ホイスラー合金を用いた室温ハーフメタルの実現とスピン注入磁化反転

ホイスラー合金/MgO理想界面構造の開発による室温ハーフメタルの実現とスピン注入磁化反転電流密度の大幅な低減を目的としてトンネル磁気抵抗素子(MTJ)を用いた研究を行った。ホイスラー合金/MgO界面は室温におけるハーフメタル性の報告は未だない。この原因として、ホイスラー合金/MgO界面の熱による磁気的な揺らぎ等が理論計算から示唆されている。これに対し、異種材料をホイスラー/MgO界面に挿入することで、界面磁化の安定化を図ることが出来ると考えられる。そこで本研究では上記理想界面を目指し実験を行った。磁気特性は深さ分解X線光電子分光法(XMCD)から、トンネル特性はコンダクタンスの印加電圧依存性から、それぞれ評価した。トンネル磁気抵抗(TMR)比は低温で最大1200%、室温で最大350%を実現し、温度依存性の改善を実現した。また、深さ分解XMCDから、ホイスラー/MgO界面を修飾することで、界面磁化の増加が観測された。トンネルコンダクタンスの実験から、界面修飾による界面磁化の安定が示唆された。理論計算との比較から、室温ハーフメタルへの実現に界面修飾が有効であると示唆され、室温ハーフメタルの実現へ向け重要な指針を得た。また一方で、新材料探索として理論計算からハーフメタルギャップが大きいと考えられてきたFe_3O_4を電極としたMTJの作製を行った。Fe_3O_4薄膜を用いたMTJでは酸化状態の不安定性から高い分極率が実現されていない。薄膜作製に対向スパッタ法を用い、酸化状態の最適化を行うことで、高い分極率有するFe_3O_4薄膜の作製を試みた。作製されたFe_3O_4薄膜はバルク値に近い飽和磁化、伝導特性を持ち、平坦な表面を実現することに成功した。以上のように非常に高品位な薄膜を電極として用いたMTJを作製し、室温で-25%、低温で-64%のTMR比を観測することに成功した。この値は現在までに報告されたFe_3O_4を用いたMTJの中で最も大きな値であり、高い分極率の実現のためにFe_3O_4の酸化状態の最適化が有効であるという重要な指針を得た。

ホイスラー合金/MgO理想界面構造の開発による室温ハーフメタルの実現とスピン注入磁化反転電流密度の大幅な低減を目的としてトンネル磁気抵抗素子(MTJ)を用いた研究を行った。ホイスラー合金/MgO界面は室温におけるハーフメタル性の報告は未だない。この原因として、ホイスラー合金/MgO界面の熱による磁気的な揺らぎ等が理論計算から示唆されている。これに対し、異種材料をホイスラー/MgO界面に挿入することで、界面磁化の安定化を図ることが出来ると考えられる。そこで本研究では上記理想界面を目指し実験を行った。磁気特性は深さ分解X線光電子分光法(XMCD)から、トンネル特性はコンダクタンスの印加電圧依存性から、それぞれ評価した。トンネル磁気抵抗(TMR)比は低温で最大1200%、室温で最大350%を実現し、温度依存性の改善を実現した。また、深さ分解XMCDから、ホイスラー/MgO界面を修飾することで、界面磁化の増加が観測された。トンネルコンダクタンスの実験から、界面修飾による界面磁化の安定が示唆された。理論計算との比較から、室温ハーフメタルへの実現に界面修飾が有効であると示唆され、室温ハーフメタルの実現へ向け重要な指針を得た。また一方で、新材料探索として理論計算からハーフメタルギャップが大きいと考えられてきたFe_3O_4を電極としたMTJの作製を行った。Fe_3O_4薄膜を用いたMTJでは酸化状態の不安定性から高い分極率が実現されていない。薄膜作製に対向スパッタ法を用い、酸化状態の最適化を行うことで、高い分極率有するFe_3O_4薄膜の作製を試みた。作製されたFe_3O_4薄膜はバルク値に近い飽和磁化、伝導特性を持ち、平坦な表面を実現することに成功した。以上のように非常に高品位な薄膜を電極として用いたMTJを作製し、室温で-25%、低温で-64%のTMR比を観測することに成功した。この値は現在までに報告されたFe_3O_4を用いたMTJの中で最も大きな値であり、高い分極率の実現のためにFe_3O_4の酸化状態の最適化が有効であるという重要な指針を得た。