【研究領域課題番号】18H01465 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マグネタイト / 強磁性トンネル接合 / トンネル磁気抵抗効果 / スピントロニクス / Fe3O4 / XMCD / ハーフメタル

【研究成果の概要】

Fe3O4は負のスピン分極を持つハーフメタル材料であると予測されているが,これまでのFe3O4電極を用いた磁気トンネル接合(MTJ)が示すトンネル磁気抵抗(TMR)効果は大きな値ではなく,その符号も実験的には確立されていない。本研究ではMgO(001)基板上にエピタキシャル成長したFe3O4－MTJを作製し,80Kで－55.8%の負のTMR比を実現した。この値は通常の正のTMRで用いられるTMRの定義では126%に相当する大きな値である。さらに、Fe3O4製膜時のTMRの酸素分圧依存性を調べ、TMR効果がFe3O4の相転移であるVerwey転移に影響されることを見出した。

【研究の社会的意義】

Fe3O4は第一原理計算により－100％のスピン分極を持つハーフメタルであると予測されており、スピン分解光電子分光などの分光学的な測定では大きなスピン分極率が得られていた。今回これまで示されていなかったトンネル磁気抵抗化における高いスピン分極率が実験的に示されたことは、酸化物磁性体の界面電子物性を調べる上で、学術的に重要な成果と言える。また、スピントロニクス応用の根幹であるTMR効果で大きな値が得られたことは、今後の酸化物を用いたスピントロニクス応用への道をひらく研究成果であり、本分野の今後の発展が期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】量子ビーム科学

【研究領域課題番号】24310072 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン / 陽電子 / スピントロニクス / 磁性 / 表面 / ハーフメタル / 原子空孔 / ポジトロニウム / スピン偏極陽電子 / 電子運動量分布 / 陽電子消滅寿命 / 電子スピン / 強磁性体 / 電流誘起スピン蓄積 / ラシュバ効果 / 原子空孔誘起強磁性 / ホイスラー合金 / 原sに空孔誘起強磁性 / 陽電子消滅 / スピン偏極 / 陽電子ビーム / 表面磁性 / 第一原理計算

【研究成果の概要】

3d及び4f強磁性金属のスピン偏極陽電子消滅実験を通じて、その手法の基礎を構築した。さらにその応用研究の結果、(i)ホイスラー合金Co2MnSiとNiMnSbが高いハーフメタル性を持っていること、(ii)Pd,Pt,Ta,W及びBi/Ag最表面において電流駆動によるスピン偏極が起こること、(ii)ZnOとSnO2中のカチオン空孔に外部磁場で揃う磁気モーメントが付随すること、などを見出した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】14,170千円 (直接経費: 10,900千円、間接経費: 3,270千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】24560372 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 半導体 / ダイヤモンド / ハーフメタル / ホイスラー / スピンデバイス / スピン注入 / ショットキー / 強磁性 / ダイヤモンド半導体 / ホイスラー合金 / スピントランジスタ / ショットキー接合

【研究成果の概要】

本研究ではスピントランジスタの実現の為の最重要課題である強磁性体から半導体への高効率スピン注入に関して、長スピン拡散長等の優れた特徴を持つダイヤモンド半導体と強磁性ハーフメタルCo2MnSi(CMS)を組合せて達成する試みを行った。研究成果として、高効率スピン注入に必須となる急峻なハーフメタルCMS/ダイヤモンド半導体界面が～300℃でのCMSの低温成長により得られる事を明らかにし、CMS/高濃度不純物ドープダイヤモンド接合を用いた３端子ハンル測定によりスピン注入由来と思われる信号を得た。スピン緩和時間は～7nsと見積もられたが、高不純物ドープ半導体を用いている事を考慮すると大きな値である。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】22760250 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子デバイス・スピンデバイス / ダイヤモンド / ダイヤモンド半導体 / 強磁性 / スピン注入 / スピンデバイス / ハーフメタル / ショットキー接合 / スピントロニクス / 強磁性体 / ホイスラー合金

【研究成果の概要】

本研究では、ダイヤモンド半導体と強磁性体を融合する事により、新規スピンデバイスを作製する事を目的とした。その結果、以下の3つの重要な成果を得た。
(1)ダイヤモンド上で強磁性ホイスラーハーフメタル(Co_2MnSi)がエピタキシャル成長する事を初めて見出した。(2)ダイヤモンド半導体を用いた強磁性ショットキー接合を作製し、障壁高さが強磁性体の仕事関数の選択により制御可能である事を示した。(3)強磁性Ni/高濃度ホウ素ドープダイヤモンド半導体を用いた3端子測定から、スピン注入に由来の信号を得た(τ=～20ps)。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2010 - 2011

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】構造・機能材料

【研究領域課題番号】22246091 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁性材料 / スピントロニクス / ハーフメタル / ホイスラー合金 / スピン分極率 / CPP-GMR / 巨大磁気抵抗

【研究成果の概要】

高いスピン分極を示す強磁性材料の探索を点接触アンドレーフ反射法(PCAR)によるスピン分極率の直接測定により行った。Co2Fe(Z,Z')系ならびにCo2Mn(Z,Z')系４元系ホイスラー合金を中心に探索し、伝導電子分極率PPCAR>0.7 でスクリーニングされた材料で良質の薄膜を作製し、薄膜の熱処理に伴うB2, L21規則化とスピン分極率の相関を調査し、新材料のスピントロニクス応用という観点からの適合性を検討した。新規探索されたホイスラー合金と種々のスペーサー層を用いて面直電流巨大磁気抵抗素子(CPP-GMR)を試作し、磁気抵抗出力の大幅な向上に成功し、再生ヘッド応用の可能性を検討した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010-04-01 - 2014-03-31

【配分額】49,920千円 (直接経費: 38,400千円、間接経費: 11,520千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】20360005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

新機能材料 / ハーフメタル / スピントロニクス / 反強磁性体 / スピン分極率 / アンドレーエフ反射

【研究成果の概要】

本研究では、高スピン偏極特性、かつ低(ゼロ)磁気モーメント性を併せ持つ、高機能なスピン制御材料を創製、及び新規なデバイス機能を探求することを目的とした。
(1)ハーフメタルの低磁気モーメント化:Fe系ホイスラー合金Fe_2(Cr_<1-x>M_x)Si(M=Ti,V)系バルク試料の実験により、Fe系ホイスラー合金は、従来に比較して1/2以下の低磁気モーメント性を持ち、擾乱耐性に優れたハーフメタルであることが明らかになった。
(2)反強磁性ホイスラー合金の歪み効果:格子整合MgAl_2O_4基板を用い、Fe_2VSiのエピタキシャル薄膜歪みを精密制御により、反強磁性ネール温度T_Nの大幅(50%)なエンハンスを見出した。
(3)反強磁性体のハーフメタル化:二重ペロブスカイトSrLaVMoO_6において、反強磁性状態と有限のスピン分極が共存することを初めて実証した。また、SrLaVMoO_6エピタキシャル薄膜の特性評価から、光電子分光によりハーフメタル電子構造の実験的証拠を得た。
(4)ナノヘテロ構造を用いた検討:ナノヘテロ構造における界面ハーフメタル性の直接的検証方法として超伝導NbN接合法を開発した。この手法を、電気伝導スピン分極率P_σがハーフメタルと予測されているFe_4Nに適用して、精密定量化を実証した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】18,200千円 (直接経費: 14,000千円、間接経費: 4,200千円)