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本研究課題では、走査型プローブ顕微鏡(SPM)を用いた新しいリソグラフィー技術:SPM局所反応場制御リソグラフィーの開発を行い、新しいナノデバイス作製技術としての応用を目指している。本手法では、原子間力顕微鏡(AFM)などのSPM探針にバイアス電圧を加え、探針周囲の雰囲気環境を制御することで探針直下に局所的な化学反応場を誘起し、母材料を化学的に反応修飾させ、その後、得られた反応物質の選択的なエッチングによりナノメートル級リソグラフィーを実現する。平成12年度では、局所化学反応場として酸化反応場を、また、母材料として強磁性体薄膜であるNiFeやCrを選択し、これまでに報告例の無い強磁性体金属材料に対するSPM局所反応場制御リソグラフィー技術の開発を重点的に行った。これを受け、平成13年度では、本手法の更なる洗練化を行うとともに、新しいデバイスシステムとして強磁性単電子デバイスの提案を行い、以下の知見を得た。
(1)酸化反応場を用いたSPM局所反応場制御リソグラフィー技術により強磁性体酸化物(NiFe酸化物やCr酸化物)からなるナノ構造の形成が可能であり、SPM探針での印加バイアス電圧や走査速度により、得られる強磁性ナノ構造のサイズを制御することが可能である。
(2)様々な変調方式を有する強磁性単電子トランジスタの提案を行った。具体的には、ゲート電極と中央電極がキャパシタにより静電的に結合されている容量結合型強磁性単電子トランジスタと、ゲート電極と中央電極が抵抗体により結合されている抵抗結合型強磁性単電子トランジスタについて提案した。これより、磁性と単電子帯電効果を基礎とした、新しいナノデバイスとしての実現可能性を明らかにした。
(3)(2)で提案した強磁性単電子デバイスの理論的検討を行った。解析にはモンテカルロ法を用い、単電子の挙動に伴うデバイスの電気的特性・トンネル磁気抵抗特性について、動作温度や印加電圧条件をパラメータとして詳細に検討した。これより、磁性と単電子帯電効果の競合作用により生じるトンネル磁気抵抗効果の増大という新しい現象を、デバイス機能として用いる事が可能であることを明らかにした。
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