非磁性金属と接合した窒化鉄薄膜を用いた高効率スピン源の開発

使用与非磁性金属结合的氮化铁薄膜开发高效自旋源

• 批准号: 20042002
• 负责人: 角田 匡清
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 2008
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2008 至 2009
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20042002/
• 关键词: スピンエレクトロニクス; スピン偏極; 窒化鉄; トンネル磁気抵抗効果; 巨大磁気抵抗効果

最近の理論研究によれば、Fe_4Nはフェルミ準位における状態密度の分極は0.6程度であり、いわゆるハーフメタルではないが、各電子軌道の電気伝導性まで考慮に入れた計算では、伝導率のスピン偏極率は-1となり、高効率のスピン源となることが期待できる。本研究では、Fe_4Nを用いた高効率スピン源の開発を目的として研究を行った。良質なFe_4N薄膜を形成するために、新たに(001)配向したエピタキシャルCu下地膜を開発してFe_4N薄膜を作成した結果、Fe_4Nの結晶品質が格段に向上し、従来の磁気抵抗変化率に比較して3倍以上の性能向上が得られ、室温において最大-75%の負のトンネル磁気抵抗変化率を得た。このことから、トンネル注入法によれば、Fe_4N内の伝導電子の大きなスピン偏極率を保ったままスピン源として機能させることができることが明らかとなった。一方で、非磁性金属(Cu)薄膜と接合したFe_4N/Cu/Fe_4N/MnIrもしくはFe_4N/Cu/CoFe/MmIr型のスピンバルブGMR薄膜を形成し、電子ビーム描画法により微細加工したCPP-GMR素子においては、期待に反して大きな磁気抵抗変化率が得られなかった。このことはFe_4N内部を伝導している高スピン偏極した伝導電子が、非磁性金属(Cu)層にそのスピン偏極率を保ったまま注入されていないことを示唆している。今後、金属伝導型の高効率スピン源としてFe_4N薄膜を機能させるためには、接合する非磁性金属種を変化させ、ヘテロ接合界面においてスピン反転が生じないような材料系を開発する必要があることが明らかとなった。

In recent theoretical studies, the polarization of Fe_4N is 0.6 degrees, and the conductivity of electron orbitals is calculated by considering the polarization of Fe_4N. This study aims to explore the source of Fe_4N with high efficiency. Fe_4N thin films with good quality were formed. As a result, Fe_4N crystal quality was improved in the first stage, and the magnetic resistance rate was increased by more than 3 times. The maximum magnetic resistance rate was-75% at room temperature. In this paper, we introduce a new method of electron injection in Fe_4N, which is to protect the polarization of electron in Fe_4N. Fe_4N/Cu/Fe_4N/MnIr thin films of Fe_4N/Cu/CoFe/MnIr type are bonded to each other, and GMR thin films of Fe_4N/Cu/CoFe/MnIr type are formed by electron lithography. In this case, the Fe_4N internal conduction layer has a high polarization ratio, and the non-magnetic metal (Cu) layer has a high polarization ratio. In the future, the source of high conductivity Fe_4N thin film is required to be developed.

项目成果

75% inverse magnetoresistance at room temperature in Fe4N/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions fabricated on Cu underlayer

• DOI: 10.1063/1.3072827
• 发表时间: 2009-04-01
• 期刊: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS
• 影响因子: 3.2
• 作者: Komasaki, Yosuke;Tsunoda, Masakiyo;Takahashi, Migaku
• 通讯作者: Takahashi, Migaku

75% inverse TMR at room temperature in. Fe_4N/MgO/CoFeB-MTJs

75%%20inverse%20TMR%20at%20room%20温度%20in.%20Fe_4N/MgO/CoFeB-MTJs

• 发表时间: 2008
• 作者: M. Kimura;T. Maihara;F. Iwamuro;M. Akiyama;N. Tamura;N. Takato,;Tomonori Totani;T. Totani;Y. Komasaki;Y. Komasaki
• 通讯作者: Y. Komasaki

Cu下地上に作成したFe_4NIMgO/CoFeB-MTJのインバースTMR効果

Cu 衬底上 Fe_4NIMgO/CoFeB-MTJ 的逆 TMR 效应

• 发表时间: 2008
• 作者: M. Kimura;T. Maihara;F. Iwamuro;M. Akiyama;N. Tamura;N. Takato,;Tomonori Totani;T. Totani;Y. Komasaki;Y. Komasaki;駒崎洋亮
• 通讯作者: 駒崎洋亮