シリコン基板上への高スピン偏極強磁性薄膜の創製とスピントロニクスデバイスへの展開

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14J01804
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 伊藤 啓太 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Keywords: 強磁性体薄膜 / 金属窒化物 / 分子線エピタキシー / 異方性磁気抵抗効果 / 少数スピン伝導

Outline of Annual Research Achievements

NixFe4-xNについて、昨年度の研究においてx = 3にて高い負のスピン分極率(-0.86)が第一原理計算から予想された。また、固体Fe、Niと高周波プラズマN2の同時供給による分子線エピタキシー(MBE)法により、SrTiO3(001)基板上にエピタキシャル成長したNi3FeN薄膜ではキュリー温度が266 Kとなり、粉末試料の報告例とよく一致した。一方でこれは、反応性スパッタ法で作製されたNi3FeN薄膜における、室温で6%の正の異方性磁気抵抗(AMR)効果の観測報告例とは相反する実験結果である。そこで、MBE法により作製したエピタキシャルNiFe3NおよびNi3FeN薄膜のAMR効果を測定し、その発現温度と符号を検証した。
膜厚50 nmのNiFe3NおよびNi3FeN薄膜を、[100]が長手方向の幅0.2 mmのホールバー形状に加工し、測定温度5-300 Kの範囲で、外部磁場30 kOe、直流電流0.2 mAのもとでAMR効果を測定した。結果、Ni3FeN薄膜の室温におけるAMR比はほぼ0であり、スパッタ膜の報告とは異なる結果となった。また、双方の試料で広い温度範囲で負のAMR効果が観測された。室温における大きな正のAMR効果は、Ni3Feの特徴と一致することから、過去の報告例のNi3FeN薄膜については、N抜けが示唆される。Kokadoらの理論によれば、負のAMR効果はs↑→d↑またはs↓→d↓のs-d散乱機構で説明される。第一原理計算の結果、NiFe3NおよびNi3FeNのフェルミ準位における状態密度は3d少数スピンが支配的であるため、これらの負のAMR効果はs↓→d↓の散乱機構に起因する。したがって、NiFe3NとNi3FeNについても、Fe4Nと同様に少数スピン伝導が優勢であり、シリコンとの格子不整合率が小さい少数スピン伝導強磁性体材料を新たに発見した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Highly oriented epitaxial (α′′+α′)-Fe16N2 films on α-Fe(001) buffered MgAl2O4(001) substrates and their magnetization (2017)
  • Author(s): S. Higashikozono, K. Ito, F. Takata, T. Gushi, K. Toko, and T. Suemasu
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.11.048
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Negative anisotropic magnetoresistance resulting from minority spin transport in NixFe4-xN (x = 1 and 3) epitaxial films (2017)
  • Author(s): F. Takata, K. Kabara, K. Ito, M. Tsunoda, and T. Suemasu
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 121 Pages: 023903-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4974002
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Epitaxial growth and magnetic properties of NixFe4-xN (x = 0, 1, 3, and 4) films on SrTiO3(001) substrates (2016)
  • Author(s): F. Takata, K. Ito, S. Higashikozono, T. Gushi, K. Toko, and T. Suemasu
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 120 Pages: 083907-1-7
  • DOI: 10.1063/1.4961734
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electrical detection of magnetic domain wall in Fe4N nanostrip by negative anisotropic magnetoresistance effect (2016)
  • Author(s): T. Gushi, K. Ito, S. Higashikozono, F. Takata, H. Oosato, Y. Sugimoto, K. Toko, S. Honda, and T. Suemasu
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 120 Pages: 113903-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4962721
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Growth and magnetic properties of epitaxial Fe4N films on insulators possessing lattice spacing close to Si(001) plane (2016)
  • Author(s): K. Ito, S. Higashikozono, F. Takata, T. Gushi, K. Toko, and T. Suemasu
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 455 Pages: 66-70
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.09.036
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] NixFe4-xN(x = 1, 3)薄膜の負の異方性磁気抵抗効果 (2016)
  • Author(s): 高田郁弥, 伊藤啓太, 鹿原和樹, 東小薗創真, 具志俊希, 都甲薫, 角田匡清, 末益崇
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟県
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] MBE法で作製したα'-Fe16-xMnxN2(x = 0, 1, 2)薄膜の磁気特性 (2016)
  • Author(s): 東小薗創真, 伊藤啓太, 具志俊希, 高田郁弥, 都甲薫, 末益崇
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟県
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] エピタキシャルNixFe4-xN(x = 0, 1, 3, 4)薄膜の磁気物性の評価 (2016)
  • Author(s): 伊藤啓太, 鹿原和樹, 高田郁弥, 東小薗創真, 具志俊希, 都甲薫, 角田匡清, 末益崇
  • Organizer: 第40回日本磁気学会学術講演会
  • Place of Presentation: 金沢大学、石川県
  • Year and Date: 2016-09-05 – 2016-09-08
• [Remarks] RESEARCHER ID
  • URL: http://www.researcherid.com/rid/D-3805-2016