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2020 年度 実績報告書

界面スピン軌道結合の微視的解明と巨大垂直磁気異方性デバイスの創製

研究課題

研究課題/領域番号 16H06332
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

三谷 誠司  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 副拠点長 (20250813)

研究分担者 岡林 潤  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70361508)
三浦 良雄  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, グループリーダー (10361198)
介川 裕章  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主幹研究員 (30462518)
研究期間 (年度) 2016-05-31 – 2021-03-31
キーワードスピントロニクス / 磁性 / 表面・界面 / 超薄膜 / スピン軌道相互作用 / 垂直磁気異方性 / 軌道分光 / 第一原理計算
研究実績の概要

先端的な界面原子層制御、磁気分光による微視的評価、第一原理計算を結集し、界面スピン軌道結合の微視的理解とデバイス開発に向けた機能性の創出を行った。以下に主要な成果を列挙する。
(1)界面垂直磁気異方性を示すヘテロ構造の創製を通じて得た界面形成手法をFe/MgOFe(001)強磁性トンネル接合デバイスに応用展開し、これまでにない高い結晶配向性と構造対称性を有するトンネル接合試料の作製に成功した。室温トンネル磁気抵抗比は400% を超える値となり、従来の2倍近い大きさである。
(2)Mn合金の垂直磁気異方性の微視的解明を進め、Mn系合金では軌道磁気モーメントの異方性ではなく、四極子の寄与が支配的であることをXMCD、XMLD等から明らかにした。第一原理計算も微視的な軌道評価の結果とよく対応し、スピン反転項が大きく寄与していることが示された。Fe、Co、および、それらの合金の場合と対照的な結果である。
(3)大きなRashba分裂を有するAu(111)表面を利用した研究も進展した。Au(111)上にFeをエピタキシャル成長させ、XMCDに加え、角度分解光電子分光(ARPES)やメスバウアー効果の測定を行った。Feが垂直磁気異方性を示し、その電子状態に対応するARPES等のデータが得られた。ARPESの結果は第一原理計算によって概ね説明することができた。
上記(2)の成果は、本科研費の研究において蓄積してきた界面垂直磁気異方性の成果と合わせて、垂直磁気異方性の微視的理解の進展に大いに役立つものである。従来の教科書にあるスピンと軌道の磁気モーメントが平行になるという描像だけでは片手落ちであり、スピン分布の擬形状磁気異方性と見ることができる量子力学的な機構(四極子が支配的になる機構)も示すべきであることが分かった。また、この他にも、トポロジカル物質のスピンホール効果等、種々の結果を得た。

現在までの達成度 (段落)

令和2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

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (28件)

すべて 2021 2020 2018 2017 その他

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 8件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 3件、 招待講演 6件) 図書 (1件) 備考 (2件) 産業財産権 (3件)

  • [雑誌論文] Quantum well tunneling anisotropic magnetoresistance above room temperature2021

    • 著者名/発表者名
      M. Al-Mahdawi, Q. Xiang, M. Belmoubarik, K. Masuda, S. Kasai, H. Sukegawa, Y. Miura and S. Mitani
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B (Letters)

      巻: in press ページ: in press

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Perpendicular magnetic anisotropy at Fe/Au(111) interface studied using Mossbauer, x-ray absorption, and photoemission spectroscopies2021

    • 著者名/発表者名
      J. Okabayashi, S. Li, S. Sakai, Y. Kobayashi, T. Mitsui, K. Tanaka and S. Mitani
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 103 ページ: 104435-1-8

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.103.104435

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Exceeding 400% tunnel magnetoresistance at room temperature in epitaxial Fe/MgO/Fe(001) spin-valve-type magnetic tunnel junctions2021

    • 著者名/発表者名
      T. Scheike, Q.Y. Xiang, Z.C. Wen, H. Sukegawa, T. Ohkubo, K. Hono and S. Mitani
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 118 ページ: 042411-1-6

    • DOI

      10.1063/5.0037972

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Magnetization switching induced by spin-orbit torque from a Co2MnGa magnetic Weyl semimetal thin film2021

    • 著者名/発表者名
      K. Tang, Z. Wen, Y.-C. Lau, H. Sukegawa, T. Seki and S. Mitani
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 118 ページ: 062402-1-6

    • DOI

      10.1063/5.0037178

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Interfacial giant tunnel magnetoresistance and bulk-induced large perpendicular magnetic anisotropy in (111)-oriented junctions with fcc ferromagnetic alloys: A first-principles study2021

    • 著者名/発表者名
      K. Masuda, H. Itoh, Y. Sonobe, H. Sukegawa, S. Mitani and Y. Miura
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 103 ページ: 064427-1-10

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.103.064427

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Anomalous Hall and Nernst effects in ferrimagnetic Mn4N films: Possible interpretations and prospect for enhancement2021

    • 著者名/発表者名
      S. Isogami, K. Masuda, Y. Miura, N. Rajamanickan and Y. Sakuraba
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 118 ページ: 092407-1-6

    • DOI

      10.1063/5.0039569

    • 査読あり
  • [雑誌論文] X線磁気円二色性、磁気線二色性を用いた垂直磁気異方性の研究2021

    • 著者名/発表者名
      岡林潤
    • 雑誌名

      Photon Factory News

      巻: 38 ページ: 20-24

  • [雑誌論文] ひずみによる垂直磁気異方性の操作:電場印加時のX線磁気円二色性による軌道弾性効果の実証2021

    • 著者名/発表者名
      岡林潤、三浦良雄、谷山智康
    • 雑誌名

      表面と真空

      巻: 64 ページ: 230-235

    • DOI

      10.1380/vss.64.230

  • [雑誌論文] Spin-resolved contribution to perpendicular magnetic anisotropy and Gilbert damping in interface-engineered Fe/MgAl2O4 heterostructures2020

    • 著者名/発表者名
      R. Mandal, Q. Xiang, K. Masuda, Y. Miura, H. Sukegawa, S. Mitani and Y.K. Takahashi
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Applied

      巻: 14 ページ: 064027-1-12

    • DOI

      10.1103/PhysRevApplied.14.064027

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Interface-driven giant tunnel magnetoresistance in (111)-oriented junctions2020

    • 著者名/発表者名
      K. Masuda, H. Ito and Y. Miura
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B 101, 144404

      巻: 101 ページ: 144404-1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.144404

    • 査読あり
  • [学会発表] Revisiting Fe/MgO/Fe(001): giant tunnel magnetoresistance of up to 420% at room temperature2021

    • 著者名/発表者名
      H. Sukegawa
    • 学会等名
      The 32nd Magnetic Recording Conference (TMRC2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Giant tunnel magnetoresistance up to 417% at room temperature using Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions2021

    • 著者名/発表者名
      T. Scheike, Q.Xiang, Z. Wen, H. Sukegawa, T. Ohkubo, K. Hono, S. Mitani
    • 学会等名
      INTERMAG 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] X 線磁気分光からみた4種の界面垂直磁気異方性2021

    • 著者名/発表者名
      岡林潤
    • 学会等名
      第34回日本放射光学会
    • 招待講演
  • [学会発表] 磁気トンネル接合のトンネルバリア開発による巨大磁気抵抗の実現2021

    • 著者名/発表者名
      介川裕章
    • 学会等名
      日本電子材料技術協会、2021年日本電子材料技術協会セミナー「磁気メモリの基礎と最前線」
    • 招待講演
  • [学会発表] トンネル磁気抵抗効果の新展開2021

    • 著者名/発表者名
      介川裕章
    • 学会等名
      電気学会、光・熱・電気との相互作用を活用した高機能磁気デバイス技術調査専門委員会研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Detecting magnetic atom diffusion of Mn and Co at the Co3Mn/Mn3-dGa interface studied by x-ray magnetic circular dichroism2021

    • 著者名/発表者名
      J. Okabayashi, K.Z. Suzuki, and S. Mizukami
    • 学会等名
      応用物理学会、第68回春季学術講演会
  • [学会発表] Single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions with a room temperature magnetoresistance of 417%2021

    • 著者名/発表者名
      T. Scheike, Xiang, Z. Wen, H. Sukegawa, T. Ohkubo, K. Hono, S. Mitani
    • 学会等名
      応用物理学会、第68回春季学術講演会
  • [学会発表] Interface spin-orbit coupling in magnetic tunnel junctions2020

    • 著者名/発表者名
      S. Mitani
    • 学会等名
      4th QST International Symposium - Innovation from Quantum Materials Science -
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] スピントロニクス分野における高磁気異方性薄膜の成長と機能物性2020

    • 著者名/発表者名
      三谷誠司
    • 学会等名
      学術振興会 結晶成長の科学と技術第161委員会 第116回研究会「バルク磁石の未来と磁性材料研究の最前線」
    • 招待講演
  • [学会発表] Mossbauer and photoemission spectroscopies for Fe/Au(111) interfacial perpendicular magnetic anisotropy2020

    • 著者名/発表者名
      J. Okabayashi, S. Li, S. Sakai, Y. Kobayashi, T. Mitsui, K. Tanaka, and S. Mitani
    • 学会等名
      応用物理学会、第81回秋季学術講演会
  • [学会発表] Rashba型スピン軌道結合が誘起するFe/Au(111)界面の垂直磁気異方性2020

    • 著者名/発表者名
      J. Okabayashi, S. Li, S. Sakai, Y. Kobayashi, T. Mitsui, K. Tanaka, and S. Mitani
    • 学会等名
      日本磁気学会、第44回学術講演会
  • [学会発表] Perpendicular magnetic anisotropy of Fe/cubic CrO/MgO heterostructure2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Iida, Q. Xiang, T. Scheike, Z. Wen, J. Okabayashi, T. Ohkubo, K. Hono, H. Sukegawa,, S. Mitani
    • 学会等名
      日本磁気学会、第44回学術講演会
  • [図書] Element-specific spin states in Heusler-alloy compounds probed by x-ray magnetic spectroscopy, Progress in Photon Science III - Future Directions, edited by K. Yamanouchi, A. Manshina, and V. Makarov, Chap. 102021

    • 著者名/発表者名
      Jun Okabayashi and Shigemi Mizukami
    • 総ページ数
      in press
    • 出版者
      Springer Nature Switzerland AG
  • [備考] NIMSスピントロニクスグループ

    • URL

      http://www.nims.go.jp/spintronics/indexJ.html

  • [備考] 基盤研究(S) 2016-2021 界面スピン軌道結合の微視的解明と巨大垂直磁気異方性デバイスの創製

    • URL

      https://jun305.wixsite.com/kakenhi-kiban-s

  • [産業財産権] 強磁性トンネル接合体、それを用いたスピントロニクスデバイス、及び強磁性トンネル接合体の製造方法2018

    • 発明者名
      介川裕章,イクティアル,葛西伸哉,宝野和博,徐先東
    • 権利者名
      物質・材料研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特許6857421号
  • [産業財産権] 垂直磁化膜の前駆体構造、垂直磁化膜構造、およびその製造方法、これらを用いた垂直磁化型トンネル磁気抵抗接合膜およびその製造方法、ならびにこれらを用いた垂直磁化型トンネル磁気抵抗接合素子2017

    • 発明者名
      介川裕章、シェークトーマス、三谷誠司
    • 権利者名
      物質・材料研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特許6873506号
  • [産業財産権] スピネルフェライトの製造方法および積層構造体2017

    • 発明者名
      小野田浩成、柳原英人、介川裕章
    • 権利者名
      物質・材料研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特許6869532号

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公開日: 2021-12-27  

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