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強磁性金属を用いた微小多重トンネル接合では、スピンに依存した単一電子トンネル効果が発現する。このスピン依存単一電子トンネル効果は、次世代の大容量不揮発磁気ランダムアクセスメモリ等のスピンエレクトロニクスデバイスへの応用の可能性を有しており、これまで種々の基礎研究が行なわれてきた。研究代表者らのグループでは、Coナノ粒子がアルミナ母相中に密に分散したグラニュラー薄膜を用いて、単一電子トンネル素子を作製し、その特徴的な振る舞いや新規な現象を明らかにしてきたが、Co-Al-Oグラニュラー薄膜の粒径や粒間距離の分布のために系統的なデータの取得が困難であり、解決すべき問題も少なくない。
本研究課題では、島状成長モードを利用したナノスケールの磁性ドットの作製とそのスピン依存単一電子トンネル効果への応用を検討した。Fe(100)単結晶膜上にMgOトンネルバリアをエピタキシャル成長させ、その原子オーダーで平坦な表面上にFeドットの成長を試みた。さらにその上に上部MgOバリアとCo電極をエピタキシャル成長させた。電子顕微鏡で観察された試料構造は極めた平坦であり、磁性ドットと上下電極の距離が良く定義されたものとなっている。このような構造制御性に優れた構造では、明瞭なスピン依存単一電子トンネル効果が発現すると考えられ、実際にその伝導特性の測定において、明瞭なクーロン階段とトンネル磁気抵抗効果の振動現象を観測することができた。クーロン階段から評価したFeドットの帯電エネルギーは電子顕微鏡と走査トンネル顕微鏡によって見積もられた粒子サイズとコンシステントであった。
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