強磁性酸化物半導体による室温動作スピントロニクス素子の作製

利用铁磁氧化物半导体制造室温自旋电子器件

• 批准号: 04J03416
• 负责人: 豊崎 秀海
• 金额: $ 1.79万
• 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: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-04J03416/
• 关键词: スピントロニクス; Co添加TiO_2; レーザーMBE法; トンネル磁気抵抗効果; 光誘起強磁性; 異常ホール効果; 強磁性半導体; トンネル磁気抵抗素子; 磁気円二色性; キャリア誘起強磁性; CoドープTiO_2

本研究は、室温で動作するスピントロニクス素子の作製を究極の目標としている。我々は室温強磁性であるCo添加TiO_2の強磁性の起源がキャリア誘起によるものであることを系統的に作製した試料の磁気輸送効果および磁気光学効果の測定から明らかにし、Co添加TiO_2のスピン偏極したキャリアをスピントロニクス素子に利用可能であることがわかった。そこで我々は、Co添加TiO_2を用いたスピントロニクス素子としてトンネル磁気抵抗素子の作製を行なった。基板表面処理、薄膜成長条件の最適化、そしてデバイス構造の最適化など作製プロセスを改良することにより、世界で初めて酸化物強磁性半導体を用いたスピントロニクス素子の動作を実現した。さらに我々は、キャリア誘起強磁性の性質を活かし、光照射をすることで、Co添加TiO_2の強磁性を変調することに成功した。この光照射による効果は、室温で観測でき、室温で動作するスピントロニクス素子のはじめてのデモンストレーションとなった。したがって、Co添加TiO_2は、実用化可能な強磁性半導体であることを証明することができた。また、我々は、2004年にCo添加TiO_2の異常ホール効果が導電率に対して特異的なスケーリング則を示すことを見いだしている。近年の理論研究によりそのスケーリング則は、異常ホール効果の起源と密接な関係にあり、我々の研究成果は、実験的に異常ホール効果の起源に関連したスケーリング則を示した最初の例であったことが分かった。我々の研究成果により、Co添加TiO_2は、非常に興味深い材料物性を示すだけでなく、応用に適した材料であることを示すことができた。今後、強磁性酸化物半導体に関する研究を進めていく上で、これらの研究成果は非常に大切な土台となるであろうことが確信できる。

这项研究是产生在室温下运行的旋转元素的最终目标。我们从测量样品的磁运输效果和磁光学效应和磁光学效应中阐明了CO添加剂TIO_2的铁磁起源，这是室温衍生物，事实证明，极端职业可以用于旋转元素元素。因此，我们使用CO添加剂TIO_2将隧道磁电阻元件作为旋转元件。通过改善生产过程，例如底物表面处理，薄膜生长条件的优化以及设备结构的优化，已经实现了世界上第一个使用氧化物恶化半导体的旋转元素。此外，我们通过利用载体引起的铁磁性和执行光照射的特性，成功地修改了CO添加剂TIO_2的铁磁性能。光照射的效果是可以在室温下观察并在室温下工作的自旋装置的首次演示。因此，可以证明CO添加剂TIO_2是一种实用的铁磁半导体。在2004年，我们发现CO添加剂TIO_2的异常孔效应表示电导率的特定缩放规则。根据近年来的理论研究，缩放规则与异常霍尔效应的起源密切相关，我们的研究结果是与异常霍尔效应的起源有关的缩放规则的第一个例子。我们的研究结果表明，CO附加TIO_2不仅显示出非常有趣的材料特性，而且是适用的材料。将来，我坚信这些研究结果将是促进铁磁氧化物半导体研究的非常重要的基础。

项目成果

A Ferromagnetic Oxide Semiconductor as Spin Injection Electrode in Magnetic Tunnel Junction

• DOI: 10.1143/jjap.44.l896
• 发表时间: 2005-07
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: H. Toyosaki;T. Fukumura;K. Ueno;M. Nakano;M. Kawasaki

Magnetic Oxide Semiconductors

• DOI: 10.1007/978-94-007-7604-3_22-1
• 发表时间: 2015
• 作者: N. H. Hong

Fabrication of ternary phase composition-spread thin film libraries and their high-throughput characterization : Ti_<1-x-y>Zr_xHf_yO_2 for bandgap engineering

三元相成分扩散薄膜库的制备及其高通量表征：用于带隙工程的Ti_<1-x-y>Zr_xHf_yO_2

• 发表时间: 2005
• 期刊: Journal of Superconductivity 1
• 作者: Wataru YAMAZAKI;Kisa MATSUSHIMA;Kazuhiro NAKAHASHI;関根久子;Hisako Sekine;関根(本多)久子;Hisako Sekine;K.Ueno et al.;豊崎秀海 他;K.Mamiya et al.;H.Toyosaki et al.;M.Nakano et al.;福村知昭 他;J.W.Quilty et al.;H.Toyosaki et al.;H.Toyosaki et al.;T.Fukumura et al.;Y.Yamada et al.
• 通讯作者: Y.Yamada et al.

Evolution of ferromagnetic circular dichroism coincident with magnetization and anomalous Hall effect in Co-doped rutile TiO_2

钴掺杂金红石TiO_2铁磁圆二色性与磁化强度和反常霍尔效应的演化

• 发表时间: 2005
• 期刊: Applied Physics Letters 86
• 作者: Wataru YAMAZAKI;Kisa MATSUSHIMA;Kazuhiro NAKAHASHI;関根久子;Hisako Sekine;関根(本多)久子;Hisako Sekine;K.Ueno et al.;豊崎秀海 他;K.Mamiya et al.;H.Toyosaki et al.;M.Nakano et al.;福村知昭 他;J.W.Quilty et al.;H.Toyosaki et al.
• 通讯作者: H.Toyosaki et al.

Signature of Carrier-Induced Ferromagnetism in Ti_<1-x>CO_<x->O_<2-d> : Exchange Interaction Between High-Spin Co^<2+> and The Ti 3d Conduction Band

Ti_<1-x>CO_<x->O_<2-d> 中载流子诱导铁磁性的特征：高自旋 Co^<2> 与 Ti 3d 导带之间的交换相互作用

• 发表时间: 2006
• 期刊: Physical Review Letters 96
• 作者: Wataru YAMAZAKI;Kisa MATSUSHIMA;Kazuhiro NAKAHASHI;関根久子;Hisako Sekine;関根(本多)久子;Hisako Sekine;K.Ueno et al.;豊崎秀海 他;K.Mamiya et al.;H.Toyosaki et al.;M.Nakano et al.;福村知昭 他;J.W.Quilty et al.
• 通讯作者: J.W.Quilty et al.