垂直磁化マルチフェロイック構造の設計と電圧磁化制御

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H02292
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 伊藤 満 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (30151541)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: マルチフェロイックス / k-アルミナ / 薄膜 / 結晶ドメイン / 磁性 / 強誘電性

研究実績の概要

本研究では従来、物性物理の基礎研究（極低温）の１分野であったマルチフェロイックの研究を実用的レベルに到達させるため、エネルギー消費の少ない電圧印加で磁化反転制御が可能な室温動作型メモリデバイスのプロトタイプ構造を設計作製し、そのメモリ基本動作を検証することを目的とする。この目的達成のため、単一構造で強（フェリ）磁性／強誘電性が共存する均一系と強（フェリ）磁性体／強誘電体ヘテロ接合系の２つのマルチフェロイック結晶・デバイス構造を平行して設計・作製し、両構造で結晶構造および基板を介した磁気異方性の制御を行うことで、強（フェリ）磁性体の垂直磁化を実現し、電圧印加による磁化反転制御を試みる。本年度は前年度最適化された基板の種類と方位の組み合わせを微細にチューニングして薄膜－基板間ミスマッチ歪みによる磁気異方性の制御について定量的に把握した。
本年度得られた結果を要約する。(1)κ-Al2O3型酸化物をSrTiO3(111)面上を堆積すると、平均結晶サイズ10nmのピラー状に結晶ドメインが成長し、60°毎に6つのドメインを形成することが明らかになった。この膜は面内磁気異方性を示し、強誘電性を全ての組成で確認した。またSrTiO3(100)上を堆積した膜は磁気異方性が消失し、この原因は面内で12個のドメインが成長したことによるナノサイズ効果であることが判明した。ナノサイズドメイン効果は磁気異方性を制御するために不可欠な情報であり、デバイス応用に関して重要な知見を得た。また薄膜のTEM観察を行い、ドメイン構造を直接観測した。(2) ドメイン構造のうち、120°ドメイン近傍の電子状態をEELS観測し、結晶ドメインにおける欠陥構造と鉄の価数について詳細に観測し、Feの価数と酸素欠損と導電性の相関について知見を得た。(3)トンネル接合デバイスを作製しデバイスとしての適応性に関する検討を行った。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] 上海珪酸塩研究所(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 上海珪酸塩研究所
• [雑誌論文] Ferrimagnetism and Ferroelectricity in Cr-Substituted GaFeO3 Epitaxial Films (2018)
  • 著者名/発表者名: Katayama Tsukasa、Yasui Shintaro、Osakabe Takuya、Hamasaki Yosuke、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 30 ページ: 1436～1441
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b00144
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of residual stress in lead-free BNT-based ceramic/ceramic composites (2018)
  • 著者名/発表者名: Ayrikyan Azatuhi、Prach Olena、Khansur Neamul H.、Keller Stephanie、Yasui Shintaro、Itoh Mitsuru、Sakata Osami、Durst Karsten、Webber Kyle G.
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 148 ページ: 432～441
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2018.02.014
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ba3MIr2O9 hexagonal perovskites in the light of spin-orbit coupling and local structural distortions (2018)
  • 著者名/発表者名: Nag Abhishek、Bhowal Sayantika、Bert F.、Hillier A. D.、Itoh M.、Carlomagno Ilaria、Meneghini C.、Sarkar T.、Mathieu R.、Dasgupta I.、Ray Sugata
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 ページ: 164408～164408
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.064408
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-Rate Performance of LiCoO2 Epitaxial Thin Films with Various Surface Conditions (2018)
  • 著者名/発表者名: Sou Yasuhara, Shintaro Yasui, Tomoyasu Taniyama, and Mitsuru Itoh
  • 雑誌名: MRS Advances 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chemical tuning of room-temperature ferrimagnetism and ferroelectricity in ε-Fe2O3-type multiferroic oxide thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: Katayama Tsukasa、Yasui Shintaro、Hamasaki Yosuke、Osakabe Takuya、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 5 ページ: 12597～12601
  • DOI: 10.1039/c7tc04363e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unconventional magnetic phase separation in γ-CoV2O6 (2017)
  • 著者名/発表者名: Shen L.、Jellyman E.、Forgan E. M.、Blackburn E.、Laver M.、Canevet E.、Schefer J.、He Z.、Itoh M.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 054420～054420
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.054420
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Control of crystal-domain orientation in multiferroic Ga0.6Fe1.4O3 epitaxial thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: Katayama Tsukasa、Yasui Shintaro、Hamasaki Yosuke、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 110 ページ: 212905～212905
  • DOI: 10.1063/1.4984211
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferroelectric and Magnetic Properties in Room-Temperature Multiferroic GaxFe2-xO3 Epitaxial Thin Films (2017)
  • 著者名/発表者名: Katayama Tsukasa、Yasui Shintaro、Hamasaki Yosuke、Shiraishi Takahisa、Akama Akihiro、Kiguchi Takenori、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: 28 ページ: 1704789～1704789
  • DOI: 10.1002/adfm.201704789
  • 査読あり
• [学会発表] κ-Al2O3型強誘電体/フェリ磁性体のドメイン構造と分極反転阻害の可能性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 安井 伸太郎, 片山 司, 濵嵜 容丞, 谷山 智康, 小西 綾子, 森分 博紀, 白石 貴久, 赤間 章裕, 木口 賢紀, 伊藤 満
  • 学会等名: 応用物理学会2018年強的秩序とその操作に関する第6回研究会
• [学会発表] GaFeO3単結晶基板を用いたSc0.5Fe1.5O3薄膜の単ドメイン化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 立山 昂輝, 片山 司, 越阪部 拓也, 太宰 卓朗, 余 建定, 賀 歓, 王 慧, 濵嵜 容丞, 安井 伸太郎, 谷山 智康, 伊藤 満
  • 学会等名: 第56回セラミックス基礎科学討論会
• [学会発表] Cation Substitution Effect in Ferroelectric κ-Al2O3-type Oxides (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitsuru Itoh
  • 学会等名: Fundamental Physics of Ferroelectrics and Related Materials 2018 (Ferro2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Cation Substitution Effect in Ferroelectric κ-Al2O3-type Oxides (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitsuru Itoh
  • 学会等名: Joint International Workshop of WFF & WFSM 2018
  • 国際学会
• [学会発表] κ-アルミナ型マルチフェロイックスのドメイン構造と強誘電性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 満, 片山 司, 安井 伸太郎, 木口 賢紀, 白石 貴久, 赤間 章祐, 森分 博紀, 小西 綾子
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] κ-Al2O3型(A,Fe)2O3(A=Al,Ga,Fe,Sc,Rh,In)酸化物の強誘電性と磁性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 満, 濵嵜 容丞, 片山 司, 越阪部 拓也, 安井 伸太郎, 谷山 智康
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
• [学会発表] Magnetic and Dielectric Properties in Room-Temperature Mutiferroic GaxFe2-xO3 Epitaxial Thin Films (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Katayama, Yousuke Hamasaki, Shintaro Yasui and Mitsuru Itoh
  • 学会等名: 2017 MRS Spring Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Ferroelectricity and Magnetic Properties in κ-Al2O3-type Oxides (2017)
  • 著者名/発表者名: Mitsuru Itoh, Yosuke Hamasaki, Shintaro Yasui, Tsukasa Katayama, Takuya Osakabe, Tomoyasu Taniyama, Ayako Konishi, and Hiroki Moriwake
  • 学会等名: 8th International Conference on Electroceramics (ICE2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Phase Control of Metastable ABO3 Oxides by PLD (2017)
  • 著者名/発表者名: Mitsuru Itoh, Yosuke Hamasaki, Shintaro Yasui, Tsukasa Katayama, Tomoyasu Taniyama, Ayako Konishi, and Hiroki Moriwake
  • 学会等名: Collaborative Conference on Materials Research (CCMR) 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Rh Substitution Effect on Ferrimagnetic and Ferroelectric Properties in Multiferroic ε-Fe2O3 Thin Films (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Osakabe, Y. Hamasaki, T. Katayama, S. Yasui, T. Taniyama, and M. Itoh
  • 学会等名: The Tenth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC-10)
  • 国際学会
• [学会発表] Ferroelectricity in κ-Al2O3-type (A,Fe)2O3(A=Al, Ga, Fe, Rh, In, Sc, and In) Multiferroic Oxides (2017)
  • 著者名/発表者名: Mitsuru Itoh
  • 学会等名: IMF 2017 San Antonio
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] マルチフェロイックGaFeO3薄膜の磁気及び強誘電性へのCr置換効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 越阪部 拓也, 片山 司, 安井 伸太郎, 谷山 智康, 伊藤 満
  • 学会等名: 応用物理学会強的秩序とその操作に関わる研究グループ第5回研究会（夏の学校）
• [学会発表] 強誘電体BaTiO3の担持率がLiCoO2エピタキシャル薄膜の高速充放電に及ぼす影響の調査 (2017)
  • 著者名/発表者名: 安原 颯, 吉川 祐未, 寺西 貴志, 安井 伸太郎, 谷山 智康, 伊藤 満
  • 学会等名: 応用物理学会強的秩序とその操作に関わる研究グループ第5回研究会（夏の学校）
• [学会発表] 強誘電体BaTiO3バンドベンディング構造 (2017)
  • 著者名/発表者名: 押目 典宏, 狩野 旬, 池永 英司, 安井 伸太郎, 日隈 聡士, 池田 直, 濵嵜 容丞, 安原 颯, 横谷 尚睦, 伊藤 満, 藤井 達生, 保井 晃
  • 学会等名: 応用物理学会強的秩序とその操作に関わる研究グループ第5回研究会（夏の学校）
• [学会発表] 六方晶YMnO3型ScFeO3薄膜の構造と強誘電性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 濵嵜 容丞, 安井 伸太郎, 谷山 智康, 伊藤 満
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第30回秋季シンポジウム
• [学会発表] κ-Al2O3型薄膜の強誘電性に関する理論計算 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小西 綾子, 小川 貴史, Fisher Craig A.J., 桑原 彰秀, 森分 博紀, 片山 司, 安井 伸太郎, 谷山 智康, 伊藤 満, 木口 賢紀, 白石 貴久, 赤間 章裕, 濵嵜 容丞
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第30回秋季シンポジウム
• [学会発表] Coordination Engineering for New Ferroelectric Oxides: Unconventional Recombination of Cation-Oxygen Bonds During Polarization Switching (2017)
  • 著者名/発表者名: Mitsuru Itoh
  • 学会等名: 18th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Limited Polarization Reversal in Ferroelectric/ Ferrimagnetic κ-Al2O3-type Structured Materials (2017)
  • 著者名/発表者名: Shintaro Yasui, Tsukasa Katayama, Yosuke Hamasaki, Ayako Konishi, Hiroki Moriwake, Takahisa Shiraishi, Akihiro Akama, Takanori Kiguchi, and Mitsuru Itoh
  • 学会等名: 2017 MRS Fall Meeting
  • 国際学会
• [図書] 1巻18章Structures and Properties of Dielectrics and Ferroelectrics/Handbook of Solid State Chemistry（分担） (2017)
  • 著者名/発表者名: Mitsuru Itoh
  • 総ページ数: 22(781)
  • 出版者: Wiley-VCH
  • ISBN: 978-3-527-32587-0
• [備考] 新しいメカニズムで発現する強誘電体を開発 ―磁性も備え、室温動作マルチフェロイックス新展開へ―
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2017/040091.html