Observation of large tunnel magnetocapacitance effect and elucidation of its mechanism

大隧道磁电容效应的观察及其机制的阐明

基本信息

批准号：
21H01397
负责人：
海住英生
金额：
$ 11.07万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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、グラフェンベース2次元材料、3次元トポロジカル絶縁体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。その結果、これまで報告されている中で最も大きい426%の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。本成果はシュプリンガー・ネイチャーグループのScientific Reportsに掲載された。また、プレスリリースを行い、日本経済新聞などのメディアにて報じられた。

电容（=电容）随磁场变化的磁电容（MC）效应在国内外引起了广泛关注，有望应用于高灵敏磁传感器、节能存储器等领域。，还有大容量的蓄电材料。从基础物理学的角度来看，MC 效应也很有趣，因为它是在时间反转对称性和空间反转对称性被破坏的系统中观察到的。迄今为止，MC效应已在多种物质、材料和器件中被发现，包括多铁材料、自旋电子器件和磁性超级电容器。最近，在有机异质结、石墨烯基二维材料和三维拓扑绝缘体中也观察到了这种现象。在本研究中，我们重点关注自旋电子器件中的磁隧道结（MTJ），旨在阐明巨隧道磁电容（TMC）效应的表现及其机制。 MTJ的结构是两层磁性层之间夹有极薄的绝缘层。本财年，我们制作了以 Fe 作为磁性层、MgAlO 作为绝缘层的 Fe/MgAlO/Fe 基 MTJ，并利用交流四端法研究了 TMC 效应的频率特性和电压依赖性。磁场。结果，他们成功观察到 TMC 比率达到 426%，这是有史以来的最高值。这些实验结果可以通过使用 Debye-Fröhlich 模型、结合 sigmoid 函数的 Jean 理论、二次函数抛物线势垒近似和自旋相关漂移扩散模型的理论计算来定量解释。这一结果发表在施普林格自然集团的科学报告上。此外，还发布了新闻稿，并在日本经济新闻等媒体上进行了报道。