Observation of giant tunnel magnetoresistance change by ballistic spin transport control

通过弹道自旋输运控制观察巨隧道磁阻​​变化

• 批准号: 21H01750
• 负责人: 介川 裕章
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: National Institute for Materials Science
• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01750/
• 关键词: スピントロニクス; 磁気抵抗効果; 磁性薄膜; エピタキシャル成長; トンネル磁気抵抗効果; スピントロニクス素子; 強磁性トンネル接合; スピネル; 磁気抵抗素子

本課題はトンネル磁気抵抗（TMR）素子のスピン依存伝導の改善によって室温でのTMR比の大幅な増大を狙うものである。TMR比の大幅な向上はスピントロニクス応用の幅を大きく広げ、とりわけ超高密度磁気メモリMRAMの新アーキテクチャやスピンニューロモルフィック素子の実現に向けて必須の課題である。2022年度は室温TMR比の世界最大値631%を達成した。この値は15年ぶりにTMR比の最大値を更新するものであり、TMR研究の今後の飛躍的進展を予期させるものである。TMR素子に用いた材料は従来から知られているCoFeの強磁性層とMgOのバリア層であるが、記録更新に至ったのは高い結晶品位を持つエピタキシャル膜の実現とMgO界面開拓の結果である。MgOの下側界面ではMgO成膜中の遊離酸素による下側CoFe表面の酸化が問題となり、一方、MgO上側界面では真空中熱処理中の酸素抜けによって上部CoFe層の品質を低下させることが問題であった。今回下側には金属Mg挿入、上側にはMgO表面を追酸化するプロセスを開発し、これらの条件の最適化により急速にTMR比向上がみられた。またこのTMR比向上に付随し、TMR比がMgO膜厚によって大きく周期的に変動する現象であるTMR振動も非常に大きくなった。0.3 nmの振動周期を持ち、振幅幅は最大141%（室温）に達し、TMR素子の伝導を大きく支配していることが分かった。最大TMR比の向上とTMR振動振幅の向上の関係をも示唆する結果である。このTMR振動は理論計算でも再現がなされておらず未解明であるため、今回の巨大なTMR比とその振動現象の発現は現象解明の大きなヒントとなると期待される。

该项目旨在通过改善隧道磁阻（TMR）元件的自旋相关传导来显着提高室温下的TMR比。 TMR比率的显着提高将极大地扩展自旋电子学的应用范围，对于实现超高密度磁存储器MRAM和自旋神经形态器件的新架构尤其重要。 2022年，我们实现了室温TMR比率的世界最高值631%。该值标志着TMR比率15年来首次达到最高值，并预示着未来TMR研究将取得巨大进展。 TMR元件使用的材料是传统上已知的CoFe铁磁层和MgO势垒层，但由于实现了高晶体质量的外延膜和MgO界面的开发，因此打破了记录。 。在MgO的下界面处，问题是由于MgO成膜过程中的游离氧导致下CoFe层表面的氧化，而在MgO的上界面处，问题是由于在MgO成膜过程中氧损失而导致上CoFe层的质量劣化。有真空热处理。这次，我们开发了一种工艺，其中金属镁被插入底部，MgO表面在顶部被额外氧化，通过优化这些条件，观察到TMR比的快速提高。另外，伴随着TMR比的提高，TMR振荡(TMR比根据MgO膜厚而大幅且周期性地波动的现象)也变得极大。它的振动周期为0.3 nm，振幅宽度最大达到141%（室温下），并且发现它极大地控制了TMR元件的传导。该结果还暗示了最大TMR比的改善和TMR振动幅度的改善之间的关系。这种TMR振荡即使在理论计算中也没有被重现并且仍然无法解释，因此这个巨大的TMR比率及其振荡现象的表现有望为解释该现象提供重要提示。

项目成果

Giant Tunnel Magnetoresistance at Room Temperature: Recent Progress and Prospect

室温巨隧道磁阻​​：最新进展与展望

• 发表时间: 2022
• 作者: ショーバック ジェイコブ英輔;栗間 淳;後藤 浩之;三上 武子;吉田 望;澤田 純男;Hiroaki Sukegawa
• 通讯作者: Hiroaki Sukegawa

Band-folding-driven high tunnel magnetoresistance ratios in (111)-oriented junctions with SrTiO3 barriers

• DOI: 10.1103/physrevb.106.134438
• 发表时间: 2022-10-31
• 期刊: PHYSICAL REVIEW B
• 影响因子: 3.7
• 作者: Masuda, Keisuke;Itoh, Hiroyoshi;Miura, Yoshio
• 通讯作者: Miura, Yoshio

631% room temperature tunnel magnetoresistance with large oscillation effect in CoFe/MgO/CoFe(001) junctions

631%%20房间%20温度%20隧道%20磁阻%20with%20大%20振荡%20效应%20in%20CoFe/MgO/CoFe(001)%20结点

• DOI: 10.1063/5.0145873
• 发表时间: 2023
• 期刊: Applied Physics Letters
• 影响因子: 4
• 作者: T. Scheike;Z. Wen;H. Sukegawa and S. Mitani
• 通讯作者: H. Sukegawa and S. Mitani

Giant tunnel magnetoresistance ratio and oscillation Fe/MgO/Fe(001) and Fe/MgAlO/Fe(001) magnetic tunnel junctions

巨隧道磁阻​​比和振荡 Fe/MgO/Fe(001) 和 Fe/MgAlO/Fe(001) 磁隧道结

• 发表时间: 2021
• 作者: T. Scheike;H. Sukegawa;Q. Xiang;Z. Wen;T. Ohkubo;K. Hono;S. Mitani
• 通讯作者: S. Mitani

Staircase-like tunnel resistance increase with barrier thickness in epitaxial Fe/Mg4Al-Ox/Fe(001) magnetic tunnel junctions

外延 Fe/Mg4Al-Ox/Fe(001) 磁隧道结中阶梯状隧道电阻随着势垒厚度的增加而增加

• 发表时间: 2023
• 作者: Thomas Scheike;Zhenchao Wen;Shinya Kasai;Hiroaki Sukegawa;Seiji Mitani
• 通讯作者: Seiji Mitani