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2012 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(系)研究科(研究院), 助教 (30397640)
野崎 隆行  独立行政法人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)
研究期間 (年度) 2010-04-01 – 2015-03-31
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
研究実績の概要

半導体スピントロニクスのためのマテリアルデザインに関して以下の3つの方向性を提案した。(1)ドナー不純物を磁性不純物と同時にドーピングすることで磁性不純物の高濃度添加を実現する(同時ドーピング法)、(2)相分離を利用して磁性不純物を高濃度に含むナノ構造を自己組織化させる、(3)磁性不純物の固溶度の高い半導体を新しく提案する。H24年度は、(2), (3)に関連するマテリアルデザインとして、IV-VI族化合物半導体およびMgOベース磁性半導体のデザインを行った。特に、IV-VI族化合物半導体GeTeはMnの固溶度が高く、Ge空孔の導入によりp型にできるためHigh-Tc実現の可能性があることがわかった。また、半導体スピントロニクスデバイスデザインを目指して、KKR法非平衡グリーン関数法による半無限Co/Cu9/Co15/半無限Cu構造の伝導度とスピン移行トルクの計算、遮蔽グリーン関数法による大規模スーパーセル系の電子状態計算をおこなった。

金属系スピントロニクスのデザインについては、外部電界下での磁性薄膜の磁気状態を、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ている。計算コードのハイブリッド並列化をすすめ、膜に印加する電界毎に、(001)と(100)の2方向の磁化に対する全エネルギー計算の差を求めることで、接合膜(誘電体層/金属磁性層)の磁気異方性エネルギー(MAE)を見積もった。本年度は、MgO/金属磁性層の薄膜、Fe3Co薄膜の研究を行った。対応する実証実験として、原子交互積層法によるFe/Pt垂直磁化膜の作製、希土類金属(Gd)を磁性電極に用いた磁気トンネル接合素子の作製、を行った。

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

半導体スピントロニクスのためのマテリアルデザインとして本年度までに、(Ga, Mn)AsにおけるCu同時添加の効果、LiZnAsベース磁性半導体やMgOベースd0磁性体のデザインなどを行ってきたが、これらの研究で得られた知識を集大成しキュリー温度上昇のための物質デザインの一般的な指針を与えることができた。この指針の提案はIV-VI化合物ベース磁性半導体の設計につながった。また、オーダーN法による電子状態計算コードの開発も順調にすすんでいる。多層膜構造についてはセルフコンシステント電子状態計算と久保公式による電気伝導率計算が可能となっており、デバイスの基本構造であるPN接合の計算を現実的な長さスケールで行うことが可能である。本方法は計算アルゴリズムの工夫により3次元系でも有効となっている。

金属系スピントロニクスのためのマテリアルデザインとそのためのコード開発も順調に進展しており、外部電界下での磁性薄膜の磁気状態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予測することが可能となっている。開発したソフトウェアは、M/Fe/M (M=Pt, Pd)のような金属磁性薄膜やMgO/Fe/M (M=Au, Pt)のような接合薄膜に適用し磁気異方性への電界効果を大きくするための指針を与えた。接合薄膜系のデザインでは実証実験との比較も進展し、Ag/Fe/MgO, Au/Fe/MgO, Pd/Fe/MgO, Pt/Fe/MgOでの電圧誘起磁気異方性変化の実証実験が計算機デザインと連携しつつ進展している。

以上のことから当初研究目標は十分達成され計画以上に進んでいると評価する。

今後の研究の推進方策

半導体スピントロニクスのデザインでは、本年度までの成果をもとに3つの設計指針を提案し、それに基づきIV-VI族磁性半導体のデザインを開始した。本物質は半導体の系としては遷移金属の固溶度が高い特異な系である。この特性を利用したHigh-Tc磁性半導体のデザインを推し進めていく一方、高固溶度の起源を電子状態に立ち返って検討し新規母体材料の提案につなげる。オーダーN計算については、コードの整備がすすみデバイスデザインのプロトタイプができたと考えている。今後は、より現実的な半導体スピントロニクスデバイスデザインに向けた計算コードの整備を行っていく。

金属系スピントロニクスのデザインでは、主に界面(誘電体層/金属磁性層)を有する膜を計算対象としてきた。将来的に誘電体層として有機結晶や有機溶媒といった物質を用いること視野にいれ、こういった物質層の構造を決める重要な相互作用であるファンデルワールス力を採り入れた物質デザインも検討する。この点についてはすでに方法論を研究開発してきている公募班との共同研究を考えている。また、金属磁性層としてはこれまでFeを考えてきたが、FeCoやFeCoB合金も検討し実証実験との緊密な連携をはかる。一方、実験をより計算機デザインに近い状況で実施し精度の高い実証をおこなうため、原子交互積層法による磁化膜の作製を行っていく。さらにデザインに先行してGdを磁性電極とする系についての実験も行っていく。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2013 2012

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 10件) 学会発表 (9件) (うち招待講演 9件)

  • [雑誌論文] Fabrication of Fe/MgO/Gd magnetic tunnel junctions2013

    • 著者名/発表者名
      Y. T. Takahashi, Y. Shiota, S. Miwa, F. Bonell, N. Mizuochi, T. Shinjo, and Y. Suzuki
    • 雑誌名

      IEEE Transaction on Magnetics

      巻: in printing ページ: in printing

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Self-Organized Nanostructures and High Blocking Temperatures in MgO-based d0 Ferromagnets2012

    • 著者名/発表者名
      M. Seike, V. A. Dinh, T. Fukushima, K. Sato and H. Katayama Yoshida
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys.

      巻: 51 ページ: 050201 (1-3)

    • 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 and H. Katayama-Yoshida
    • 雑誌名

      J. Non-crystal. Sol.

      巻: 358 ページ: 2377-2380

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Computational materials design of filled tetrahedral compound magnetic semiconductor2012

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

      Physica B

      巻: 407 ページ: 2950-2953

    • 査読あり
  • [雑誌論文] First-principles KKR-CPA calculation of the magnetic and transport properties of La1-xXxMnO3 (X = Ca, Sr)2012

    • 著者名/発表者名
      M. Ogura and H. Akai
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Condensed Matter

      巻: 24 ページ: 455501 (1-6)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of spin-wave excitations in half-metallic materials2012

    • 著者名/発表者名
      N. H. Long, M. Ogura, and H. Akai
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 85 ページ: 224437 (1-6)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] First-principles investigation of chemical and structural disorder in magnetic Ni2Mn1+xSn1-x Heusler alloys2012

    • 著者名/発表者名
      V. V. Sokolovskiy, V. D. Buchelnikov, M. A. Zagrebin, P. Entel, S. Sahool, and M. Ogura
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 86 ページ: 134418 (1-11)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Interface atomic structures and magnetic anisotropy of Fe and Pd/Fe monatomic films on Pd(001)2012

    • 著者名/発表者名
      T. Ueno, M. Sawada, K. Furumoto, T. Tagashira, S. Tohoda, A. Kimura, S. Haraguchi, M. Tsujikawa, T. Oda, H. Namatame, and M. Taniguchi
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 85 ページ: 224406(1-11)

    • 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: 111 ページ: 083910(1-4)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 強磁性超薄膜における磁気異方性と電界制御の理論的研究2012

    • 著者名/発表者名
      小田竜樹、原口辰也、辻川雅人
    • 雑誌名

      応用電子物性分科会会誌

      巻: 18-5 ページ: 170-175

    • 査読あり
  • [学会発表] 強磁性超薄膜における磁気異方性と電界制御2013

    • 著者名/発表者名
      小田竜樹
    • 学会等名
      高エネルギー加速器研究機構(KEK)-筑波大学等連携支援事業研究会“磁気異方性の起源と放射光実験”
    • 発表場所
      筑波大学第3エリアB棟
    • 年月日
      2013-03-01 – 2013-03-01
    • 招待講演
  • [学会発表] 磁性の電界制御の現状と将来展望2013

    • 著者名/発表者名
      小田竜樹
    • 学会等名
      東北大学電気通信研究所情報通信共同研究拠点平成24年度共同プロジェクト研究発表会“新世代ICTの羅針盤”
    • 発表場所
      学術総合センター
    • 年月日
      2013-02-28 – 2013-02-28
    • 招待講演
  • [学会発表] 電子添加されたTl/Si(111)表面における光電子分光スペクトルへの考察2013

    • 著者名/発表者名
      小田竜樹
    • 学会等名
      東京大学物性研究所共同利用スーパーコンピュータ計算物質科学研究センター(CCMS)・元素戦略プロジェクト合同研究会 “計算物性物理学の新展開”
    • 発表場所
      東京大学物性研究所
    • 年月日
      2013-01-11 – 2013-01-11
    • 招待講演
  • [学会発表] 強磁性超薄膜における磁気異方性と電界制御の理論的研究2012

    • 著者名/発表者名
      小田竜樹
    • 学会等名
      応用物理学会応用電子物性分科会・スピントロニクス研究会 共催研究会 “強磁性体のスピン制御技術とその展望”
    • 発表場所
      首都大学東京・秋葉原サテライトキャンパス12階
    • 年月日
      2012-11-21 – 2012-11-21
    • 招待講演
  • [学会発表] Computational Nano-materials Design and Realization for Semiconductor Spintronics: Control of Defect and Spinodal Nano-Decomposition2012

    • 著者名/発表者名
      K. Sato
    • 学会等名
      Core-to-core Groningen workshop 2012
    • 発表場所
      Groningen, The Netherlands
    • 年月日
      2012-11-18 – 2012-11-21
    • 招待講演
  • [学会発表] Computational Design of Oxide-based Spintronics Materials2012

    • 著者名/発表者名
      K. Sato
    • 学会等名
      Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculation (ASIAN-15)
    • 発表場所
      National Taiwan University, Taipei, Taiwan
    • 年月日
      2012-11-05 – 2012-11-07
    • 招待講演
  • [学会発表] Spin dynamics in FeCo ultrathin films exterted by voltage pulses2012

    • 著者名/発表者名
      T. Nozaki
    • 学会等名
      International Conference of the Asian Union of Magnetics Societies
    • 発表場所
      Nara
    • 年月日
      2012-10-02 – 2012-10-05
    • 招待講演
  • [学会発表] Voltage control of spin dynamics and spin-filtering effect in fully epitaxial magnetic tunnel junctions2012

    • 著者名/発表者名
      T. Nozaki
    • 学会等名
      International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces
    • 発表場所
      Shanghai
    • 年月日
      2012-09-24 – 2012-09-28
    • 招待講演
  • [学会発表] Computational Nano-materials Design and Realization for Semiconductor Spintronics: Control of Defect and Spinodal Nano-Decomposition2012

    • 著者名/発表者名
      K. Sato
    • 学会等名
      Gordon Research Conference on Defects in Semiconductors
    • 発表場所
      Biddeford, ME, USA
    • 年月日
      2012-08-12 – 2012-08-17
    • 招待講演

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公開日: 2018-02-02  

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