新規スピンギャップレス半導体を用いたトンネル磁気抵抗素子とその電界効果

新型自旋无隙半导体隧道磁阻元件及其电场效应

基本信息

批准号：
17F17063
负责人：
水上成美
金额：
$ 1.34万
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：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

スピンギャップレス半導体は、アップスピンがギャップレス半導体、ダウンスピンが絶縁体である特異な物質である。ハーフメタル的な電子構造を有するため、磁気抵抗素子に応用すれば巨大な磁気抵抗比を発現する可能性がある。同時に、半導体的な特性を有するため、電界効果でスイッチングできる新規スピントロニクス素子が創成できる。本研究では、スピンギャップレス半導体の候補となる４元系ホイスラー合金の薄膜結晶成長、界面物性、デバイス物性を研究し、情報処理デバイスへの応用を目指した。本年度は、まず、コバルト鉄マンガンシリコン材料の磁気緩和特性を調べ、ハーフメタルに特有の低ダンピング特性を明らかにした。また、スピンギャップレス半導体として期待される他の組成のコバルト鉄ベース４元系ホイスラー合金単結晶薄膜を作製し、その磁性とスピン依存伝導について調べた。低飽和磁化でありながら比較的大きなトンネル磁気抵抗効果を示し、ハーフメタル性との関連について議論した。さらに、コバルト鉄マンガンシリコン材料のエピタキシャル単結晶極薄膜の形成を行い、その垂直磁気異方性ならびに電界効果の観測を目指した。これまでの薄膜作製の手法に加えCoGaやPdなど異なる下地を用いて厚みが数ナノメートルの薄膜を作製した。しかし十分な大きさの垂直磁気異方性や電圧効果は観測されなかった。極薄膜領域における結晶構造の乱れやサイトオーダーの低下、界面原子拡散の影響が、磁気モーメントといった磁性を劣化させていると考えられる。さらなる応用展開をする上で、極薄領域の結晶成長様式や低温結晶成長技術の研究が不可欠であることが明らかとなった。

自旋无带隙半导体是一种独特的材料，其中上自旋是无带隙半导体，下自旋是绝缘体。由于它具有类半金属的电子结构，如果应用于磁阻元件，它有可能产生巨大的磁阻比。同时，由于它具有类似半导体的特性，因此可以创建可以利用场效应进行切换的新自旋电子器件。在这项研究中，我们研究了四元霍斯勒合金的薄膜晶体生长、界面特性和器件特性，这些合金是无自旋带隙半导体的候选材料，目的是将它们应用于信息处理器件。今年，我们首先研究了钴铁锰硅材料的磁弛豫特性，阐明了半金属特有的低阻尼特性。此外，我们还制备了具有其他成分的钴铁基四元霍斯勒合金单晶薄膜，有望用作自旋无间隙半导体，并研究了它们的磁性和自旋相关传导。虽然其饱和磁化强度较低，但表现出较大的隧道磁阻效应，并讨论了其与半金属性的关系。此外，我们还形成了钴铁锰硅材料的外延单晶超薄膜，并旨在观察其垂直磁各向异性和电场效应。除了传统的薄膜制造方法外，他们还使用CoGa和Pd等不同的碱来制造几纳米厚的薄膜。然而，没有观察到足够大的垂直磁各向异性或电压效应。据认为，超薄膜区域中晶体结构的扰动、位点有序性的降低以及界面原子扩散的影响使磁矩等磁性劣化。为了开发更多的应用，超薄区域晶体生长模式和低温晶体生长技术的研究至关重要。