非磁性金属元素導入によるFe/MgOの磁気異方性とその電圧変調性能の向上

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K15158
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 坂本 祥哉 東京大学, 物性研究所, 助教 (50868114)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: スピントロニクス

研究実績の概要

本研究課題の目的は、Fe/MgOをベースとした薄膜に着目し、GaやAlなどの比較的軽い元素を導入することで、磁気異方性やその電圧変調効率を向上させることである。
初年度に引き続き、Fe/MgO薄膜そのものに着目した研究を継続した。初年度は、放射光施設フォトンファクトリーで深さ分解X線磁気円二色性分光実験を行い、Feのスピンと軌道磁気モーメントがMgO界面で顕著に増大していることを明らかにし、Feの電子の界面における局在と増強した電子相関がこの増大をもたらすことを示した。最終年度には、V/Fe/MgO三層膜においてV層の厚みを変化させることにより、格子の歪みがFe/MgOの磁気異方性に与える影響を明らかにした。これらの結果は、Fe/MgOをはじめとした物質界面で現れる現象の理解をさらに深めるものである。
次に、Alを導入したFe3Alエピタキシャル薄膜の成膜に取り組んだ。初年度には、0.5nm程度に超薄膜化したFe3Alを用いて磁気異方性やその電圧変調効率を評価したが、磁性が界面で消失する界面デッドレイヤーが性能向上を妨げていることがわかった。最終年度には、このデッドレイヤーの影響を取り除くべく、薄いMgAl2O4層をFe3AlとMgOの間に挿入することを試みたが、MgAl2O4層の挿入はデッドレイヤーを増加させ、界面磁気異方性とその電圧変調効率の向上にはつながらなかった。
上記に並行して、単にVやAlをFeにドープすることで、Feにホールや電子をドープしフェルミ面を動かすことで性能向上を試みた。AlでFeに電子ドープした場合は、磁気異方性の電圧変調効率が減少したが、VでFeにホールドープした場合には、その増強が見られた。この結果は、さらなる性能向上のためには、重元素の導入によってスピン軌道相互作用を増強するだけでなく、バンド構造そのものを最適化する必要があることを示唆している。

研究成果

• [国際共同研究] University of York(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of York
• [雑誌論文] Electron Correlation Enhances Orbital Polarization at a Ferromagnetic Metal/Insulator Interface: Depth-Resolved X-ray Magnetic Circular Dichroism and First-Principles Study (2022)
  • 著者名/発表者名: Shoya Sakamoto, Masahito Tsujikawa, Masafumi Shirai, Kenta Amemiya, and Shinji Miwa
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 4 ページ: 1794-1799
  • DOI: 10.1021/acsaelm.2c00049
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of perpendicular magnetic anisotropy at the Fe/MgO interface by phthalocyanine insertion (2022)
  • 著者名/発表者名: Shoya Sakamoto, Edward Jackson, Takeshi Kawabe, Takuya Tsukahara, Yoshinori Kotani, Kentaro Toyoki, Emi Minamitani, Yoshio Miura, Tetsuya Nakamura, Atsufumi Hirohata, and Shinji Miwa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: － ページ: －
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Influence of epitaxial strain on the perpendicular magnetic anisotropy of Fe/MgO systems (2021)
  • 著者名/発表者名: Masanobu Shiga, Shoya Sakamoto, Takaya Tsujikawa, Ryoya Ando, Kenta Amemiya, and Shinji Miwa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: L140406
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.L140406
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of spontaneous x-ray magnetic circular dichroism in a chiral antiferromagnet (2021)
  • 著者名/発表者名: Shoya Sakamoto, Tomoya Higo, Masanobu Shiga, Kenta Amemiya, Satoru Nakatsuji, and Shinji Miwa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 134431
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.134431
  • 査読あり
• [学会発表] Observation of spontaneous x-ray magnetic circular dichroism in the antiferromagnetic Mn3Sn thin film (2022)
  • 著者名/発表者名: Shoya Sakamoto, Tomoya Higo, Masanobu Shiga, Kenta Amemiya, Satoru Nakatsuji, and Shinji Miwa
  • 学会等名: 2022年 第69回 応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Spontaneous x-ray magnetic circular dichroism in the antiferromagnetic Mn3Sn epitaxial thin film (2022)
  • 著者名/発表者名: Shoya Sakamoto, Tomoya Higo, Masanobu Shiga, Kenta Amemiya, Satoru Nakatsuji, and Shinji Miwa
  • 学会等名: 24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2022)
  • 国際学会