ＩＶ族強磁性半導体の物性機能の解明とスピン依存伝導素子への応用

IV族铁磁半导体的物理性质和功能的阐明及其在自旋相关传导器件中的应用

• 批准号: 16J08275
• 负责人: 若林 勇希
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016-04-22 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16J08275/
• 关键词: トンネル磁気抵抗; スピントロニクス; 強磁性半導体; Ge

酸化物MgOをIV族強磁性半導体GeFe薄膜の上に成長し、トンネル磁気抵抗(TMR)素子を作製した。また、そのTMR素子の結晶性評価、トンネル伝導及び磁気抵抗の測定を行った。透過型電子顕微鏡(TEM)観察の結果から、単結晶エピタキシャルFe/MgO/GeFe多層構造が作製されていることを確認した。またそのトンネル抵抗はMgO障壁層の膜厚の増加によって指数関数的に大きくなることから、MgO障壁がトンネル障壁として機能していることを確認した。3.5Kでの磁気抵抗測定によって、上部Feと下部GeFe層の磁化の相対的な向きの変化に対応した明瞭なTMR効果の観測に成功した。IV族強磁性半導体を用いたTMR効果の観測は本研究が世界初である。以上の結果より、GeFe中のフェルミーエネルギー付近での伝導キャリアがスピン分極していることが示され、GeFeがスピントロニクス応用へ有望な材料であることが分かった。得られたTMR比は素子の微細化や、GeFe層中のFe原子濃度の増加によって上昇し、Fe原子濃度10.5%、素子サイズ5μmにおいて1.5%の値が得られた。さらなるTMR比の上昇のためにはGeFeの電子構造の解明が必要不可欠であるが、角度分解光電子分光(ARPES)測定の結果から、GeFeの磁気特性は不純物バンドモデルで説明されることを明らかにした。また、ARPES測定によって得られたバンド構造と第一原理計算との比較から、GeFe中のスピン分極は約70%ほどと非常に大きな値を持つことが明らかになり、このことからもGeFeがスピントロニクス応用へ有望な材料であると言える。その他の展開としては、Ge中にFeではなくMnを添加したグラニュラー薄膜GeMnやSi基板上にエピタキシャル成長したスピネルCoFe2O4に対するX線磁気円二色性測定を行い、その磁気特性や磁気抵抗の起源を明らかにした。

The growth of MgO group IV ferromagnetic semiconductor GeFe thin films and the preparation of magnetic resistance (TMR) elements Crystallization evaluation, thermal conductivity and magnetic resistance measurement of TMR elements The results of transmission electron microscopy (TEM) examination confirmed that Fe/MgO/GeFe multilayer structures were fabricated. The increase in the film thickness of MgO barrier layer and the increase in the index of MgO barrier layer were confirmed. 3.5 K magnetic resistance measurement, upper Fe and lower GeFe layer magnetization phase change, and the results of TMR measurement were successful. Group IV Ferromagnetic Semiconductors are the first in the world to be tested for their applications. The above results show that GeFe is a promising material for the development of new materials. The results show that the Fe atom concentration in the GeFe layer increases with the increase of the TMR ratio, the Fe atom concentration increases with the increase of the TMR ratio, and the Fe atom concentration increases with the increase of the TMR ratio. The increase of TMR ratio is necessary for understanding the electronic structure of GeFe. The measurement results of angle resolution photoelectron spectroscopy (ARPES) and the magnetic properties of GeFe are explained. ARPES measurement, structure, first-principle calculation, comparison, GeFe, polarization, polarization, In addition, Fe and Mn in Ge are added to GeMn and Si substrates, and X-ray magnetic dichroism measurement, magnetic characteristics and origin of magnetic resistance are clearly described.

项目成果

Electronic structure and magnetic properties of magnetically dead layers in epitaxial CoF e 2 O 4 /A l 2 O 3 /Si (111 ) films studied by x-ray magnetic circular dichroism

• DOI: 10.1103/physrevb.96.104410
• 发表时间: 2017-04
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: Y. Wakabayashi;Y. Nonaka;Y. Takeda;S. Sakamoto;K. Ikeda;Z. Chi;G. Shibata;A. Tanaka;Y. Saitoh;H. Yamagami;Masaaki Tanaka;A. Fujimori;R. Nakane

Tunneling magnetoresistance in trilayer structures composed of group-IV ferromagnetic semiconductor Ge1-xFex, MgO, and Fe

由 IV 族铁磁半导体 Ge1-xFex、MgO 和 Fe 组成的三层结构中的隧道磁阻

• DOI: 10.7567/apex.9.123001
• 发表时间: 2016
• 期刊: Appl. Phys. Express
• 作者: Yuki Wakabayashi;Kohei Okamoto;Yoshisuke Ban;Shoichi Sato;Masaaki Tanaka;and Shinobu Ohya
• 通讯作者: and Shinobu Ohya

IV族強磁性半導体Ge1-xFexの物性解明と磁気トンネル接合

阐明IV族铁磁半导体Ge1-xFex和磁隧道结的物理性质

• 发表时间: 2016
• 作者: 堀 貴子;亀島 聡;佐藤 由紀乃;兒玉 朋子;松本 拳悟;杉山 真言;上野 俊治;黒瀬 陽平;岡田 宗善;山脇 英之;若林勇希
• 通讯作者: 若林勇希

Origin of the large positive magnetoresistance of Ge1－xMnx granular thin films

Ge1－xMnx颗粒薄膜大正磁阻的起源

• DOI: 10.1103/physrevb.95.014417
• 发表时间: 2017
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: Y. K. Wakabayashi;R. Akiyama;Y. Takeda;M. Horio;G. Shibata;S. Sakamoto;Y. Ban;Y. Saitoh;H. Yamagami;A. Fujimori;M. Tanaka;and S. Ohya
• 通讯作者: and S. Ohya

IV族強磁性半導体GeFeの物性解明と磁気トンネル接合

阐明IV族铁磁半导体GeFe和磁隧道结的物理性质

• 发表时间: 2016
• 期刊: 応用電子物性分科会会誌
• 作者: Y. K. Wakabayashi