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2017 年度 実施状況報告書

スピン偏極STMによる電界駆動Fe/MgO磁気デバイスの原子欠陥制御

研究課題

研究課題/領域番号 17K19023
研究機関千葉大学

研究代表者

山田 豊和  千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (10383548)

研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2020-03-31
キーワードスピントロニクス / スピン偏極STM / MgO / Fe / 表面磁性
研究実績の概要

磁界を磁石にかけることでNS極を反転できる。磁界を発生させるために微小なコイルに電流を流すため熱が発生し、これが電力消耗となる。世界規模の情報端末の普及と、IoT社会発展により、ますますの電力消費が想定される。一方、もし電界で磁気特性が制御できれば、情報記録処理での熱発生に伴う電力損失はなくなる。結果として電界駆動磁気デバイスは世界規模での省電力化に大きく貢献する。一般に、電界を磁石にかけても何も変化しない。しかし、極めて薄い磁性薄膜では、電界が金属内にも影響を与え、結果として電界で磁気特性が変化することが分かってきた。
本研究で我々は、現在市販のパソコン等の情報記憶素子に使われているFe/MgO系に注目する。電界を印加した際の磁気特性の変化と制御が重要な課題である。我々は、原子分解能で試料表面を観察できる走査トンネル顕微鏡(STM)のエキスパートである。2000年より研究開発を行ってきている。現在、千葉大学において5台のSTM装置が稼働している。STMの利点として、表面形状観察と同時に、各原子位置での電子状態も計測できる。我々の2010年から2016年のSTM研究で、2原子層厚さのFe薄膜であれば、電界が侵入し鉄原子の層間距離を極性により伸ばしたり近づけたりできることがわかってきた。また、Fe(001)表面にMgO膜を製膜すると、Fe(001)表面が活性であるため想定外の鉄酸化物が作成されることも判明した。そこで、あえて規則的なFe(001)-p(1x1)O酸素単原子層でコートすることで [Jpn. J. Appl. Phys., 55, 08NB14 (2016)]、鉄の活性を抑え、MgO単原子絶縁膜を形成できることが分かった [執筆中]。

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

我々が2017年度に取り組んだのは、Fe/MgO膜中の欠陥位置と欠陥のない平坦な位置での磁気ヒステリシス曲線の測定である。超伝導コイルを自作した。1個の超伝導コイルを、千葉大学にて使用している1台目の超高真空・極低温STM装置に取り付けた。Fe/MgO系にトライする前に、同じFe(001)基板にMn超薄膜を成長させ、あえて層間180度磁化反転磁区を作成した。バルクのCr棒をエッチングしてスピン偏極STM探針とした。Crは反強磁性であるため外磁場印加に対して応答しない。磁場印加によりFe基板の磁化が反転すれば、Mn膜磁化も反転する。これからMn膜およびFe基板の保磁力が得られると考えた。Mn膜の磁気像を計測しながら磁場を変化させた。磁気コントラストの差分をプロットすることでSTM磁気ヒステリシス曲線となる。±400 mT印加したが、レマネンス曲線になり飽和しなかった。原因は、我々のFe(001)単結晶基板はウィスカ形状を有するため、長軸方向に強い形状異方性をもつ。我々はウィスカ単結晶(直方体)の側面をSTM観察していたため、ウィスカにとっては磁化困難軸に磁場をかけてしまった。驚くことに、鉄であっても別途行ったFeウィスカ単結晶のVSM(振動試料型磁力計)計測より、磁化困難軸方向に磁化を飽和させるには約1000 mTが必要であることが分かった。STMでも1000 mTまで磁場を印加すればよいのだが、別の問題が発生した。STMは、極めて感度のより距離検出センサーである。その結果、鉄基板に磁場を印加していくと、鉄単結晶自体の磁歪を検出した。50mTを超えると磁歪により約250mTでピエゾ素子の伸縮限界200nmに達し、探針が鉄にクラッシュした。少なくとも±50mT以内であれば磁気ヒステリシス計測は可能であることが判明した。

今後の研究の推進方策

超伝導コイルを使用したMn膜上のSTM磁気ヒステリシス曲線計測はできたが、磁歪や形状異方性など、ケアしなくてはならない様々な課題も浮き彫りとなった。失敗を踏まえて、1台目の極低温超高真空STM装置でMgO膜上のFe原子の研究を行っていく。
STM測定を行いながら同時に面直・面内方向に磁場を印加できる機構の開発を、2台目の超高真空・極低温STMで行ってきた。7個作製した超伝導コイルの5個を使用した。面直Z方向に磁場を印加する用に2個、面内X方向用に2個、面内Y方向用に1個、である。全てのコイルは液体ヘリウムクライオスタット底から伸ばした銅柱にしっかり固定し冷却する。コイルのサイズは液体ヘリウムクライオスタット底につけた冷却シールドの内径で決まる。
Z方向用に大きめのコイル2個をヘルムホルツ型に配置した(STM試料位置に対して、上下対称となるように配置)。X方向用の2つの面内磁場用コイルは、上下の2つのZコイルの間隙にヘルムホルツ型に配置した。2つのXコイルの中間地点にSTM試料がくる。STMへの試料出し入れの空間を確保するため、Y軸方向には1個のコイルしか設置できなかった。
超伝導コイル5個を配置後に、液体ヘリウムシールドをはめた。ところが90%挿入したところで、超伝導コイル下部からわずかに突き出たネジ頭が、冷却シールド内部につきでたビス固定用ネジと衝突してしまい、冷却シールドが取り付けられなくなった。これらの1mmレベルの干渉は、CAD上では発見できなかった。修理を行い、現在、再度設置作業を行っている。2018年度、超伝導コイルでのx,y,z方向からの磁界印可を行う。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] カールスルーエ工科大学(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      カールスルーエ工科大学
  • [国際共同研究] マドリッド自治大学(スペイン)

    • 国名
      スペイン
    • 外国機関名
      マドリッド自治大学
  • [雑誌論文] スピン偏極 STM の発展の歴史と今後の課題2017

    • 著者名/発表者名
      山田 豊和
    • 雑誌名

      日本真空学会誌

      巻: 60 ページ: 159~164

    • DOI

      https://doi.org/10.3131/jvsj2.60.159

    • 査読あり
  • [学会発表] スピン偏極STMによる反強磁性膜上の強磁性層間での非線形磁気結合観察2018

    • 著者名/発表者名
      山田豊和, 山口貴之, 坂井勇太, 横田健太, 小菅裕太郎,ナナ ナズリク
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
  • [学会発表] STM Study for Single Molecule Devices2017

    • 著者名/発表者名
      T. K. Yamada
    • 学会等名
      the Asia Pacific Society for Materials Research 2017 Annual Meeting (APSMR 2017 Annual Meeting)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] STM conductance measurements through single organic and life molecules2017

    • 著者名/発表者名
      T. K. Yamada
    • 学会等名
      The International Conference on Small Science (ICSS) 2017
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] スピン偏極STMによるFe単原子膜中のスキルミオン観察2017

    • 著者名/発表者名
      山口 貴之,ウルフ ウルフヘケル,山田 豊和
    • 学会等名
      2017年真空・表面科学合同講演会
  • [学会発表] STM study of confinement patterns in Mn nanoclusters on bcc-Fe(110)2017

    • 著者名/発表者名
      Takayuki Yamaguchi, Nana K. M. Nazriq, Eiichi Inami, Toyo Kazu Yamada
    • 学会等名
      The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
    • 国際学会
  • [図書] Compendium of Surface and Interface Analysis2018

    • 著者名/発表者名
      Toyo Kazu Yamada, et al.
    • 総ページ数
      853
    • 出版者
      Springer
    • ISBN
      978-981-10-6156-1
  • [備考] 山田豊和研究室HP

    • URL

      http://adv.chiba-u.jp/nano/yamada-upload/

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公開日: 2018-12-17  

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