| 研究課題/領域番号 |
18J11981
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
蒲生 寛武 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-25 – 2020-03-31
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| キーワード | スピントロニクス / 金属 / スピン緩和長 / 電界制御 |
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| 研究実績の概要 |
昨年度は、研究の進捗を踏まえて以下の２点について実施した。①極低温における量子干渉効果の測定により、スピン緩和長の可逆的な制御の実証。②室温での特性評価に必要なナノサイズトランジスタ素子の動作確認および酸化ガドリニウムゲート層を用いたデバイス動作の検証。続いて各項目の実施内容について述べる。
①に関して、銅薄膜中の電子スピンの制御性は銅/酸化ガドリニウム構造の成膜条件に強く依存することが予想されるため、成膜条件を最適化を行ってきた。また、電気測定の観点からこれまでの研究で得られた知見として、銅薄膜中の電気抵抗自体は、小さいながらも電界によって可逆的に制御することができるというデータを得ることができた。これにより、スピン緩和長の能動的な制御が期待されたが、スピン緩和長を有意に制御するには至ってはいないのが現状である。また、昨年度に試みた室温におけるスピンホール磁気抵抗効果を通したスピン緩和長の能動制御に関しても今の所達成できていない。
②に関して、昨年度の研究実施によってナノサイズトランジスタ素子のデバイス作成プロセスはある程度完了している。今後は酸化ガドリニウムゲート層を用いたデバイスを作製して動作を確認していくこととなる。
以上の進捗状況をまとめると、現在本研究の進捗を律速しているのは金属中のスピン緩和長の制御方法を確立する点にあると言える。この問題点は申請当初から困難が予想された点であるので、これを解消することが本研究を成功させるための鍵となる。そのために、酸化ガドリニウムよりも酸素移動度の高いゲート絶縁層の再考、およびチャネル金属材料の再考を行うとともに、ナノサイズトランジスタ素子を用いてスピン緩和長を評価することを今後は行っていきたいと考えている。
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| 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
昨年度の課題遂行結果を通して、銅/酸化ガドリニウム積層構造のスパッタリング条件を決定し、酸化ガドリニウムゲート絶縁層を用いた場合には試料の抵抗変化を観測することができた。通常金属は電界を遮蔽するため、ゲート電界を印加しても有意に抵抗値の変調は観測されないはずであるから、この抵抗値変化は金属中への酸素イオンの可逆的な移動によるものであることを期待している。このように、金属中の電子スピンの電界制御に向けた期待が持てるデータも徐々に得られてきている。しかし、スピン緩和長の有意な変化はこれまでの研究を通して確認することができなかった。そのため、すべてが順調に進展しているとまでは言えないものの、概ね予想通りの研究の進捗が得られていると考えている。以降の項目で述べるように、これまで上手く進展がなかった部分に関してもそれを改良するような提案はあるので、このような改善策を新たに実施してゆき、研究を発展させたいと考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究方針としては、本研究の最終目標であるナノサイズトランジスタ素子をまず作製し酸化ガドリニウムゲート層を用いたナノサイズトランジスタ素子を利用してスピン緩和長の評価を評価するという方法を考えている。ナノサイズトランジスタ素子の動作に関しては昨年度の段階で実証できていると考えている。そのため、現段階で本研究内容を達成する上で最も重要になる点としてはスピン緩和長の可逆的な制御という事になるが、スピン緩和長そのものはナノサイズトランジスタ素子に強磁性電極からスピン流を注入することによって評価することが可能であるため、今後はナノサイズトランジスタ素子に直接、酸化ガドリニウムゲート層を取り付け、スピンバルブシグナルの大きさに着目した測定によってスピン緩和長を室温で評価していくという方向性も検討している。この測定によって、より直感的かつ精密なスピン緩和長の評価が可能になると期待する。また、チャネル材料の選択も本研究における目的を達成する上で重要であるため、チャネル材料として銅だけでなく、酸素添加によって強いスピン軌道相互作用を示すタングステンも候補材料として視野に入れている。また、より酸素移動度の高い材料をゲート層を用いた方が電界制御特性が向上することが報告されえているため、今後の研究ではより酸素移動度の高いチタン酸ジルコン酸鉛を候補材料として酸化ガドリニウムに代替されるゲート材料を探索することも選択肢として考えている。
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