逆ぺロブスカイト型強磁性窒化物細線における磁壁物性の横断的研究

反钙钛矿铁磁氮化物线畴壁特性的横截面研究

基本信息

批准号：
16J02879
负责人：
具志俊希
金额：
$ 1.22万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、レアメタル・レアアース・貴金属フリーな次世代磁性材料として、フェリ磁性金属である窒化マンガンMn4Nに注目し、その細線デバイスにおける磁気特性の評価を行った。STO基板上に成長したMn4N薄膜を電子線リソグラフィとアルゴンイオンミリングを用いて幅1μmの細線に加工した。作製したデバイスにはパルス電流を注入し、その前後でのKerr効果顕微鏡像の差分から磁壁の移動を観察した。その結果、長さ1 nsのパルスに対する磁壁移動のしきい値電流は約3×10^11 A/m^2であり、平均磁壁速度は最大で1.3×10^12 A/m^2の電流で900 m/s以上まで及んだ。特に大電流領域における磁壁速度の線形的な振る舞いは後述する1次元モデルのそれと一致し、傾きから磁壁の移動度はη = Δv/Δj = 7.1×10^-10 m^3/Cと求まった。この値は、人工反強磁性積層膜における電流駆動での磁壁の最高速度である、3×10^12 A/m^2 での750 m/sと比べても低電流密度ながら高速であり、積層構造や磁場のアシストを含まない純粋なSTTのみで磁壁移動した例としては最速である。また、使用したMn4N薄膜の物性値を磁壁の移動度の理論式に代入したところ、電気伝導度のスピン分極率は約80 %と推定され、本材料の持つ磁気抵抗デバイスへの応用も期待できる結果となった。本研究では、現在の電流駆動磁壁移動の研究で主流となっているTbやGdといったレアアース、Ptといった貴金属元素を用いることなく、またスピン軌道トルクを用いることなく900 m/sを超える高速での磁壁駆動を、1.3×10^12 A/m2という比較的小さい電流密度で実現した。また、磁壁速度の傾向からスピン分極率も80 %と期待され、Mn4Nが持つスピントロニクス材料としてのポテンシャルを示すことができた。

在这项研究中，我们重点关注氮化锰 Mn4N（一种亚铁磁性金属）作为不含稀有金属、稀土和贵金属的下一代磁性材料，并评估其在细线器件中的磁性。使用电子束光刻和氩离子铣削将STO基板上生长的Mn4N薄膜加工成宽度为1μm的细线。将脉冲电流注入所制造的器件中，通过注入前后的克尔效应显微图像之间的差异观察畴壁的移动。因此，1 ns 长脉冲的磁畴壁运动阈值电流约为 3×10^11 A/m^2，平均磁畴壁速度高达 1.3×10^12 A/m ^2. 速度达到900 m/s以上。特别是，大电流区域中磁畴壁速度的线性行为与下述一维模型的线性行为相匹配，并且从斜率发现磁畴壁的迁移率为 η = Δv/Δj = 7.1×10 ^-10 m^3/C 。该值高于人造反铁磁层压薄膜中电流驱动下磁畴壁的最大速度，即 3×10^12 A/m^2 下的 750 m/s，尽管电流密度较低，但这是最快的。使用纯 STT 的磁畴壁移动示例，不涉及堆叠结构或磁场辅助。此外，通过将所用Mn4N薄膜的物理性能值代入畴壁迁移率的理论方程，估计电导率的自旋极化约为80%，该材料有望应用于磁阻器件结果就是这样。在这项研究中，我们的目标是在不使用当前电流驱动磁畴壁运动研究主流的Tb和Gd等稀土元素或Pt等贵金属元素的情况下实现超过900 m/s的高速。使用自旋轨道扭矩以1.3×10^12 A/m2的相对较低的电流密度实现了畴壁驱动。此外，根据磁畴壁速度的趋势，自旋极化率预计为80%，证明了Mn4N作为自旋电子材料的潜力。

项目成果

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Structural characterization and magnetic properties of L10-MnAl films grown on different underlayers by molecular beam epitaxy

分子束外延在不同底层上生长的L10-MnAl薄膜的结构表征和磁性能

DOI：
10.1016/j.jcrysgro.2018.01.008
发表时间：
2018
期刊：
影响因子：
1.8
作者：
Takata Fumiya;Gushi Toshiki;Anzai Akihito;Toko Kaoru;Suemasu Takashi
通讯作者：
Suemasu Takashi

Epitaxial growth and magnetic properties of Fe4-xMnxN thin films grown on MgO(001) substrates by molecular beam epitaxy

分子束外延在 MgO(001) 衬底上生长 Fe4-xMnxN 薄膜的外延生长及其磁性能

DOI：
10.1016/j.jcrysgro.2018.02.037
发表时间：
2018
期刊：
影响因子：
1.8
作者：
Anzai Akihito;Takata Fumiya;Gushi Toshiki;Toko Kaoru;Suemasu Takashi
通讯作者：
Suemasu Takashi

Spintec, CEA/Institut Neel, CNRS(フランス)

Spintec、CEA/尼尔研究所、CNRS（法国）

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

Millimeter-sized magnetic domains in perpendicularly magnetized ferrimagnetic Mn4N thin films grown on SrTiO3

SrTiO3 上生长的垂直磁化亚铁磁性 Mn4N 薄膜中的毫米级磁畴

DOI：
发表时间：
2018
期刊：
影响因子：
1.5
作者：
Toshiki Gushi; Laurent Vila; Olivier Fruchart; Alain Marty; Stefania Pizzini; Jan Vogel; Fumiya Takata; Akihito Anzai; Kaoru Toko; Takashi Suemasu;Jean
通讯作者：
Jean

Electrical detection of magnetic domain wall in Fe4N nanostrip by negative anisotropic magnetoresistance effect

负各向异性磁阻效应对 Fe4N 纳米带磁畴壁的电学检测

DOI：
10.1063/1.4962721
发表时间：
2016
期刊：
影响因子：
3.2
作者：
T. Gushi; K. Ito; S. Higashikozono; F. Takata; H. Oosato; Y. Sugimoto; K. Toko; S. Honda; T. Suemasu
通讯作者：
T. Suemasu