高速熱特性計測に基づく磁性金属多層膜の熱・スピン輸送機構の学理深化

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本研究では，スピントロニクス分野において中心的な役割を担ってきた磁性金属多層膜の熱制御応用に向け，熱工学的な観点から機能拡張を目指す．多層膜中の熱やスピンの輸送キャリアの特徴的な長さスケール（特性長）の評価を通して，磁性金属多層膜に発現するスピンカロリトロニクス現象である，磁性体の磁化配置の変化に伴う熱抵抗の変調効果（巨大磁気熱抵抗効果）やスピン流－熱流変換効果（熱スピン効果）のメカニズムを明らかにし，さらに材料工学的なアプローチにより各効果の性能向上指針を見出す．本年度は，キャリアの特性長を同定するための鍵となる反強磁性絶縁体NiOの高品位化およびスピン流透過特性の評価に注力した．シード層・Arガス圧・成膜温度の3種の成膜条件を最適化し，スピン流生成用Ptおよびスピン流透過用NiOの (001)，(111) 高配向膜をMgO(001)，MgO(111)基板上にそれぞれエピタキシャル成長させることに成功した．続いて，Pt/NiO/CoFeB積層膜に生じる熱スピン効果をスピン流プローブとして，NiOのスピン流透過特性を調査した．熱スピン効果による温度変化測定には光学的測温法であるロックインサーモリフレクタンス法を用いた．その結果，スピン流透過特性が結晶のクオリティ（エピタキシャル膜か多結晶膜か）によって変化することを見出した．加えて，エピタキシャル膜においてスピン流透過のNiO膜厚依存性は振動的な振る舞いを示し，さらに振動周期が結晶方位に依存するという，非自明な挙動を示すことがわかった．上記と並行して，キャリアの特性長の同定に向け，ロックインサーモリフレクタンス法を高周波数領域に拡張するための高周波回路の設計・製作や，本手法を応用した薄膜熱伝導率計測手法の基盤構築を実施した．