| 研究課題/領域番号 |
24226001
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| 研究種目 |
基盤研究(S)
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
安藤 康夫 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60250726)
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| 研究分担者 |
大兼 幹彦 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50396454)
永沼 博 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60434023)
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| 研究期間 (年度) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| キーワード | スピントロニクス / 規則合金 / ホイスラー / 高磁気異方性 / ヘテロ接合 / 生体磁場 / 磁気センサ |
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| 研究概要 |
L10規則構造を有する高磁気異方性材料の高品位薄膜作製と物性の評価
TMRデバイスの作製を念頭におき，規則構造であるL10合金とMgO膜の界面にスピン分極率の高い材料を挿入し，高磁気異方性を保ちつつ高い磁気抵抗効果を得るための条件探索を行った。
MgO(001)-sub./Cr(40)/MnAl(50)/CoFeB(1.3)/MgO(3)/CoFe(5)/Ta(5) （単位はnm）の構造の薄膜をスパッタを用いて作製した。MnAl薄膜の堆積時の基板温度(Ts)は250℃とした。MnAl電極が(001)-配向を持ったL10-規則構造を有していることを確認した。またVSM により測定したM-H曲線から、このMnAl電極が垂直磁気異方性を有していることを明らかにした。さらにこのMnAl電極は比較的小さな飽和磁化（530 emu/cm3）、大きな磁気異方性エネルギー（1 × 107 erg/cm3）、0.4nmの小さな表面ラフネスを有していることを示した。この膜を電極に用いたトンネル接合の室温におけるTMR比は12.5%であった。L10-規則のMnAl合金薄膜を用いたトンネル接合でTMR効果を観測したのは世界で始めてである。
MgO (001)-sub/Cr(40)/Pd(10)/ FePd(t)/CoFeB(0.5)/MgO(2)/Ta(3)（単位はnm）の構造をスパッタを用いて作製した。詳細な検討の結果、熱処理温度が350℃としたときに、垂直磁気異方性は2.0nm膜厚のFePdに対して7.0 Merg/ccとなった。強磁性トンネル接合を作製するために、上部のMgOとFePd層の間にもCoFeBを挿入した。この結果、15.0nmのFePd膜に対して0.5nmのFeCoBを入れることで、5.0 Merg/ccの垂直磁気異方性を得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
・L10規則合金およびL21規則合金のいずれにおいても、当初の実験計画では初年度に薄膜作製条件を詳細に検討することを計画していた。逆にMgOの両界面を制御は次年度以降の計画を立てていた。実際には下部電極の作製条件を制御することにより、上記の目的が達成することが明らかとなったので、急遽実験を進めることとした。この結果、上部、下部ともに規則合金である強磁性トンネル接合を得ることに成功した。
・特に規則合金がL10のMnAl合金の場合、強磁性トンネル接合として十分な表面ラフネスの値を維持することに成功した結果、上部、下部をMnAlとした強磁性トンネル接合を作製することが可能となった。
・一方、L21材料に関しては高品位の薄膜作製の条件を明らかにする目的で研究を進め、概ね所望の結果が得られている。
・これらの結果のように、L10系材料においては有望な材料が2種類得られたうえに、ヘテロ接合の検討まで実験を進める事ができ、L21系材料も当初の予定どおりに研究が進捗している。このことから、上記の区分では「（１）当初の計画以上に進展している」とした。
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| 今後の研究の推進方策 |
本課題は順調に進展しており、おおまかな観点からは変更の必要はない。
特にL10系の薄膜に関しては、FePdとMnAlという二つの材料が次世代のスピントロニクスデバイスの候補ということで、昨年度は集中してこれらの材料の高品位化、デバイス化を行ってきた。今年度も引き続きデバイス化に関する検討を更に推し進め、垂直強磁性トンネル接合における磁気抵抗効果の観測、およびスピン注入デバイス作製のための予備検討という当初の方針に沿って研究を行う。
一方のL21材料に関しては、今年度は当初の予定どおりの進展であった。しかしながら今後はL21材料がポテンシャルとして持つ100%分極した状態を強磁性トンネル磁気抵抗素子の界面に生成することの重要性がますます高まってきている。このため、界面状態を制御し、大きな分極率を得るための薄膜作製方法、界面への第三元素の挿入、などを引き続き詳細に検討する必要がある。
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