スピンホール効果の電気的検出とスピン流による磁性体磁化反転への応用

自旋霍尔效应的电学检测及其在自旋电流磁性材料磁化反转中的应用

基本信息

批准号：
18760003
负责人：
好田誠
金额：
$ 2.3万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2006
资助国家：
日本
起止时间：
2006 至 2007
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は、微小強磁性体磁化過程の評価及びスピンホール効果の電気的検出に必要な半導体におけるスピン軌道相互作用について以下の知見を得た。(1)漏洩磁場が抑制できる強磁性体リング構造の最適化リング外径をd_0=800nmに固定し、内径をd_i=200〜600nmまで変化させた際の強磁性体Feリング配列における磁化反転過程を調べたところ、リング内径の減少に伴いOnion状態が安定となった。マイクロマグネティックシミュレーションとの比較から、d_i=600nmのリングでは磁気モーメントがリング周に沿うため漏洩磁場が抑制され、隣接リング間との静磁的相互作用が減少し、d_i=200リングよりも早くOnion状態に転移することが明らかとなった。(2)磁性体と半導体ホール素子の組み合わせによる単一磁性体磁気特性の高感度検出単一磁性体の磁化過程を評価するため、InAlAs/InGaAs2次元電子ガスを用いたホール素子上に外形800nm、内径600nmのFe/Au/Fe3層リング構造を作製し、局所ホール効果による磁化過程の電気的検出を行った。その結果、上下強磁性体Feリングの磁化過程を独立して検出可能となり、中間のAu膜厚増大に伴う、上下Feリングの静磁的相互作用の変化を観測することに成功した。(3)Fe/MgO/GaAsトンネル接合の最適化前年度のFePt/MgO/LED構造による電気的スピン注入の光学的検出では1%の偏光率が得られた。断面TEMによる接合界面の評価により、MgO/GaAs界面にアモルファス層の生成が確認されスピン注入効率低下の原因と考えられる。そこで、GaAs/MgO界面での化合物生成を抑制するため室温によるMgO成膜を試み、FeptのMgO膜厚に対する磁気特性及びトンネル接合の電気特性を評価した。 MgO膜厚を3nm-7nmまで変化させFePtを成膜したところ、すべてMgO膜厚において面直磁気異方性を有するFePt薄膜が実現できた。I-V特性からMgO3nmではFePt/GaAsショットキバリアを介したトンネル電流、5,7nmではMgOバリアを介したトンネル電流が支配的であることを明らかにした。

今年，我们获得了以下关于半导体中自旋轨道相互作用的知识，这些知识对于评估微小铁磁体的磁化过程和电学检测自旋霍尔效应是必要的。 (1) 抑制漏磁场的铁磁环结构优化当环外径固定为 d_0 = 800 nm，内径从 d_i = 200 到 600 nm 变化时，铁磁 Fe 环排列中的磁化反转过程。研究发现，随着环内径的减小，洋葱状态变得稳定。与微磁模拟对比表明，在d_i=600nm的环中，磁矩沿着环圆周运动，因此漏磁场受到抑制，相邻环之间的静磁相互作用减少，洋葱形成速度比d_i的环快=200nm，已经清楚该病症已发生转移。（2）利用磁性材料与半导体霍尔元件的组合对单一磁性材料的磁特性进行高灵敏度检测为了评估单一磁性材料的磁化过程，我们制作了一个800 nm的外部Fe/Au /Fe三层环结构，内径600 nm，并通过电学方法检测由于局部霍尔效应而产生的磁化过程。结果，我们能够独立检测上下铁磁Fe环的磁化过程，并成功观察到上下Fe环的静磁相互作用随着中间Au层厚度的增加而变化。 (3)Fe/MgO/GaAs隧道结的优化前一年对FePt/MgO/LED结构的电自旋注入进行光学检测，极化率为1%。使用截面TEM对结界面的评估证实了在MgO/GaAs界面处形成非晶层，这被认为是自旋注入效率降低的原因。因此，为了抑制GaAs/MgO界面上化合物的形成，我们尝试在室温下形成MgO薄膜，并评估Fept的磁性能和隧道结的电性能随MgO薄膜厚度的变化。当通过改变MgO膜厚度从3nm到7nm来沉积FePt时，在所有MgO膜厚度下都实现了具有垂直磁各向异性的FePt薄膜。 I-V特性表明，对于MgO3nm，穿过FePt/GaAs肖特基势垒的隧道电流占主导地位，而对于5.7nm，穿过MgO势垒的隧道电流占主导地位。