| 研究課題/領域番号 |
20H02196
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| 研究機関 | 茨城大学 |
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研究代表者 |
小峰 啓史 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 准教授 (90361287)
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| 研究分担者 |
青野 友祐 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (20322662)
長谷川 靖洋 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (60334158)
千葉 貴裕 福島工業高等専門学校, 一般教科, 講師 (90803297)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | トポロジカル絶縁体 / 磁気トポロジカル絶縁体 / 磁気異方性の電界制御 / FET型メモリ素子 |
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| 研究実績の概要 |
トポロジカル絶縁体(Topological Insulator, TI)/磁性トポロジカル絶縁体(Magnetic Topological Insulator, MTI)のヘテロ構造にゲート，ソース，ドレインを設けたFET型素子を提案し，TI/MTIの電界効果について考察した．TI/MTIにおける縦伝導度・横伝導度から，damping-like, field-likeのスピン軌道トルク(Spin-Orbit Torque, SOT)を定式化した．また，ゲート電圧を制御することでフェルミレベルをチューニングすることで，トルクの大きさを制御できることを示した．さらに，近年注目されている電圧制御磁気異方性(Voltage-controlled Magnetic Anisotropy, VCMA)にも着目し，低消費電力で磁気異方性が制御できる可能性を示した．不揮発性メモリの展開として，SOTおよびVCMAを組み合わせた磁化制御方法を提案した．実装が容易なns幅のパルス電圧印加を想定した，ゲート電圧およびソース-ドレイン電圧を組み合わせることで，メモリ動作が実現可能であることを示した．ソース-ドレイン電流及びゲート電圧印加からメモリ動作に必要な消費電力を見積もったところ，従来の磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)よりも1から2桁以上もの超低消費電力なメモリ動作が期待される．
さらに，TIがフェルミレベル制御によりp型，n型の伝導特性を有することに着目し，熱電素子としての可能性も調べた．表面状態を最大限に引き出すため，周期的なナノ構造を形成した素子を提案し，その伝導特性を調べたところ，無次元熱電性能指数zTが1を超える可能性を示唆した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
初年度はコロナ禍により予定していた機器導入の遅れがあったが，計画を一部変更して，素子の基本原理設計に注力した．次年度以降に機器導入を進めて，最終年度までには計画どおり実施する予定である．
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| 今後の研究の推進方策 |
理論検討からゲート電極を設けたFET型メモリ素子が有効であることがわかったため，今後は，FET型素子を主体としてスピン軌道トルクの電圧制御，磁気異方性の電圧制御に加えて，ダンピング定数の電圧制御についても検討する．また，TIの特殊な伝導特性を利用した情報処理およびスピン波スピン流輸送についても考察する予定である．材料検討の進捗に合わせて，これらの原理実証を予定している．
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