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2019 年度 実施状況報告書

電流駆動超高速磁壁移動を実現する窒化物スピントロニクス材料

研究課題

研究課題/領域番号 19KK0104
研究機関筑波大学

研究代表者

末益 崇  筑波大学, 数理物質系, 教授 (40282339)

研究分担者 本多 周太  関西大学, システム理工学部, 准教授 (00402553)
中堂 博之  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (30455282)
柳原 英人  筑波大学, 数理物質系, 教授 (50302386)
奥村 宏典  筑波大学, 数理物質系, 助教 (80756750)
研究期間 (年度) 2019-10-07 – 2024-03-31
キーワード垂直磁気異方性 / 電流駆動磁壁移動 / フェリ磁性体 / スピン移行トルク
研究実績の概要

本研究では、フェリ磁性体Mn4Nをベースとする新規スピントロニクス材料において、超高速の磁壁移動を実現することを目的とする。まず、チタン酸ストロンチウム基板上にエピタキシャル成長したMn4N膜を幅1-3マイクロメートル程度の細線に加工し、パルス電流の注入により、磁壁移動速度を計測したところ、最大900m/sを得た。この値は、外部磁場がなく、スピン移行トルクのみで得られた値として、室温で最大の値である。
フェリ磁性体では、副格子を構成するMnのスピン角運動量の総和がゼロになる補償点において、磁壁の移動速度が発散すると期待される。そのような候補材料としてMn4NにNiを添加したMn(4-x)Ni(x)N膜を取り上げ、これらの膜をエピタキシャル成長した。磁化特性および磁気輸送特性から、室温で垂直磁気異方性を保持しつつ、磁化がゼロに近づくNi組成を見出した。その結果、Ni組成x=0.1と0.25で、垂直磁気異方性を保持しながら、異常ホール係数の符号が急峻に変化したこと、飽和磁化がxの増加とともにx=0.2程度まで直線的に減少し増加に転じたこと、さらに、磁化の温度特性が変則的であることの3点から、x=0.1と0.25の間に磁化補償点があると予想した。この予想に基づき、X線磁気円二色性(XMCD)測定をx=0.1と0.25のNi組成をもつ試料に対して行い、両者で、XASおよびXMCDスペクトルから、NiはコーナーサイトのMnを置換すること、さらに、MnおよびNiの磁気モーメントが両者で反転していることを見出した。これら一連の結果により、Mn(4-x)Ni(x)N膜では、x=0.1と0.25の間で、磁化がゼロになることを実験で証明した。このNi組成周辺で、磁壁の移動速度は格段に大きくなると期待される。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

Mn4Nにおいて、スピン移行トルクのみで最速の電流駆動磁壁移動速度(900m/s)を達成したこと、さらに、この値を凌駕する可能性のある材料として、Mn(4-x)Ni(x)Nを選び、磁気および磁気輸送特性から、磁化補償を達成するNi組成を絞り込めた。このため、2019年度に達成した磁壁移動速度を大幅に更新することが期待される。以上のことから、本研究は、当初の計画以上に進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

2019年度の研究により、X線磁気円二色性(XMCD)測定より、Mn(4-x)Ni(x)N膜では、x=0.1と0.25のNi組成で、飽和磁化がゼロになることが分かった。角運動量補償点も、同様の範囲にあると予想される。このため、Ni組成をx=0.1と0.25の間でさらに細かく振った試料を作製し、それらを細線加工して、電流駆動磁壁移動速度を室温で測定する。
また、これまではスピン移行トルクによる磁壁移動を考えてきたが、Mn(4-x)Ni(x)N膜を超薄膜化することで、スピン軌道トルクによる磁壁移動も期待できる。このため、まず、Mn4N膜において、どの厚さまで薄く、エピタキシャル成長が可能であるかも調べる。

次年度使用額が生じた理由

研究分担者の一人が、物品費として使用を予定していた70万円のうち、コロナの影響のため物品の発注ができず、20万円弱が未使用に終わったことが、次年度使用額が生じた理由である。物品の購入が可能になれば、当初予定の通り、使用する計画である。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 4件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Spintec/University Grenoble Aples(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      Spintec/University Grenoble Aples
  • [雑誌論文] Perpendicular magnetic anisotropy in ferrimagnetic Mn4N films grown on (LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7(0 0 1) substrates by molecular beam epitaxy2020

    • 著者名/発表者名
      Taku Hirose, Taro Komori, Toshiki Gushi, Kaoru Toko, Takashi Suemasu
    • 雑誌名

      Journal of Crystal Growth

      巻: 535 ページ: 125566.1-6

    • DOI

      10.1016/j.jcrysgro.2020.125566

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Strong correlation between uniaxial magnetic anisotropic constant and in-plane tensile strain in Mn4N epitaxial films2020

    • 著者名/発表者名
      Taku Hirose, Tara Komori, Toshiki Gushi, Akihito Anzai, Kaoru Toko, Takashi Suemasu
    • 雑誌名

      API Advances

      巻: 10 ページ: 025117.1-6

    • DOI

      10.1063/1.5141818

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Magnetic reversal in rare-earth free Mn4???xNixN epitaxial films below and above Ni composition needed for magnetic compensation around room temperature2020

    • 著者名/発表者名
      Komori Taro、Hirose Taku、Gushi Toshiki、Toko Kaoru、Hanashima Τakayasu、Vila Laurent、Attan? Jean-Philippe、Amemiya Kenta、Suemasu Takashi
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 127 ページ: 043903~043903

    • DOI

      10.1063/1.5128635

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Magnetic and magneto-transport properties of Mn4N thin films by Ni substitution and their possibility of magnetic compensation2019

    • 著者名/発表者名
      Komori Taro、Gushi Toshiki、Anzai Akihito、Vila Laurent、Attan? Jean-Philippe、Pizzini Stefania、Vogel Jan、Isogami Shinji、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 125 ページ: 213902~213902

    • DOI

      10.1063/1.5089869

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Temperature dependence of magneto-transport properties in Mn4-xNixN measured by anomalous magnetoresistance important for current induced domain wall motion2020

    • 著者名/発表者名
      Taro Komori, Haruka Mitarai, Taku Hirose, Takashi Suemasu
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Alterations of magnetic and magneto-transport properties of Mn4N thin films by Co substitution2020

    • 著者名/発表者名
      H. Mitarai, T. Hirose, T. Komori, K. Toko, and T. Suemasu
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Improvement of crystalline quality and magnetic properties of Mn4N thin films on LSAT substrate by post-annealing process2020

    • 著者名/発表者名
      Taku Hirose, Haruka Mitarai, Taro Komori, Kaoru Toko, and Takashi Suemasu
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Magnetic compensation of Mn4-xNixN confirmed by X-ray magnetic circular dichroism and analysis on its structure2019

    • 著者名/発表者名
      T. Komori, T. Hirose, K. Amemiya, T. Suemasu
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Optimization of growth temperature of Mn4N thin films on LSAT(001) grown by molecular beam epitaxy2019

    • 著者名/発表者名
      T. Hirose, T. Komori, T. Suemasu
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [備考] 環境半導体・磁性体研究室

    • URL

      http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ecology/journalpapers.html

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公開日: 2021-01-27  

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