Development of conductive ferromagnetic oxide nanosheets and pioneering of printable spintronics

研究では室温強磁性を示す導電性酸化物ナノシートの開発や、酸化物ナノシートをシードレイヤーに用いた磁気デバイスの開発を行い、従来のスピントロニクス研究の延長線上にはない、プリンタブルスピントロニクスという新たな研究分野を創生することを目指している。2022年度は、申請時の計画通り、アメリカ合衆国のMITで行っている「Ca2Nb3O10(CNO)ナノシートを用いたガーネット-ペロブスカイト(G-P)複合材料の作製とそのマルチフェロイック特性の研究」を継続して行ったためその研究成果を報告する。ガーネット基板であるGd3Ga5O12(GGG)の基板上に、ペロブスカイト構造をもつCNOナノシートを散布し、その基板上にBi3Fe5O12(BIG)を蒸着することで、GGGの表面上にはガーネット相であるBIGを、CNOの表面上にはペロブスカイト相であるFe-rich BiFeO3(BFO)をエピタキシャル成長させることに成功した。また、蒸着させる材料をBFOに変えた場合はGGGの表面上にはBIGとBiO2が形成することが確認され、BiとFeの組成比が3:5以上になると不純物相が発生することが分かった。さらに詳細な構造を観察するためTEMによる試料の断面観察を行ったところ、Fe-rich BFOの一部が分解しアモルファス状態の鉄酸化物が発生していることが分かった。また、CNO界面のBFOの結晶構造は通常の菱面体晶ではなく、自発分極がより大きな正方晶のBFOが形成されることも分かった。ガーネット相とペロブスカイ相の界面には結晶粒界や不純物相が確認されず、原子配列が緩やかに変化し接合していることが確認され、特定の結晶面で接合しているエピタキシャル関係がないことが確認された。G-P複合材料の作製に成功しその構造を解明したため、今後はそのマルチフェロイック特性の測定を行っていくことを計画している。

研究では室温強磁性を示す導電性酸化物ナノシートの開発や、酸化物ナノシートをシードレイヤーに用いた磁気デバイスの開発を行い、従来のスピントロニクス研究の延長線上にはない、プリンタブルスピントロニクスという新たな研究分野を創生することを目指している。2022年度は、申請時の計画通り、アメリカ合衆国のMITで行っている「Ca2Nb3O10(CNO)ナノシートを用いたガーネット-ペロブスカイト(G-P)複合材料の作製とそのマルチフェロイック特性の研究」を継続して行ったためその研究成果を報告する。ガーネット基板であるGd3Ga5O12(GGG)の基板上に、ペロブスカイト構造をもつCNOナノシートを散布し、その基板上にBi3Fe5O12(BIG)を蒸着することで、GGGの表面上にはガーネット相であるBIGを、CNOの表面上にはペロブスカイト相であるFe-rich BiFeO3(BFO)をエピタキシャル成長させることに成功した。また、蒸着させる材料をBFOに変えた場合はGGGの表面上にはBIGとBiO2が形成することが確認され、BiとFeの組成比が3:5以上になると不純物相が発生することが分かった。さらに詳細な構造を観察するためTEMによる試料の断面観察を行ったところ、Fe-rich BFOの一部が分解しアモルファス状態の鉄酸化物が発生していることが分かった。また、CNO界面のBFOの結晶構造は通常の菱面体晶ではなく、自発分極がより大きな正方晶のBFOが形成されることも分かった。ガーネット相とペロブスカイ相の界面には結晶粒界や不純物相が確認されず、原子配列が緩やかに変化し接合していることが確認され、特定の結晶面で接合しているエピタキシャル関係がないことが確認された。G-P複合材料の作製に成功しその構造を解明したため、今後はそのマルチフェロイック特性の測定を行っていくことを計画している。