巨大トンネル磁気キャパシタンス効果の発現とメカニズム解明
【研究キーワード】
スピントロニクス / 磁性薄膜 / トンネル接合 / キャパシタンス / 誘電体論 / 交流インピーダンス特性 / 表面・界面物性 / ナノ構造
【研究成果の概要】
磁場によりキャパシタンス(=電気容量)が変化する磁気キャパシタンス(MC)効果は、高感度磁気センサ、省エネメモリ、大容量蓄電材料への応用が期待されていることから、国内外で大きな注目を集めている。MC効果は時間反転対称性と空間反転対称性が破れている系で観測されることから基礎物理学の観点からも興味深い。これまでにMC効果はマルチフェロイック材料、スピントロニクスデバイス、磁気スーパーキャパシタなど、様々な物質・材料・デバイスにおいて発見されてきた。最近では、有機ヘテロ接合、トポロジカル超格子、グラフェンベース2次元材料などにおいても観測されている。本研究では、スピントロニクスデバイスにおける磁気トンネル接合(MTJ)に注目し、巨大なトンネル磁気キャパシタンス(TMC)効果の発現とそのメカニズム解明を目指す。
MTJは2層の磁性層の間に極薄の絶縁層が挟まれた構造を有する。当該年度では、磁性層としてFeを用い、絶縁層としてMgAlOを用いたFe/MgAlO/FeベースのMTJを作製し、磁場中交流4端子法によりTMC効果の周波数特性、及び電圧依存性を調べた。初めに、TMC効果の周波数特性を調べた結果、数100Hz付近でTMC比はピーク値を示し、最大で220%程度に達した。次に、その周波数帯域で電圧依存性を調べた結果、400%を超えるTMC比の観測に成功した。これらの実験結果はデバイ・フレーリッヒ模型、シグモイド関数を取り入れたジャン理論、2次関数放物線バリア近似、スピン依存ドリフト拡散模型を用いた理論計算により定量的に説明することができた。さらに、本計算によると、磁性層のスピン分極率が0.8以上の場合、TMC比は1000%を超えることが明らかになった。
【研究代表者】
【研究分担者】 |
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 | (Kakenデータベース) |
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【研究種目】基盤研究(B)
【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31
【配分額】17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)