スピン・エレクトロニクス創製を目指した量子超構造の第一原理設計

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12650312
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 白井 正文 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (70221306)
• キーワード: スピンエレクトロニクス / スピントロニクス / 第一原理計算 / ハーフメタル / 完全スピン偏極強磁性体 / 閃亜鉛鉱型ヒ化クロム / アンチサイト / 量子超構造

研究概要

スピントランジスタをはじめとする電子スピンの自由度を最大限に生かした電子デバイス(スピントロニクス・デバイス)を創製するための基本技術である半導体へのスピン偏極キャリア注入の高効率化をはかるために、スピン注入源として有望な完全スピン偏極(ハーフメタル)強磁性体ならびにそれを利用した半導体/磁性体量子超構造を電子状態の第一原理計算に基づいて物質設計ならびに物性評価し、本年度は以下の成果を得た。
1.第一原理計算に基づいて平成12年度に物質設計したハーフメタル強磁性体の閃亜鉛鉱型ヒ化クロム(CrAs)において、原子配列の欠陥がそのスピン偏極率に及ぼす影響を評価した。その結果、ヒ素(As)位置を占めたアンチサイトのクロム(Cr)原子の3d軌道からなる不純物バンドが少数スピン状態のエネルギーギャップ内に形成され、このアンチサイトCr原子の濃度が5%を超えるとスピン偏極率が大幅に低下することが見出された。この研究成果は、閃亜鉛鉱型CrAsをスピン注入源として利用する場合、アンチサイトCr原子濃度の抑制に代表される原子配列の制御が重要であることを示唆する。
2.現在のエレクトロニクスにおける基盤材料であるシリコン(Si)をベースとした強磁性材料を第一原理計算に基づいて設計した。結晶中のSi位置を高濃度に遷移金属で置換した(001)面と低濃度に置換した(001)面が交互に積層した量子超構造を想定すると、遷移金属元素がバナジウム(V)・クロム・マンガン(Mn)の場合に強磁性が実現しうることを理論的に明らかにした。この研究成果は、原子層エピタキシー技術を利用したSiベース強磁性材料開発に指針を与えるものである。

研究成果

• [文献書誌] M.Mizuguchi, et al.: "Epitaxial growth of new half-metallic ferromagnet "zinc-blende GrAs" and the substrate temperature dependence"Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 239. 269-271 (2002)
• [文献書誌] M.Mizuguchi, et al.: "Thickness dependence of photoemission spectra in zinc-blende CrAs"Surface Review and Letters. 9・1. 331-334 (2002)
• [文献書誌] M.Mizuguchi, et al.: "Epitaxial growth of zinc-blende CrAs/GaAs multilayer"Journal of Applied Physics. 91・10. 7917-7919 (2002)
• [文献書誌] M.Oshima, et al.: "In-situ photoelectron spectroscopy of magnetic dots and magnetic semiconductor nanostructures"International Journal of Modern Physics B. 16・11-12. 1681-1690 (2002)
• [文献書誌] M.Shirai: "Materials design of Cr-based half-metallic ferromagnets"Journal of Superconductivity. (発表予定). (2003)
• [文献書誌] M.Shirai: "Possible half-metallic ferromagnetism in zincblende CrSb and CrAs"Journal of Applied Physics. (発表予定). (2003)