液相へのスピン角運動量注入の実証、スピン流注入による動的なナノレオロジー特性の発現という目的達成に対し、現在までに、液相へ相転移させることを目的とした固相Ga薄膜作製のための抵抗加熱蒸着装置において、基板冷却機構を本実装し、複数の条件で成膜を実施、元素分析試験など評価を行った。当該年度に本実装した基板冷却装置は、低融点金属であるGaの成膜において、成膜時の基板昇温を抑制するうえで重要となる。固相Gaは、様々な結晶構造の単結晶およびアモルファス構造を有するが、本課題における成膜条件では、室温付近かつ気相からの成膜であるため、通常の単結晶α-Gaが成膜されると予測される。本基板冷却機構は、基板ホルダーを改良し、蒸着装置外部から液体窒素を基板設置部分まで導入、ホルダー金属の熱伝導を介して基板を冷却する。これにより約-175℃までの冷却が可能となり、液体窒素導入量、導入レートの調整により目的温度で基板を保持することが凡そ可能となる。基板は合成石英を用い、成膜時の温度、成膜後の温度を約-175℃からGaの融点である約30℃の範囲の複数点で条件を変え成膜を実施した。成膜レートは段差測定により約1 nm/minであるが、全ての薄膜に金属光沢は見られず、電気伝導性も確認できていない。一方で、SEM/EDSを用いた表面元素分析により、現状作製されている薄膜ではGaの酸化が示唆された。本研究課題２年目では、固相金属Gaの成膜を完了させ、スピン流物性の測定、および液体薄膜への融解試験に取り掛かる計画であった。上述の進捗状況は遅れていると評価する。
今後の研究の推進方策	本研究課題３年目では、まず固相の金属Ga薄膜の成膜を早期に実現させる。基板に対し金属膜を成膜し、これを中間層としてGa膜の成膜を実施することで条件の改善を行う。続いて、フェリ磁性体YIG（Yttrium Iron Garnet）などを基板とした、YIG/中間金属層/Ga膜の作製を実施する。これを用いてスピンポンピング測定を行うことで、本研究課題の1段階目にあたる渦度-スピン流変換係数の決定を行う。膜厚を1 μm以下の範囲で変化させることで、スピンポンピング測定により、固相Gaにおけるスピンミキシングコンダクタンス、スピン拡散長、スピンホール角などのスピン流物性値が実験的に解明でき、間接的に変換係数の見積もりが可能となる。続いて、本研究の2段階目にあたる固相から液相にわたるスピン流物性の解明に従事する。固液相転移は精密圧力制御器を用い加圧により実現させる。液相に相転移した際に、基板との接触角によって球状化することを避けるため、PDMSあるいはシリカ膜で全体を覆うことを検討している。また、液相Gaの閉じ込めにおいては、マイクロ流体工学の技術援用も検討する。上記１、２段階目に並行してナノ表面力測定のセットアップの構築を進め、本研究の3段階目にあたるスピン流注入によるナノレオロジーの実証実験を行う。以上までに得られた研究成果は、関連分野の学術会議、学術論文で発表していく。