2016 Fiscal Year Annual Research Report
Microscopic understanding of interface spin-orbit coupling and development of perpendicular magnetic anisotropy devices
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16H06332
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
三谷 誠司 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, グループリーダー (20250813)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡林 潤 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70361508)
三浦 良雄 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 准教授 (10361198)
介川 裕章 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主任研究員 (30462518)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 磁性 / 表面・界面物性 / 超薄膜 / スピン軌道相互作用 / 垂直磁気異方性 / 軌道分光 / 第一原理計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
垂直磁気異方性等の重要な機能性の起源となる界面スピン軌道結合の微視的解明に関して、(1) 高品位試料作製と物質探索、(2) XMCDを中心とした磁気分光、(3) ヘテロ接合系の第一原理計算を推進した。
高品位試料作製・物質探索では、格子整合により歪効果を排除したCo2FeAl/MgAlO界面において大きな垂直磁気異方性を観測した。特性に優れるだけでなく、本質的な界面効果と歪誘起異方性と分離したことに意義がある。また、Co2FeAlの最適組成を探索することで、更に大きな垂直磁気異方性を実現しつつある。この他に、新規プロセスのスパッタ法で作製したW/Fe/MgOという積層構造において垂直磁化膜を実現した。従来、純Feを用いた場合には、スパッタ法では垂直磁化膜を作製することができなかったが、角形比がほぼ１となる理想的な特性が得られている。今後、この手法による多彩な純Fe系垂直磁化積層膜の創製が可能となる。また、予想を超える成果としては、アモルファスCoFeBを用いた新構造積層膜の垂直磁気異方性が挙げられる。Rashba効果との関連性が示唆される結果であり、発現機構解明のための実験研究を引続き行う。
磁気分光に関しては、上記の試料の評価・解析に加え、Co/Pd多層膜に関する詳細な研究を行い、Pdのスピン軌道相互作用がCoとの界面に軌道異方性を誘起することを明確にした。一方、Pd自身には軌道異方性はほとんどなく、四極子型スピン配列に起因した軌道状態であることを世界に先駆けて明らかにした。加えて、Co/Ptに近接するCuに誘起される垂直磁化の観測にも成功した。
第一原理計算では、Co/Pd積層膜の解析に加え、Fe系界面の磁気ダンピングの電圧変調効果を計算し、垂直磁気異方性との関連を含めて解明した。垂直磁気異方性と磁気ダンピングの間に一定の相関があることを示す重要成果である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
界面スピン軌道結合の微視的解明に関して、(1) 高品位試料作製と物質探索、(2) XMCDを中心とした磁気分光、(3) ヘテロ接合系の第一原理計算を推進し、明確な進捗を得た。特に、これらの連携によって、垂直磁気異方性等の微視的理解が着実に進んだことが重要なポイントである。
高品位試料作製では、計画通り完全格子整合化を図ることで、Co2FeAl等を用いた積層構造において垂直磁気異方性を増大させることに成功した。更に、新規物質系の開拓も予想以上に進んでおり、W/Fe/MgO積層膜やCoFeBに新規下地層を配した構造において垂直磁気特性を実現した。３つの主軸の連携として、これらの試料の磁気分光や第一原理計算も進んでおり、純Fe系に関しては垂直磁気異方性発現メカニズムの理解がほぼ固まりつつある。CoFeB系の研究については、まだ研究途上であるが、研究計画時に想定した高い新規性が見込まれる。
磁気分光に関する特筆すべき成果としては、Co/Pd積層膜のXMCDの結果であり、Co/Pd界面のスピン軌道結合の様子を目論見通り詳らかにしている。この成果では、第一原理計算との協働によるところも大きく、本研究の狙ったところである。Co/Ptに近接するCu中の磁気分極の観測も世界初の成果であり、磁気分光が強力な手法であることを実証している。
第一原理計算は本研究計画全般の進捗にに寄与しており、スピンおよび軌道分解した物性解析は界面スピン軌道結合に関する理解をこの１年で大幅に増進させた。W層を含む純Fe系積層構造やCo/Pd積層構造に関する計算はでは、詳細かつ具体的成果が得られている（含、論文投稿中）。また、Rashba効果に起因する垂直磁気異方性の計算も着手されており、今後の重要な進捗が見込まれるところである。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 高品位試料作製と物質探索、(2) XMCDを中心とした磁気分光、(3) ヘテロ接合系の第一原理計算という本研究の３つの主軸が密に連携して研究が進捗しているため、基本的に当初計画通り研究を進める。
具体的には、H30年度までは界面スピン軌道結合の物理の理解に注力し、これまでの研究を発展させる。Rashba効果起因の垂直磁気異方性および関連物性については、当初予測していなかった新規物質系に関する研究を含めて重点的に取り組む。加えて、それに関連する更なる物質系開拓、超高分解能光電子分光の立ち上げ、X線磁気円二色性による軌道磁気モーメントの精密測定手法の開発、第一原理計算による磁気物性の新規計算手法の開発を推進する。これらにより、垂直磁気異方性等のスピン軌道結合に起因する物性の設計指導原理の確立を目指す。
H31年度以降は、巨大な垂直磁気異方性の実現とそれを利用した新規デバイスの開発、界面スピン軌道結合に起因する巨大異方性磁気抵抗素子等の実現を目指す。
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