【研究領域課題番号】21H01397 (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)

【研究領域課題番号】18H01485 (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 / 磁性薄膜 / 誘電体 / 交流インピーダンス特性 / 電気容量 / 表面・界面物性 / ナノ構造

【研究成果の概要】

近年、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。中でも、2層の磁性体の間に絶縁体が挟まれた磁気トンネル接合(MTJ)は、室温にて巨大なトンネル磁気キャパシタンス(TMC)効果を示すことから盛んに研究が進められている。本研究課題では、絶縁層としてMgOを用いたMTJを作製し、TMC効果の電圧依存性を調べた。その結果、室温にて300%を超えるTMC効果の観測に初めて成功し、そのメカニズムが拡張デバイ・フレーリッヒモデルで説明できることがわかった。

【研究の社会的意義】

本研究成果は、静的なスピン蓄積と交流電場下のスピンダイナミクスに関する新たな学術的知見を提供するとともに、次世代革新的超高性能メモリの実現に向けた重要な設計指針を導くと期待できる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】15H03981 (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 / 磁性ナノ薄膜 / 誘電体 / 交流インピーダンス特性 / 磁性薄膜 / ナノ構造 / マイクロ・ナノデバイス / スピンエレクトロニクス / 表面・界面物性 / 誘電体物性 / 省エネルギー / 強磁性トンネル接合 / 磁気キャパシタンス効果

【研究成果の概要】

電子の電荷とスピンの2つの自由度を利用する「スピントロニクス」は、現代のエレクトロニクスを凌駕する次世代技術として期待され、近年大きな注目を集めている。本研究課題では、強磁性ナノ薄膜間に極薄絶縁層を挟んだスピントロニクス素子を作製し、磁気キャパシタンス効果を調べることを目的とした。その結果、これまでで最大の155%の磁気キャパシタンス比を観測することに成功した。これは従来値(=50%)の約3倍を示す。また、本実験結果はデバイ・フレーリッヒ模型を用いた理論計算により定量的に説明できることがわかった。本理論によると磁気キャパシタンス比は1000%を超えることから、今後更なる発展が期待できる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】15106001 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面・界面物性 / 走査プローブ顕微鏡 / 物性実験 / 電子顕微鏡 / ナノ材料 / マルチプローブ顕微鏡 / グリーン関数STM / 表面電気伝導 / 走査トンネル顕微鏡 / 走査電子顕微鏡 / ナノ構造 / 表面構造 / 表面電子状態 / 電気伝導

【研究成果の概要】

1. 極低温4探針型STM(グルーン関数STM)装置システムの開発・建設
これは次のような性能を持つ:(a)超高真空中で稼動し、走査電子顕微鏡と結合して4探針の配置をナノメータスケールで観察できる。(b)試料および探針を7Kまで冷却でき、その温度を20時間維持できる。(c)それぞれの探針で原子分解能のSTM像観察が可能。(d)統合型コントローラによって1台のPCで4本の探針を有機的に駆動・制御できる。(e)多機能プリアンプによって、3つの測定モード(それぞれの探針による通常のSTM/STS測定モード、4探針法による電気伝導測定モード、および2探針によるトランスコンダクタンス(グリーン関数)測定モード)を切り替えできる。このような装置は世界的にみても類例が無い。
2. カーボンナノチューブ探針の開発
直径10nm程度の多層カーボンナノチューブを金属探針の先端に接続して、それ全体をPtIr被覆した導電性探針を開発することに成功した。これによって、探針間隔を最小で20nm程度まで小さくすることが可能となった。PtIrの代わりにパーマロイ(NiFe)の薄膜で被覆すると、強磁性体探針となることもわかった。
3. 応用計測
建設した装置を用いて、さまざまな計測に応用した。直径40nm程度のCoSi_2ナノワイヤの電気抵抗は、室温において、探針間隔が20nmで測定しても拡散伝導であることがわかった。Si(111)-4×1-In表面超構造の電気抵抗の温度依存性を測定した結果、In原子鎖の沿う方向とそれに垂直方向で伝導のメカニズムが異なることがわかった。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2003 - 2006

【配分額】104,780千円 (直接経費: 80,600千円、間接経費: 24,180千円)