2018 Fiscal Year Annual Research Report
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17J09702
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
牙 暁瑞 九州大学, システム情報科学府, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | スピン波 / マイクロマグネティックス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
規則格子強磁性材料であるL10型FePdに着目し,単結晶MgO(100)基板を使用して基板温度400℃で成膜し、L10構造化を促進するために500℃で12時間ポストアニールを行った。試料振動型磁力計による測定結果から、垂直磁気異方性（6-7 kOe）を付与することに成功したことを確認した。
垂直磁気異方性を有する人工格子膜[Co/Ni]Nをガラス基板の上に室温で成膜し、強磁性共鳴測定を行った。強磁性共鳴によるエネルギー吸収の測定において十分な感度を確保するため、[Co/Ni]Nの層数を40層に設定し、エネルギー吸収の測定実験を行い、強磁性共鳴周波数は10GHzになることを確認した。
低ダンピング磁性材料であるFe、Co90Fe10およびCoFeBを用いて、これらを単結晶MgO(100)基板の上に高温（200 ~400℃）で成膜し、4回対称異方性を付与することに成功した。X線回折結果から、 [001]軸が垂直に優先配向していることが明らかになった。また、Co90Fe10薄膜では強磁性共鳴周波数とバイアス磁界の向きおよびバイアス磁界強度の関係を実験により求め、コンピュータシミュレーションと比較した結果、ほぼ完全な一致が見られた。さらにCo90Fe10においてスピン波干渉実験を行った。その結果、スピン波を利用したロジックゲート動作を実証した。
電圧励起スピン波素子の材料として提案されたCoFeB/MgOの界面垂直磁気異方性を模擬するために原子モデルとマイクロマグネティクスロモデルを用いた。スピン波のプリセッション周波数が励起周波数の半分になるというパラメトリック現象が生じることを示した。また、この現象の出現条件を解析した結果、周囲温度と形状磁気異方性が大きく関与していることを明らかにした。更に多入力素子におけるパラメトリック現象を利用することで多ビット演算が可能であることを示した。
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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
CoFe合金薄膜をスピン波媒体とするデバイスを作製し，スピン波の位相を論理入力とする論理演算機能の実証に成功する等，優れた研究成果を得ている．特定組成(Co90Fe10)と適正成膜温度(400℃)において，顕著な4回対称磁気異方性を呈することを見出し，同膜が素子微細化に際しても安定なスピン波伝搬特性を維持可能であることを示している．外部磁界の印加による論理演算機能の可変性を実験により示し，機能再構成型デバイスとしての可能性を拓いた．
動作高速化に向けたミリ波域スピン波材料の探索を推進し，Co/Pd人工格子膜においてスピン波共鳴吸収の電気的検出に成功している．また，低磁気損失であることから省電力動作が期待できるFePd規則格子合金に着目し，垂直磁気異方性増大のための下地層や成膜条件等を明らかにしている．
さらに，極低電力でのスピン波励起法として，電界誘起磁気異方性変調を提案し，マイクロマグネティクスシミュレーションによりその有効性を示している．同効果によるスピン波の励起様態がシグモイド関数型のしきい値特性を示すことから，ニューロモルフィック素子への応用が可能であることを示している．また，新たにアトミスティックシミュレーション手法を独自に開発し，同効果の発現機構の詳細を明らかにしている．
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| Strategy for Future Research Activity |
L10型FePdに対して、ネットワークアナライザによる伝送特性測定により強磁性共鳴測定の実験を行ったが、垂直磁気異方性が弱いため反磁界によって磁化が面内に向いてしまうこと、磁化を垂直方向に飽和させるには反磁界以上の大きなバイアス磁界を印加する必要があるが装置の制約から十分なバイアス磁界を印加することができないという理由から強磁性共鳴の検出はできなかった。今後は、成膜条件とアニール条件の調整により異方性の向上をねらい、強磁性共鳴検出およびスピン波伝搬・干渉実験を実施する。
[Co/Ni]Nのエネルギー吸収の測定実験を行い、強磁性共鳴周波数は10GHzになることを確認したが、ダンピング定数が比較的大きな材料であるためスピン波共鳴は確認できなかった。今後は[Co/Ni]Nを利用しスピン波伝搬・干渉実験を行う予定である。
Fe、CoFe、CoFeBの面内磁化膜に高次のスピン波と推測されるエネルギー吸収も確認されており、スピン波伝搬・干渉実験を成功した。今後は、様々な形状の磁性細線パターンを作製し、形状磁気異方性や4回対称異方性強度を変えてスピン波の2次元的な伝搬を実証する予定である。
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