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2017 年度 実績報告書

グラフェン/酸化物磁性体接合の磁気近接効果とスピン流制御の研究

研究課題

研究課題/領域番号 16H03875
研究機関国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

研究代表者

境 誠司  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 東海量子ビーム応用研究センター, 上席研究員(定常) (10354929)

研究分担者 圓谷 志郎  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 東海量子ビーム応用研究センター, 主幹研究員(定常) (40549664)
李 松田  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 東海量子ビーム応用研究センター, 博士研究員(任常) (90805649)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワードグラフェン / スピントロニクス / 界面 / ヘテロ構造 / 量子ビーム
研究実績の概要

近年、卓越したスピン輸送性能を有するグラフェンのスピントロニクスへの応用が注目されている。同応用の実現には、グラフェン内部のスピン偏極キャリアの伝導(スピン流)を効果的に制御する技術が必要である。本研究では、グラフェンのスピン流制御を実現するための材料技術として、グラフェン/酸化物磁性体ヘテロ接合の磁気近接効果の探索と制御を目的に研究を行っている。
29年度には、スピントランジスタのゲート電極用の酸化物磁性体として、磁性絶縁体
のイットリウム鉄ガーネット(YIG)に着目し、単層グラフェン/YIGヘテロ構造の電子スピン物性の研究を実施した[S. Sakai et al., Adv. Funct. Mater. 1800462 (2018)]。スピン偏極準安定He原子脱励起分光(SPMDS)を用いてヘテロ構造に含まれるグラフェンの電子状態およびスピン偏極状態を調べた結果、グラフェンのディラックコーンに顕著なスピン分裂が存在することが明らかになった。SPMDS信号のスピン非対称率から、グラフェンのフェルミレベル近傍におけるキャリアのスピン偏極率は数10%程度に達することが示された。加えて、グラフェンの電子状態密度を示すSPMDSスペクトルから、グラフェンに固有なディラックコーンの形状が保たれていることも明らかになった。これと関連する知見として、グラフェン/YIGヘテロ接合をチャネルとするホール素子について、一般的なシリコン基板上のグラフェンと同程度のキャリア移動度が得られた。また、キャリアのスピン偏極を反映する異常ホール効果も観測された。以上の結果から、磁性絶縁体の近接効果を利用することで、グラフェンのスピン輸送特性を損なうことなくキャリアのスピン偏極を制御できることが明らかになった。本成果は、グラフェンスピントランジスタのゲート電極としての磁性物酸化体の有用性を示すものである。

現在までの達成度 (区分)
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

グラフェン/磁性絶縁体(YIG)ヘテロ構造におけるディラックコーンのスピン分極を解明し、材料科学分野のトップジャーナル(Advanced Functional Materials)に論文発表するなど顕著な成果が得られているため。

今後の研究の推進方策

30年度には、グラフェン/酸化物磁性体ヘテロ構造の界面への異種原子のドーピングや酸化物磁性体の組成によるグラフェンの電子状態やスピン偏極の制御について、SPMDSや放射光メスバウアー分光による分光面からの追究を進める。併せて、グラフェンのキャリアのスピン偏極状態の制御についてこれまでに得られた基礎的成果[S. Sakai et al., ACS Nano 10, 7532 (2016), S. Sakai et al., Adv. Funct. Mater. 1800462 (2018)等]を基に、酸化物磁性体の磁気近接効果を利用したグラフェン磁気抵抗素子やスピントランジスタの開発に着手する。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 5件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Dirac Cone Spin Polarization of Graphene by Magnetic Insulator Proximity Effect Probed with Outermost Surface Spin Spectroscopy2018

    • 著者名/発表者名
      Sakai Seiji、Erohin Sergei V.、Popov Zakhar I.、Haku Satoshi、Watanabe Takahiro、Yamada Yoichi、Entani Shiro、Li Songtian、Avramov Pavel V.、Naramoto Hiroshi、Ando Kazuya、Sorokin Pavel B.、Yamauchi Yasushi
    • 雑誌名

      Advanced Functional Materials

      巻: 28 ページ: 1800462~1800462

    • DOI

      10.1002/adfm.201800462

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Spin polarization of graphene and h?BN on Co(0001) and Ni(111) observed by spin-polarized surface positronium spectroscopy2018

    • 著者名/発表者名
      Miyashita A.、Maekawa M.、Wada K.、Kawasuso A.、Watanabe T.、Entani S.、Sakai S.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 97 ページ: 195405

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.97.195405

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electronic structure of Li + @C 60 : Photoelectron spectroscopy of the Li + @C 60 [PF 6 ? ] salt and STM of the single Li + @C 60 molecules on Cu(111)2018

    • 著者名/発表者名
      Yamada Yoichi、Kuklin Artem V.、Sato Sho、Esaka Fumitaka、Sumi Naoto、Zhang Chunyang、Sasaki Masahiro、Kwon Eunsung、Kasama Yukihiko、Avramov Pavel V.、Sakai Seiji
    • 雑誌名

      Carbon

      巻: 133 ページ: 23~30

    • DOI

      doi.org/10.1016/j.carbon.2018.02.106

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Interface-induced perpendicular magnetic anisotropy of Co nanoparticles on single-layer h-BN/Pt(111)2018

    • 著者名/発表者名
      Watanabe Takahiro、Yamada Yoichi、Koide Akihiro、Entani Shiro、Li Songtian、Popov Zakhar I.、Sorokin Pavel B.、Naramoto Hiroshi、Sasaki Masahiro、Amemiya Kenta、Sakai Seiji
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 112 ページ: 022407~022407

    • DOI

      https://doi.org/10.1063/1.5010836

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Effective adsorption and collection of cesium from aqueous solution using graphene oxide grown on porous alumina2018

    • 著者名/発表者名
      Entani Shiro、Honda Mitsunori、Shimoyama Iwao、Li Songtian、Naramoto Hiroshi、Yaita Tsuyoshi、Sakai Seiji
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 57 ページ: 04FP04~04FP04

    • DOI

      https://doi.org/10.7567/JJAP.57.04FP04

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Vacancy-induced ferromagnetism in ZnO probed by spin-polarized positron annihilation spectroscopy2017

    • 著者名/発表者名
      Maekawa Masaki、Abe Hiroshi、Miyashita Atsumi、Sakai Seiji、Yamamoto Shunya、Kawasuso Atsuo
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 110 ページ: 172402~172402

    • DOI

      https://doi.org/10.1063/1.4979696

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The direct exchange mechanism of induced spin polarization of low-dimensional π-conjugated carbon- and h -BN fragments at LSMO(001) MnO-terminated interfaces2017

    • 著者名/発表者名
      Kuklin Artem V.、Kuzubov Alexander A.、Kovaleva Evgenia A.、Lee Hyosun、Sorokin Pavel B.、Sakai Seiji、Entani Shiro、Naramoto Hiroshi、Avramov Paul
    • 雑誌名

      Journal of Magnetism and Magnetic Materials

      巻: 440 ページ: 23~29

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.12.096

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Proximity-induced spin polarization of graphene supported on magnetic insulator2018

    • 著者名/発表者名
      Seiji Sakai
    • 学会等名
      Advanced Materials World Congres
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] First Direct Synthesis of Graphene/Half-metallic Heusler Alloy Heterostructure for Spintronic (Poster Award)2018

    • 著者名/発表者名
      Songtian Li, Takahiro Watanabe, Yoichi Yamada, Shiro Entani, Pavel B. Sorokin, Yuya Sakuraba, Kenta Amemiya
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] EMIM TFSIの電界印加XAFSその場測定2018

    • 著者名/発表者名
      圓谷 志郎、本田 充紀、Tomilin Felix、李 松田、楢本 洋、Avramov Pavel、境 誠司
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] X線定在波用によるサファイア上に転写したグラフェンの構造解析2018

    • 著者名/発表者名
      圓谷 志郎、本田 充紀、李 松田、楢本 洋、境 誠司
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Graphene/Half-metallic Heusler Alloy: A New Heterostructure Towards High-performance Graphene Spintronic Devices2018

    • 著者名/発表者名
      Songtian Li
    • 学会等名
      NanoWorld Conference
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 単層h-BNを用いた金属ナノ粒子の磁性制御2017

    • 著者名/発表者名
      渡邉 貴弘、山田 洋一、佐々木 正洋、小出 明広、圓谷 志郎、雨宮 健太、境 誠司
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Heteroatom-Doping into Two-Dimensional Materials by High-Energy Ion Irradiation2017

    • 著者名/発表者名
      Shiro Entani, Masaki Mizuguchu, Hideo Watanabe, Masaru Takizawa, Konstantine Larinov, Liubov Y. Antipina, Pavel B. Sorokin, Pavel V. Avramov, Songtian Li, Hiroshi Naramoto, Seiji Sakai
    • 学会等名
      MRS Fall Meeting
    • 国際学会
  • [図書] World Scientific Reference on Spin in Organics, Volume 2: Spinterface2018

    • 著者名/発表者名
      S Majumdar, P Avramov and S Sakai
    • 総ページ数
      244
    • 出版者
      World Scientific
    • ISBN
      978-981-3228-96-2
  • [備考] プロジェクト「二次元物質スピントロニクス研究」 ホームページ

    • URL

      http://www.taka.qst.go.jp/eimr_div/Molspin/index_j.html

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公開日: 2018-12-17  

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