磁性ヘテロ構造におけるスピン機能の創出とその展開

磁性ヘテロ構造におけるスピン機能の 創出とその展開

東京工業大学応用セラミックス研究所  谷山智康

第２６回無機材料に関する最近の研究成果発表会 、平成２１年１月２６日（月）  

 

物質中の電子のスピンを利用することで、新しいエレクトロニ クス機能を創成する分野

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スピンの優位性

    ・省電力によるデバイス動作     ・スピントランジスタ、スピンLED

    ・量子コンピューティング等既存技術では不可能な      エレクトロニクスのブレークスルー

電子 電荷（+、-）

スピン（↑、↓）

スピントロニクスの基本要素技術


   ー スピンの注入、操作、そして検出へ

スピン注入

スピン操作

スピン検出

磁化制御

スピン依存伝導

スピン依存伝導

スピン注入の現状

 

スピンフィルターを用いる方法

E_F

E E

スピンフィルター

スピン源 非磁性体（半導体）

E_F 伝導禁止 E

伝導に寄与

高スピン偏極材料（ハーフメタル）を用いる方法

磁性制御の現状

 

局所磁場を用いる方法

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スピン偏極電流を用いる方法（スピントルク）

  → これらは大電流を要する

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磁気歪み効果を用いる方法   （強磁性体／強誘電体ヘテロ構造）

電流 磁場（アンペールの法則）

J_in J_out

M

a

電流

磁化

スピントルク

BaTiO

₃

(001)

スピン検出の現状

 

円偏光発光解析を用いる  方法（光学的手法）

σ +

強磁性体 GaAs 量子井戸

スピン注入

強磁性体

σ

⁺

σ

⁻

GaAs

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スピンフィルター効果を用いる  方法（電気的手法）

成果報告の概要

 

マグネタイト（Fe

₃

O

₄

）／GaAs界面におけるスピンフィルター 効果

 

Fe

₃

O

₄

／半導体量子井戸ヘテロ構造における   スピン注入

 

Fe／BaTiO

₃

ヘテロ構造における磁気異方性制御

スピントロニクスの基本要素技術としての
 スピン検出 ー スピンフィルター効果

スピン注入

スピン操作

スピン検出

如何にしてスピン偏極電子を検出するか

スピンフィルター効果

スピンフィルター効果とは

E

E

_F

ハーフメタル

㻵

_㼜㼔

スピンフィルター物質

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光電流を検出することでスピンを間接的に推定することがで きる

GaAs上へのFe ₃ O ₄ のエピタキシャル成長

 

2段階ステップ成長

GaAs(001)

5-nm-thick Fe MBE growth of Fe thin layer base pressure ~10^-10 Torr

GaAs(001)

10-nm-thick Fe₃O₄ Oxidation in O₂ atmosphere at 260ºC

GaAs(001)

100-nm-thick Fe₃O₄ Reactive MBE growth of Fe₃O₄ in O₂ atmosphere at 300ºC

エピタキシャルFe ₃ O ₄ /GaAsの伝導特性

 

Verwey転移をT

_V

=125Kで観測          （バルクではT

_V

=119K）

エピタキシャルFe ₃ O ₄ /GaAsの磁気特性

 

Fe

₃

O

₄

／MgO(001)と比較してVerwey転移が散漫

円偏光スピン励起法

-1/2 +1/2

-3/2 σ + σ - +3/2

CB

VB

3 1 1 3

GaAs

Fe₃O₄ σ ⁺ σ ⁻

GaAs I_ph

 

円偏光照射によりスピン偏極電子を励起することができる

測定系の概略

Lock-in Amplifier

f1

Linear  Polarizer PC

Sample

Optical Chopper Diode pumped

Solid State Laser

PEM

f1 f2

V Lens

Ti:Sapphire Laser

ヘリシティ依存光電流

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磁気モーメントの方向に依存した明確な光電流の変化

Fe₃O₄ σ ⁺ σ ⁻

GaAs

Fe₃O₄ σ ⁺ σ ⁻

GaAs

+30 kOe

-30 kOe

スピンフィルター電流

€

Δ I _SF = Δ I _heli − α ^I _ph

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逆方向バイアスではス ピンフィルター効果がな いことを考慮

まとめ（１）

 

Fe

₃

O

₄

エピタキシャル薄膜をGaAs上に成長することに成功し た。

 

Fe

₃

O

₄

エピタキシャル薄膜によるスピンフィルター効果を円偏 光スピン励起法により検出した。

 

室温におけるスピンフィルター効果はハーフメタル特性より 期待されるものと比較して小さい。

 

磁気、伝導特性から、小さいスピンフィルター効果は界面に おいてハーフメタル特性が劣化した結果によると推定され る。

スピントロニクスの基本要素技術としての
 スピン注入

スピン注入

スピン操作

スピン検出

如何にしてスピン偏極電子を効率的に注入するか

半導体量子井戸へのスピン注入

σ +

強磁性体

GaAs

量子井戸

スピン注入

 

強磁性体から半導体へ界面障壁を介したスピン注入電子の 注入を行い、光学的手法によりそのスピンを検出する

スピン偏極電子とホールの過程

GaAs

-1/2 +1/2

-3/2 +3/2

σ + CB σ -

VB

3 1 1 3

Recombination processes

 

再結合過程における発光の円偏光度を解析することで注入 された電子のスピン偏極率が算出できる

具体的なデバイス構造

p-GaAs p-GaAs

Fe

₃

O

₄

GaAs/AlGaAs QW

σ +

 

Fe

₃

O

₄

/GaAs-AlGaAs量子井戸（井戸幅20nm）ヘテロ構造

スピン注入による円偏光発光測定系

σ +

λ /4 plate

polarizer

lens

spectrometer

CCD detector superconducting magnet

  λ

/4板を回転させることで右回り円偏光、左回り円偏光に対 応する発光スペクトルを検出

Fe ₃ O ₄ /GaAs-AlGaAsヘテロ構造からの
 発光スペクトル（１） ー 100K

量子井戸から の発光

800 600 400 200

EL Intensity (arb. unit) 0

860 840

820 800

wavelength (nm)

-3T -1T 0T 1T 3T 5T

-5T

! +

! -

100 K

円偏光度の温度依存性

 

120K以下の温度領域において円偏光度が急激に上昇 ー  Verwey転移によりFe

₃

O

₄

がスピンフィルター

25 20 15 10 5 0

P circ (%)

120 80

40 0

Temperature (K)

3T

まとめ（２）

 

Fe

₃

O

₄

単結晶薄膜からGaAs-AlGaAs量子井戸へスピン注入 を行い、その際に生じる円偏光発光を解析することでスピン 注入効率を推定した。

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120 K以下の温度領域においてスピン注入効率が顕著と なった。

 

低温での顕著なスピン注入効率は、マグネタイトがVerwey転 移と関連して絶縁化し、その結果、スピンフィルター絶縁障 壁として機能することによると考えられる。

スピントロニクスの基本要素技術としての
 磁性制御

スピン注入

スピン操作

スピン検出

磁化制御

磁気歪み効果

ᅽຊ

ᅽຊ ᱁Ꮚṍ䜏

 

格子歪みにより磁化容易軸方向を制御可能

格子歪みを誘起する手法

SrRuO

₃

SrTiO

₃

BaTiO

₃

(100nm)

BaTiO

₃

(001)

 

構造相転移による方法   cubic ‒ tetra. phase   tetra. - othor. phase   ortho. ‒ rhom. phase

393 K 278 K 190 K

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圧電効果による方法

Fe/BaTi0 ₃ ヘテロ構造の磁気特性（１）

T

₂

T

₁

c a Tetr.

Orth.

Rhom.

a’ a

a’ c’

Fe/BaTi0 ₃ ヘテロ構造の磁気特性（２）

-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

Magnetization (emu/cm

3

)

-200 -100 0 100 200

Field (Oe) 223 K

298 K

Fe/BTO(001)[100]

エピタキシャルFeドット/BaTi0 ₃ ヘテロ構造

BTO(001)(100)

Fe(002)

アスペクト比による磁区構造の制御

温度履歴による磁区構造変化

Fe(002) 64.96°

BTO(003) 69.82°

BTO(300) 70.72°

Fe(002) 64.94°

BTO(003) 69.82°

BTO(300) 70.72°

300K ⇔ 150K

圧電効果による磁区構造変化

Fe dots (2μm×1μm×30nm)/BaTiO

₃

(100nm)/

SrRuO

₃

(200nm)/SrTiO

₃

MFM

V

_DC

=-3V

DC

z

y x

BaTiO

₃

Fe dot

まとめ（３）

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界面歪み誘起法により、磁気異方性を制御できることを示し た。

 

Feドット／BaTiO

₃

ヘテロ構造において形状により磁区構造を 制御できることを示した。

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Feドット／BaTiO

₃

ヘテロ構造において、CoFeTaBと同様に歪 みにより磁気異方性が変化することを観測した。

 

Feドット／BaTiO

₃

ヘテロ構造において、圧電効果により磁気 異方性を変化させられることを示した。

総括

 

Fe

₃

O

₄

／GaAsヘテロ構造において、円偏光スピン励起法によ り、スピン検出法の可能性について検討した。

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Fe

₃

O

₄

／GaAs-AlGaAs量子井戸構造を用いて、円偏光発光 解析によりスピン注入を行い、Fe

₃

O

₄

がスピンフィルターとし て機能することを示した。

 

Fe／BaTiO

₃

ヘテロ構造において、格子歪みにより磁性制御 が可能であることを示した。

スピントロニクスを実現するための必須要素技術