2019 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, 副拠点長 (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 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 (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, 主幹研究員 (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 / 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 |
先端的な界面原子層制御、磁気分光による微視的評価、第一原理計算を結集し、界面スピン軌道結合の微視的理解とデバイス開発に向けた機能性の創出を行った。以下に主要な成果を列挙する。
(1)Fe酸化物層を固相反応で還元することによって、界面垂直磁気異方性を示す新規ヘテロ構造を創製した。Cr系酸化物層が界面に生成されることで、設計上は３層構造であるが、実際に得られた試料は単結晶の４層構造である。特筆すべき点は構成元素であり、Feと遷移金属(Cr)酸化物との間の界面に顕著な垂直磁気異方性が得られている。これは、従来のFe/MgO等での界面垂直異方性と異なる発現メカニズムによる可能性がある。
(2)Fe/MgO界面垂直磁化膜において、X線磁気線二色性（XMLD）の測定・評価手法を開拓した。大きな磁気異方性を有する試料のX線磁気円二色性（XMCD）の測定では、困難軸方向への磁化の飽和がしばしば問題となるが、今回の手法ではXMLDの特長を利用することで強磁場を必要としない。また、解析の結果、Fe/MgO系の界面垂直磁気異方性では、軌道の異方性が発現機構の主要項であり、四重極項の寄与は大きくないことを実験的に明らかにした。
(3)従来の研究では、ほとんどの場合において、磁気ダンピングの第一原理計算はバルク構造に対して行われてきた。界面垂直磁気異方性を利用する磁気デバイスでは、界面由来の磁気ダンピングが重要であるため、Fe/MgAl2O4系積層構造について磁気ダンピングの第一原理計算を行った。界面の原子配列によって系の磁気ダンピングは明確な変化を示し、磁気異方性と同様に界面電子構造の効果が大きいことが明らかになった。関連する実験結果の理解に寄与したことに加え、界面由来の磁気ダンピングを詳細に調べた理論研究はこれが世界初であると思われる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
論文投稿中のものあり、すべてが公表に至っているわけではないが、計画した以上の新規性を有する研究成果が得られるとともに、大きな界面垂直磁気異方性を用いたデバイス創製についても目立った進捗が見られる。
まず第一には、Fe酸化物層を固相反応で還元することで界面垂直磁気異方性を示す新規ヘテロ構造を創製した。設計上は３層構造であるが、実際に得られた試料は４層構造となる斬新なヘテロ構造生成手法である。物性面にも新たな発見があり、従来の材料系からは類推できないこととして、Feと遷移金属(Cr)酸化物との間の界面に顕著な垂直磁気異方性が得られている。遷移金属酸化物は誘電率がMgOなどより大きく、また、原子変位の効果も期待されるため、磁気異方性の高効率電圧制御を実現するデバイス創製につながると期待される。
磁気分光の手法開発についても大きな進展があった。垂直磁化膜にX線磁気線二色性（XMLD）による評価を適用し、垂直磁化膜におけるXMLDの有用性を明確にした。d軌道の四重極モーメントに係る寄与を定量化するユニークな手法であり、今後、界面垂直磁気異方性発現機構の研究で不可欠になると考えられる。
ヘテロ構造における界面由来の磁気ダンピングの第一原理計算を行い、界面原子配列との相関を明らかにしたことも強調すべき成果である。実験結果との比較も行い、良い理解を与えている。界面磁気ダンピングの理論計算という観点で、世界初の成果と言えるものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度には、これまでに蓄積したノウハウを最大限に活用し、研究の総まとめと応用展開に注力する。具体的には、以下の項目に代表されるような方針とする。
(1)Fe/W/MgAlO系のような第一原理計算によって巨大物性が理論予測されているヘテロ構造や、昨年度見出したFe/CrO/MgOのような新規物質系について高品位試料を作製し、デバイス応用のための巨大垂直磁気異方性とその電圧制御の実現を図る。このとき、X線磁気線２色性（XMLD）の測定・評価手法を活用し、Bruno機構に依らない新奇巨大垂直磁気異方性ヘテロ構造物質系を探索も並行して行う。磁気光学総和則の枠組みを越える新しい軌道状態評価法を考究するとともに、磁気線２色性に基づく、応用に向けた材料系探索指針の確立を目指す。
(2)界面Rashba分裂や大きなスピン軌道結合を示すトポロジカル物質について引き続き研究を進める。必要に応じて酸化物強磁性体や強磁性Au合金およびPt合金を用い、巨大な垂直磁気異方性エネルギーを有する垂直磁化ヘテロ構造の実現を目指す。
(3)磁気ダンピングの第一原理計算に関しては、引き続き実験結果との比較を進め、巨大垂直磁気異方性と低磁気ダンピングの両立のための指導原理を明らかにし、MRAM等の応用デバイスでの材料開発に寄与する。
(4)巨大異方性トンネル磁気抵抗（TAMR）、スピンホール効果、軌道ホール効果に関する研究の一層の加速を図る。巨大なスピンホール磁気抵抗効果を実現することにより、単純な構造を有し、広範な応用分野が期待される新規磁気抵抗効果デバイスの開発を狙う。
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