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2011 年度 実績報告書

スピンエレクトロニクス材料の探索

計画研究

研究領域コンピューティクスによる物質デザイン:複合相関と非平衡ダイナミクス
研究課題/領域番号 22104012
研究機関大阪大学

研究代表者

佐藤 和則  大阪大学, 基礎工学研究科, 特任准教授(常勤) (60379097)

研究分担者 小田 竜樹  金沢大学, 数物科学系, 教授 (30272941)
小倉 昌子  大阪大学, 理学研究科, 助教 (30397640)
野崎 隆行  産業技術総合研究所, ナノスピントロニクス研究センター, 研究員 (60452405)
キーワードスピンエレクトロニクス / 第一原理計算 / オーダーN法 / 磁気異方性 / 電子輸送現象 / 永久磁石
研究概要

H23年度は、半導体スピントロニクスのマテリアルデザインに関して、MgOベース磁性半導体の材料設計を行った。この系は、Mg空孔やN添加により強磁性が発現し、遷移金属の使用無しで磁性があらわれる「d^0強磁性体」であることがKKR-CPA計算により明らかになった。特にMg空孔は第2近接位置に集合しやすく、実効的にパーコレーションしきい値を下げている。このため比較的低濃度のMg空孔で強磁性が発現する。
半導体スピントロニクステバイスのまるごとシミュレーションを目指して層数に対してオーダーN計算が可能な遮蔽KKR法の開発を行い、多層膜構造の電子状態の計算を行ってきたが、この手法に久保公式による電気伝導率計算を組み込んだ。この方法を用いてGaAs PN接合のDC電気伝導を計算した。
金属系スピントロニクスのデザインに関して、外部電界下での磁性薄膜の磁気状熊を、密度汎関数理論に基づいた相対論的2成分擬ポテンシャル第一原理電子状態計算法を用いて研究し、薄膜Pd/Fe/Pd(001)、薄膜:Pt/Fe/Pt(001)、MgO/Fe/Pt(001)およびMgO/Fe/Au(001)の磁気異方性とその電界効果を調べた。評算コードの高速化にも取り組み、MPI並列とOnenMP並列を組み合わせたハイブリッド並列計篁や、これとGPU(graphics processing unit)を組み合わせた計算を可能にした。関連する実証実験としてPd/超薄膜Fe/MgO接合構造における電圧磁気異方性制御の実験を行った。
関連研究として、Feにおいて、VやCrのような遷移金属元素添加により磁性が増大することを第一原理電子状態計算により発見し、永久磁石材料デザインの新しい方向性を示した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

磁性半導体について当初の計画に含まれていた同時ドーピンング法によるデザインが発展し、LiZnAsベース磁性半、導体やMgOベースd^O磁性体等の新物質の提案につながった。また、関連研究として提案していた新型永久磁石材料のデザイン指針が得られた。磁気異方性制御に関しては、実験と理論が互いに批判的な立場で共同研究が進んでいる。

今後の研究の推進方策

金属系スピントロニクスに関しては、接合薄膜MgO/Fe/M(001)(M=Pt,Pd,Au)に加え、MgO/Fe/(PdFe)_n/Pd(001)、MgO/Fe(1-x)Co(x)/Au(001)等に応用し電界印加による磁気異方性制御法のデザインを行う。実証実験では、原子相互積層法により作製したFe1PtもしくはFe/Pd系薄膜における垂直磁気異方性、および電圧印加効果を調べ、理論との比較を通して起源解明に取り組む。
半導体スピントロニクス材料の設計では、今までは同時ドーピング法に注目し均一な磁性不純物添加を目指してきたが、ナノ構造の自己組織化を用いる方向にデザインを進めていく。そのために、クラスター展開法のコード整備を行う。オーダーN法については引き続きデバイスの丸ごとデザインに向けたコード整備を行っていく。

  • 研究成果

    (22件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 8件) 学会発表 (13件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] First-principles study of the magnetic properties of nitrogen-doped alkaline earth metal oxides2012

    • 著者名/発表者名
      Masayoshi Seike, Van An Dinh, Kazunori Sato, Hiroshi Katayama Yoshida
    • 雑誌名

      Physica B : Condensed Matter

      巻: (印刷中)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electronic structure and magnetism of IV-VI compound based magnetic semiconductors2012

    • 著者名/発表者名
      K.Sato, H.Katayama-Yoshida
    • 雑誌名

      Journal of Non-Crystalline Solids

      巻: (印刷中)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Computational materials design of filled tetrahedral compound magnetic semiconductors2012

    • 著者名/発表者名
      K.Sato, H.Katayama-Yoshida
    • 雑誌名

      Physica B : Condensed Matter

      巻: (印刷中)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electric-field induced ferromagnetic resonance excitation in an ultrathin ferromagnetic metal layer2012

    • 著者名/発表者名
      T.Nozaki, Y.Shiota, S.Miwa, S.Murakami, F.Bonell, S.Ishibashi, H.Kubota, K.Yakushiji, T.Saruya, A.Fukushima, S.Yuasa, T.Shinjo, Y.Suzuki
    • 雑誌名

      Nature Physics

      巻: (印刷中)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of atomic monolayer insertions on electric-field-induced rotation of magnetic easy axis2012

    • 著者名/発表者名
      M.Tsujikawa, S.Haraguchi, T.Oda
    • 雑誌名

      J.Appl.Phys

      巻: (印刷中)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhancement of Magnetism of Fe by Cr and V2011

    • 著者名/発表者名
      M.Ogura, H.Akai, J.Kanamori
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 80 ページ: 104711(6pages)

    • DOI

      DOI:10.1143/JPSJ.80.104711

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Time benchmarks for the OpenMP and GPU parallelized calculation in the planewave pseudopotential density functional approach2011

    • 著者名/発表者名
      J.Gotou, S.Haraguchi, M.Tsujikawa, T.Oda
    • 雑誌名

      Recent Development in Computational Science (ISSN2223-0785)

      巻: 2 ページ: 17-25

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-pressure crystal structure prediction, using evolutionary algorithm simulation2011

    • 著者名/発表者名
      A.M.Hanna, T.Yoshizaki, M.A.Martoprawiro, T.Oda
    • 雑誌名

      Recent Development in Computational Science (ISSN2223-0785)

      巻: 2 ページ: 37-45

    • 査読あり
  • [学会発表] MgOベースd^0強磁性体の計算機マテリアルデザイン2012

    • 著者名/発表者名
      清家聖嘉, Van An Dinh, 福島鉄也, 佐藤和則, 吉田博
    • 学会等名
      2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学早稲田キャンパス,東京、日本
    • 年月日
      2012-03-16
  • [学会発表] Defect-Induced High-Tc Ferromagnetism and Spinodal Nanodecomposition in MgO2012

    • 著者名/発表者名
      Masayoshi Seike, Tetsuya Fukushima, Kazunori Sato, Hiroshi Katayama-Yoshida
    • 学会等名
      APS March Meeting 2012
    • 発表場所
      Boston, Massachusetts, USA
    • 年月日
      2012-02-27
  • [学会発表] Magnetism in Hole-doped MgO2011

    • 著者名/発表者名
      Masayoshi Seike, Kazunori Sato, Hiroshi Katayama-Yoshida
    • 学会等名
      第16回半導体スピン工学の基礎と応用(PASPS-16)
    • 発表場所
      東京工業大学、神奈川、日本
    • 年月日
      2011-11-28
  • [学会発表] スピンエレクトロニクス材料の探索2011

    • 著者名/発表者名
      佐藤和則
    • 学会等名
      第5回物性科学領域横断研究会(領域合同研究会)
    • 発表場所
      東北大学片平キャンパス金属材料研究所、仙台、日本(招待講演)
    • 年月日
      2011-11-19
  • [学会発表] Voltage induced magnetization dynamics in an ultrathin FeCo layer2011

    • 著者名/発表者名
      T.Nozaki
    • 学会等名
      Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials
    • 発表場所
      Scottsdale, USA(Invited)
    • 年月日
      2011-11-01
  • [学会発表] Toward a computer modeling in magnetic anisotropy and its electric-field-control for nano-structures2011

    • 著者名/発表者名
      Tatsuki Oda
    • 学会等名
      International Workshop on Computational Science and Application in nanoscience and nanotechnology
    • 発表場所
      Hanoi University of Science, Hanoi, Vietnam(Invited)
    • 年月日
      2011-10-31
  • [学会発表] ナノ構造の磁気異方性と電界効果2011

    • 著者名/発表者名
      小田竜樹
    • 学会等名
      PF研究会「磁性薄膜・多層膜を究める:キャラクタリゼーションから新奇材料の創製へ」
    • 発表場所
      KEK研究本館小林ホール,つくば市、日本(招待講演)
    • 年月日
      2011-10-15
  • [学会発表] FeCo/MgO接合系における電界誘起磁気異方性制御2011

    • 著者名/発表者名
      野崎隆行
    • 学会等名
      日本物理学会2011年秋季大会
    • 発表場所
      富山大学、富山、日本(招待講演)
    • 年月日
      2011-09-22
  • [学会発表] 磁性薄膜の第一原理計算と磁気異方性2011

    • 著者名/発表者名
      小田竜樹
    • 学会等名
      東京大学物性研究所計算物質科学研究センター第1回シンポジウム
    • 発表場所
      東京大学物性研究所、千葉、日本(招待講演)
    • 年月日
      2011-09-13
  • [学会発表] 磁気異方性の第一原理計算と制御2011

    • 著者名/発表者名
      小田竜樹
    • 学会等名
      CMSI(Computational Materials Science Initiative)元素戦略WG「磁性の部」実験計算連携検討会
    • 発表場所
      東京大学本郷キャンパス理学部4号館、東京、日本(招待講演)
    • 年月日
      2011-07-29
  • [学会発表] Voltage control of magnetic anisotropy in an ultrathin ferromagnetic metal film2011

    • 著者名/発表者名
      T.Nozaki
    • 学会等名
      5^<th> International Workshop on Spin Currents
    • 発表場所
      Sendai International Center, Sendai, Japan(Invited)
    • 年月日
      2011-07-26
  • [学会発表] First-Principles Study of the Magnetic Properties of Nitrogen-doped Alk aline Earth Metal Oxides2011

    • 著者名/発表者名
      M.Seike, V.A.Dinh, K.Sato, H.Katayama-Yoshida
    • 学会等名
      26th International Conference on Defects in Semiconductors (ICDS-26)
    • 発表場所
      Nelson, New Zealand
    • 年月日
      2011-07-22
  • [学会発表] Voltage-induced magnetic anisotropy change in ultrathin Fe(Co)/MgO junctions2011

    • 著者名/発表者名
      T.Nozaki
    • 学会等名
      2011 MRS Spring Meeting and Exhibit
    • 発表場所
      San Francisco, USA(Invited)
    • 年月日
      2011-04-26
  • [図書] シミュレーション辞典2012

    • 著者名/発表者名
      佐藤和則(分担執筆)
    • 総ページ数
      452
    • 出版者
      コロナ社

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公開日: 2013-06-26  

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