高速熱特性計測に基づく磁性金属多層膜の熱・スピン輸送機構の学理深化

基于高速热性能测量深化磁性金属多层薄膜中的热和自旋输运机制理论

基本信息

批准号：
22KJ0210
负责人：
山崎匠
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では，スピントロニクス分野において中心的な役割を担ってきた磁性金属多層膜の熱制御応用に向け，熱工学的な観点から機能拡張を目指す．多層膜中の熱やスピンの輸送キャリアの特徴的な長さスケール（特性長）の評価を通して，磁性金属多層膜に発現するスピンカロリトロニクス現象である，磁性体の磁化配置の変化に伴う熱抵抗の変調効果（巨大磁気熱抵抗効果）やスピン流－熱流変換効果（熱スピン効果）のメカニズムを明らかにし，さらに材料工学的なアプローチにより各効果の性能向上指針を見出す．本年度は，キャリアの特性長を同定するための鍵となる反強磁性絶縁体NiOの高品位化およびスピン流透過特性の評価に注力した．シード層・Arガス圧・成膜温度の3種の成膜条件を最適化し，スピン流生成用Ptおよびスピン流透過用NiOの (001)，(111) 高配向膜をMgO(001)，MgO(111)基板上にそれぞれエピタキシャル成長させることに成功した．続いて，Pt/NiO/CoFeB積層膜に生じる熱スピン効果をスピン流プローブとして，NiOのスピン流透過特性を調査した．熱スピン効果による温度変化測定には光学的測温法であるロックインサーモリフレクタンス法を用いた．その結果，スピン流透過特性が結晶のクオリティ（エピタキシャル膜か多結晶膜か）によって変化することを見出した．加えて，エピタキシャル膜においてスピン流透過のNiO膜厚依存性は振動的な振る舞いを示し，さらに振動周期が結晶方位に依存するという，非自明な挙動を示すことがわかった．上記と並行して，キャリアの特性長の同定に向け，ロックインサーモリフレクタンス法を高周波数領域に拡張するための高周波回路の設計・製作や，本手法を応用した薄膜熱伝導率計測手法の基盤構築を実施した．

在这项研究中，我们的目标是从热工程角度扩展到热控制应用，扩展磁性金属多层薄膜的功能，该薄膜在自旋电子学领域发挥着核心作用。通过评估多层薄膜中传输热量和自旋的载流子的特征长度尺度（特征长度），我们可以研究与磁性材料磁化排列变化相关的热阻，这是磁性材料中发生的自旋热电子现象。我们将阐明调制效应（巨磁热阻效应）和自旋电流-热流转换效应（热自旋效应）的机制，并找到使用材料工程方法改善每种效应性能的指南。今年，我们的重点是提高反铁磁绝缘体NiO的质量，这是识别载流子特征长度和评估自旋电流传输特性的关键。通过优化种子层、Ar气压和成膜温度三个成膜条件，我们用MgO(001)代替了用于自旋电流产生的Pt和用于自旋电流传输的NiO的(001)、(111)高取向薄膜，我们成功地在 (111) 衬底上外延生长了 MgO。接下来，我们利用 Pt/NiO/CoFeB 叠层中发生的热自旋效应作为自旋电流探针，研究了 NiO 的自旋电流传输特性。锁定热反射法是一种光学测温方法，用于测量由于热自旋效应引起的温度变化。结果发现，自旋流传输特性根据晶体（外延膜或多晶膜）的质量而变化。此外，我们发现外延薄膜中自旋电流传输对NiO薄膜厚度的依赖性表现出振荡行为，并且振荡周期还取决于晶体取向，这是一个不平凡的行为。与此同时，我们正在设计和制造高频电路，将锁定热反射法扩展到高频区域，并开发利用该方法的薄膜热导率测量方法，以识别特性建造了基础设施的长度。