【研究領域課題番号】19K05246 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

Magnetoelectric effect / Condensed matter theory / Magnetism / Spintronics / Transition metal oxides / High-Tc magnetism / Materials physics / Magnetoelectricity / Quantum modelling / Magnetic semiconductors / Frustrated magnets / Ferroelectricity / Hexagonal complex oxides / Theory of materials / magnetic semiconductors / frustrated magnets / magnetoelectricity / ferroelectricity

【研究成果の概要】

本プロジェクトは、デバイス応用をにらんで、大きな磁化と新奇な電気磁気相互作用を持つ六方晶YMnO3型または類似構造を持つ酸化物磁性体を探索した。具体的な成果は以下の通りである。
１LuFeO3型システムにおいて、電場誘起スピン再配列と180°の電気磁気スイッチングを起こす、新しいコリニア型フェリ磁性を実現する方策を立案した。２(LuFeO3)m/(LuFe2O4)超格子の室温マルチフェロイック挙動の微視的なメカニズムを提案した。３.Co置換BiFeO3のスピン状態と強磁性発現の関係を提唱した。４．斜方晶鉄酸化物、クロム酸化物におけるスピン再配列の微視的モデルを提唱した５．室温極性金属を設計した。

【研究の社会的意義】

Our research provides a possible answer to the present quest for the multiferroic and Magnetoelectric system that can exhibit large magnetization and efficient magnetization control by the external means, for the potential application in novel devices such as voltage-controllable magnetic memories.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】26870086 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジカル絶縁体 / トポロジカル結晶絶縁体 / スピン軌道相互作用 / 2次元伝導 / メゾスコピック / 光電子分光 / 磁性 / MBE / 角度分解光電子分光 / 磁性半導体 / 狭ギャップ半導体 / ワイル半金属 / 時間反転対称性 / スピントロニクス / 半導体 / 弱反局在効果 / ディラックコーン / 強磁性

【研究成果の概要】

本研究ではトポロジカル結晶絶縁体(TCI)において、その鏡映対称性がもたらすトポロジカル表面状態（TSS）について、磁性元素の添加による影響を探ることを目指した。まずは高品質単結晶薄膜SnTeにおいて2次元弱反局在効果を観測し、それがTSS由来であることを明らかにした。また補償元素Sb添加を行った所、バルクキャリア低減と、さらにp型・ｎ型両タイプの作製に成功した。その試料において角度分解光電子分光測定を行った結果、TSS由来のディラックコーンの観測に成功した。またSnTeへの磁性元素Mnのドーピングによって強磁性化することにも成功し、低Mn濃度試料では強磁性とTSSが両立しうることを示した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【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】応用物理学一般

【研究領域課題番号】24860014 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゲート素子 / スピントロニクス / 電界効果 / 磁性 / イオン液体 / 強磁性 / カルコゲナイド / 磁性半導体 / 酸化膜 / 界面効果 / 磁気異方性

【研究成果の概要】

本テーマでは低消費電力で高速・大容量の情報処理・通信に向けたスピンデバイス開発を目指して、高いキュリー温度を示す磁性半導体におけるゲート電圧印加による磁性制御を目指した。まず磁化曲線の明確なカルコゲナイド強磁性薄膜Cr1-δTeにおいて、イオン液体を用いたゲート素子を作製しその磁性を制御することに成功した。その技術を応用し室温強磁性を示す(Zn,Ct)Teにおいて、保磁力の大きさをゲート電圧によって可逆的に変化させることに成功した。またこれによって、(Zn,Cr)Teの強磁性機構の手がかりを得ることができた。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2012-08-31 - 2014-03-31

【配分額】2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】14605001 (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 / 磁性半導体 / スピン依存光物性 / スピン依存電気伝導 / キャリア誘起磁性 / ナノ構造 / 量子情報処理 / 磁性体・半導体複合構造

【研究成果の概要】

従来の半導体物性に「スピン」という新しい自由度をもたらす様々な材料や構造が作製されるようになり、スピン機能を利用したデバイス実現へ向けた多くの基礎研究が行われるなど、これまで半導体ではあまり意識されなかったスピンを積極的に利用しようという研究が、ここ数年急速に進展している。本企画調査は、「半導体ナノスピントロニクス」分野およびその関連分野の研究者を集め、半導体や磁性体と半導体の複合構造中のスピンが関与する物性・機能およびその応用に関する研究成果について、集中的に討議することにより「半導体ナノスピントロニクス」の基本的な理解を深め,新しいスピン制御デバイスヘの応用の可能性を拓くことを目的として行われた。具体的には、平成14年12月19,20日に仙台国際センターにおいて「半導体中のスピン現象とその応用」に関する総合的な研究会(Physics and Application of Spin-related Phenomena in Semiconductors ; PASPS-8)を開催し、磁性原子を添加した半導体のバルク結晶や薄膜、磁性体と半導体から成る複合構造、非磁性半導体の量子構造、それらを微細加工した「スピントロニクスナノ構造」を対象に、(1)材料・構造の作製に関する材料科学、(2)キャリアスピン、磁性原子のスピン、光の間の相互作用に起因した光・電子物性,(3)キャリアあるいは磁性原子のスピンと伝導電子との相互作用に起因した電気伝導物性、(4)非磁性半導体中に注入・励起されたキャリアスピンのスピン緩和・スピンコヒーレンスなどのスピン物性、(5)以上述べた種々のスピン依存現象の応用可能性、に関して理論、実験、デバイス応用など様々な面からの研究課題を、口頭発表・ポスター発表形式で議論し、「半導体ナノスピントロニクス」と呼ばれる新分野の基盤技術を固めるとともに、21世紀の新しいエレクトロニクスに向けた我が国における研究コミュニティーを形成することができた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2002

【配分額】2,500千円 (直接経費: 2,500千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】12450007 (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 / 磁性体・半導体複合構造 / 光磁化 / メタマグネット / 協同現象 / ナノテクノロジー / メタ磁性 / キャリア誘起磁性 / 磁性半導体 / 超常磁性 / 磁性体・半導体融合構造 / GaAs / Fe / ナノクラスター / 光誘起磁性 / 分子線エピタキシー / 光磁気記録

【研究成果の概要】

申請者はGa-Fe-As化合物磁性体を内包したGaAs薄膜に光を照射すると室温で磁化率が可逆的に変化する現象「光誘起磁性」を見出したがその起源は全く未解明であった。本研究は、なぜGaAs-Fe系において「光誘起磁性」が発現するのかを4年間で追究し、半導体・磁性体融合(複合)系による機能性ナノ構造を世界に先駆けて呈示することを目的としている。また、GaN系複合薄膜についても検討した。
様々な堆積方法でGa-Fe-As系複合薄膜を分子線堆積法で作製し、得られた試料を光導入SQUIDにより系統的に研究した。その結果、[GaAs(100nm)/Fe_3GaAs(50nm)/GaAs(100nm)]を一つのユニットとする堆積プロセスを基板温度600℃でGaAs(100)基板に堆積させて形成される薄膜において、従来の4-5倍の磁化率変化を引き起こす薄膜が得られることを見出した。ナノ電子ビームによる結晶構造解析と組成分析、ならびに広い範囲における磁性を調べた結果、試料表面部分100nmの領域にFe_3Ga_4多結晶が選択的に形成されており、この物質が光変調磁性を引き起こしていることを突止めた。Fe_3Ga_4はメタ磁性体金属として知られている物質であるが、この物質が光誘起磁性を示すことはこれまで報告されていなかった。様々な印加磁場と光照射パワーにおいて光照射実験を繰り返して調べた結果、光照射の熱発生で磁化率が増加する「熱モード」の寄与と、それ以外、すなわち、光励起に起因すると思われる「光モード」による2種類の発現機構が存在することを見出した。ちなみに、この薄膜素材の温度上昇は光照射パワー10mW当たり3-5Kと見積もった。実験データの総合的な解釈が正しければ、「光モード」で起こる磁化増加を示す世界初の発見である可能性が期待される。ただし、研究開始時に仮説として導入した「磁性微粒子間の相互作用の光変調」モデルについては見直しが必要である。光励起と磁性に関する原理の解明は今後の研究課題となる。物性研究と平行して進めた応用研究では、光磁化駆動カンチレバーを実験的に呈示し、全光MEMS開発への道を開いた。今後、Fe_3Ga_4単結晶薄膜ならびにドット集合体の挙動を探って、光モード磁化増加の原理と高速応答の可能性を解明したい。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2003

【配分額】14,400千円 (直接経費: 14,400千円)