垂直磁気異方性を有する磁気トンネル接合膜の磁気スイッチングに寄与する電子状態

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K05978
• 研究機関: 群馬大学
• 研究代表者: 櫻井 浩 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (80251122)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: スピントロニクス / 磁気スイッチング / 軌道磁気モーメント / スピン磁気モーメント / 磁気コンプトン散乱

研究実績の概要

本研究の目的は垂直磁気異方性を有するCoFeB/MgOなど磁気トンネル接合膜の磁気スイッチングに寄与する電子状態を明らかにすることである。具体的には
①磁気スイッチングにおけるスピン磁気モーメントと軌道磁気モーメント寄与の解明
②スピン磁気モーメント・軌道磁気モーメントの磁気スイッチングとそれに寄与する波動関数の対称性との関連の解明
について研究を行う。
平成27年度では熱処理による固体エピタキシーによって結晶成長制御したCoFeB(002)/MgO(002)多層膜、アモルファス層CoFeB単層膜の比較評価を行った。平成28年度では新たにアモルファスCoFeB/MgO(002)多層膜、結晶化したCoFeB(110)単層膜を作製し、４つの試料を比較してCoFeB/MgO界面の効果、CoFeB層の結晶化の効果を比較することとした。平成29年度はTa/CoFeB/MgO/CoFeB磁気トンネル接合多層膜、Ta/CoFeB多層膜を作製した。
これらの試料についてスピン選択磁化(Spin Selective Magnetic Hysteresis:SSMH)曲線、軌道選択磁化（Orbital selective Magnetic Hysteresis: OSMH)曲線を測定した。さらに磁気量子数選択的SSMH曲線を求めた。その結果、CoFeB/MgO界面あるいはCoFeB/Ta界面においてスピン磁気モーメントと軌道磁気モーメントの磁化反転挙動は異なっており、軌道磁気モーメントが垂直磁気異方性的挙動を示すことがわかった。一方、軌道磁気モーメントの磁化反転挙動を支配しているのは、CoFeB/MgO界面では磁気量子数|m|=2の対称性CoFeB/Ta界面では磁気量子数|m|=1の対称を有する電子軌道であることがわかった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

①磁気スイッチングにおけるスピン磁気モーメントと軌道磁気モーメント寄与の解明においては、CoFeB/MgO界面およびCoFeB/Ta界面においてスピン磁気モーメントと軌道磁気モーメントの磁化反転挙動は異なっており、軌道磁気モーメントが垂直磁気異方性的挙動を示すことを明らかにすることができた。
②スピン磁気モーメント・軌道磁気モーメントの磁気スイッチングとそれに寄与する波動関数の対称性との関連の解明においては、垂直磁気異方性を付与する軌道磁気モーメントの磁化反転挙動を支配しているのは、CoFeB/MgO界面では磁気量子数|m|=2の対称性、CoFeB/Ta界面では磁気量子数|m|=1の対称性を有する電子軌道であることを明らかにした。
以上から概ね目標は達成した。

今後の研究の推進方策

なお、今後は、最近研究成果が得られたTa/CoFeB/MgO/CoFeB磁気トンネル接合におけるCoFeB/MgO界面とCoFeB/Ta界面の磁化反転挙動の違いについて至急論文発表を進めると同時に、Ta/CoFeB/MgO/CoFeB磁気トンネル接合における磁気スイッチング挙動の温度変化等を測定し、軌道磁気モーメントあるいは特定の対称性を有する軌道を制御することで磁気スイッチングを制御する手法について検討していく。

次年度使用額が生じた理由

当初計画より順調に実験が進んだため、次年度使用額に差額が生じた。一方、至急発表すべき成果が得られつつあるため、差額を成果報告等に使用する。具体的にはTa/CoFeB/MgO/CoFeB磁気トンネル接合におけるCoFeB/MgO界面とCoFeB/Ta界面の磁化反転挙動の違いについて至急論文発表を進めると同時に、Ta/CoFeB/MgO/CoFeB磁気トンネル接合における磁気スイッチング挙動の温度変化等を測定し、軌道磁気モーメントあるいは特定の対称性を有する軌道を制御することで磁気スイッチングを制御する手法について検討していく必要がある。

研究成果

• [国際共同研究] Northeastern University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Northeastern University
• [国際共同研究] Mohanlal Sukhadia University, Udaipur(India)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: Mohanlal Sukhadia University, Udaipur
• [国際共同研究] 1Laboratoire Léon Brillouin, CEA(France)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: 1Laboratoire Léon Brillouin, CEA
• [雑誌論文] Magnetic Compton profile evaluation of magnetization process of Tb x Co100-x films (2017)
  • 著者名/発表者名: Agui Akane、Ma Chuang、Liu Xiaoxi、Tsuji Naruki、Adachi Misaki、Shibayama Akane、Suzuki Kosuke、Sakurai Hiroshi
  • 雑誌名: Materials Research Express 巻: 4 ページ: 106108～106108
  • DOI: https://doi.org/10.1088/2053-1591/aa91e3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature dependent magnetic Compton profiles and first-principles strategies of quaternary half-Heusler alloy Co1-xCuxMnSb(0<x<0.8) (2017)
  • 著者名/発表者名: Kishor Kumar, Alpa Dashora, N. L. Heda, H. Sakurai, N. Tsuji, M. Itou, Y. Sakurai and B. L. Ahuja
  • 雑誌名: J. Phys. Condens. Matter 巻: 29 ページ: 425805
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa85f5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Visualizing redox orbitals and their potentials in advanced lithium-ion battery materials using high-resolution x-ray Compton scattering (2017)
  • 著者名/発表者名: Hasnain Hafiz, Kosuke Suzuki, Bernardo Barbiellini, Yuki Orikasa, Vincent Callewaert, Staszek Kaprzyk, Masayoshi Itou, Kentaro Yamamoto, Ryota Yamada, Yoshiharu Uchimoto,Yoshiharu Sakurai,Hiroshi Sakurai, Arun Bansil
  • 雑誌名: Sci. Adv. 巻: 3 ページ: e1700971
  • DOI: 10.1126/sciadv.1700971
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] In operando quantitation of Li concentration for a commercial Li-ion rechargeable batteryusing high-energy X-ray Compton scattering (2017)
  • 著者名/発表者名: Kosuke Suzuki, Ayahito Suzuki, Taiki Ishikawa, Masayoshi Itou, Hisao Yamashige, Yuki Orikasa, Yoshiharu Uchimoto, Yoshiharu Sakurai and Hiroshi Sakurai
  • 雑誌名: J. Synchrotron Rad. 巻: 24 ページ: 1006-1011
  • DOI: 10.1107/S1600577517010098
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin density in YTiO3: I. Joint refinement of polarized neutron diffraction and magnetic x-ray diffraction data leading to insights into orbital ordering (2017)
  • 著者名/発表者名: I. A. Kibalin, Z. Yan, A. B. Voufack, S. Gueddida, B. Gillon, A. Gukasov, F. Porcher, A. M. Bataille, F. Morini, N. Claiser, M. Souhassou, C. Lecomte, J.-M. Gillet, M. Ito, K. Suzuki, H. Sakurai, Y. Sakurai, C. M. Hoffmann and X. P. Wang
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 96 ページ: 054426
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.054426
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Magnetization switching behavior for CoFeB/MgO and CoFeB/Ta multilayer films (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Sakurai, A. Shibayama, M. Adachi, K. Haiji, T.Kato, K.Suzuki, K. Hoshi, M. Yamazoe, M.Itou, N. Tsuji and Y.Sakurai
  • 学会等名: the 24th Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography (IUCr 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Measurement of spin selective magnetization curve by magnetic Compton scattering (2017)
  • 著者名/発表者名: Akane Agui, Naruki Tsuji, Xiaoxi Liu, Kosuke Suzuki, Hiroshi Sakurai
  • 学会等名: the 24th Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography (IUCr 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic Structure of Oxside Electrode Materials studied by Compton Profiles (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, B. Barbiellini, Y. Orikasa, S. Kaprzyk, M. Itou, H. Hafiz, Y. Uchimoto, A. Bansil, Y. Sakurai and H. Sakurai
  • 学会等名: 24th Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography (IUCr2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Spin/Orbital magnetization switching behavior at FeCoB/MgO magnetic tunneling junction interface (2017)
  • 著者名/発表者名: H.Sakurai, A. Shibayama, M. Adachi, K. Haishi, K.Suzuki, K. Hoshi, M. Yamazoe, M.Itou, N. Tsuj and Y.Sakurai
  • 学会等名: The 7th Annual World Congress of Nano Science & Techonology-2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Strongly Correlated Electronic Structure in Battery Materials Studied by Compton Scattering Spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, B. Barbiellini, H. Hafiz, R. Yamada, Y. Orikasa, V. Callewaert, S. Kaprzyk, M. Itou, K. Yamamoto, Y. J. Wang, Y. Uchimoto, A. Bansil, Y. Sakurai, and H. Sakurai
  • 学会等名: 7th Annual World Congress of Nano Science and Technology 2017
  • 国際学会