静電容量変化を利用した磁気スイッチング単電子素子の開発

ナノ粒子を薄い絶縁層を隔てて強磁性電極間に配置した微小構造では、スピン依存単一電子トンネル効果が生じるが、絶縁層の電子状態が外部磁場によって変化する場合や、絶縁層が十分薄く、トンネルコンダクタンスの変化によってキャパシタンス変化が生じる場合には、磁気抵抗効果に起因するスイッチング効果の発現が期待される。本研究は、この磁気スイッチング効果の基礎的理解と実証を狙うものであり、本年度は以下の研究を行った。作製した試料の構造は、Fe, FeCo, Au, Cr等のナノ粒子の上下にA10やMgO等の酸化物トンネルバリアを介して強磁性電極を配し、膜面垂直方向に電流を流すCPP構造とした。試料の面内サイズは、メタルマスクを用いた0.5mmx0.5mmから、電子線リソグラフィーによるサブミクロンサイズとした。膜成長ば分子線エピタキシーまたは超高真空スパッタを用いて行い、磁気伝導特性は微小電流計測の可能なエレクトロメータを用いて測定した。ナノ粒子のサイズやナノ粒子上のトンネルバリア層の平坦性等の制御は容易でなく、実験データを系統的に取得・解析することは困難であったが、いくつかの試料において、クーロンプロッケイドが見られ、更にトンネル磁気抵抗効果も観測された。特に、Crナノ粒子を用いた試料では、急峻な変化を示すクーロンプロッケイドと外部磁場に依存する電流電圧特性が観測された。また、Auナノ粒子を用いた試料では、磁気抵抗スイッチング効果の可能性を示す磁気抵抗変化が見られた。

ナノ粒子を薄い絶縁層を隔てて強磁性電極間に配置した微小構造では、スピン依存単一電子トンネル効果が生じるが、絶縁層の電子状態が外部磁場によって変化する場合や、絶縁層が十分薄く、トンネルコンダクタンスの変化によってキャパシタンス変化が生じる場合には、磁気抵抗効果に起因するスイッチング効果の発現が期待される。本研究は、この磁気スイッチング効果の基礎的理解と実証を狙うものであり、本年度は以下の研究を行った。作製した試料の構造は、Fe, FeCo, Au, Cr等のナノ粒子の上下にA10やMgO等の酸化物トンネルバリアを介して強磁性電極を配し、膜面垂直方向に電流を流すCPP構造とした。試料の面内サイズは、メタルマスクを用いた0.5mmx0.5mmから、電子線リソグラフィーによるサブミクロンサイズとした。膜成長ば分子線エピタキシーまたは超高真空スパッタを用いて行い、磁気伝導特性は微小電流計測の可能なエレクトロメータを用いて測定した。ナノ粒子のサイズやナノ粒子上のトンネルバリア層の平坦性等の制御は容易でなく、実験データを系統的に取得・解析することは困難であったが、いくつかの試料において、クーロンプロッケイドが見られ、更にトンネル磁気抵抗効果も観測された。特に、Crナノ粒子を用いた試料では、急峻な変化を示すクーロンプロッケイドと外部磁場に依存する電流電圧特性が観測された。また、Auナノ粒子を用いた試料では、磁気抵抗スイッチング効果の可能性を示す磁気抵抗変化が見られた。