JP2008071720A - Battery, battery system, and microwave transmitter - Google Patents

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Yoshichika Ootani
義近 大谷
Junya Shibata
絢也 柴田
Hajime Tatara
源 多々良
Eiji Saito
英治 齊藤
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Tokyo Metropolitan Public University Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To elucidate a mechanism for converting spin polarization current to current in a non-magnetic layer, to provide a battery apparatus which uses this mechanism and has a layered structure of ferromagnetic layer/non-magnetic layer/ferromagnetic layer, and to provide a method of controlling magnetization and a microwave transmitter which use phenomenon that current applied to a non-magnetic layer is converted to spin polarization current. <P>SOLUTION: A battery cell includes at least a first ferromagnetic metal layer 13, a non-magnetic metal layer 12, and a second ferromagnetic metal layer 11 in this order. Further, the battery cell includes a counter electrode for taking out current from a facing end face 23 of the non-magnetic metal layer 12. In this battery cell, the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer each has a thickness of 1 nm to 200 nm, and magnetization directions 14 of the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer are changed together when magnetic field 21 is applied. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、バッテリー、バッテリーシステムおよびマイクロ波発信装置に関する。   The present invention relates to a battery, a battery system, and a microwave transmission device.

近年、スピンの自由度を積極的にエレクトロニクスに利用しようとするいわゆるスピンエレクトロニクスの研究が盛んに行われている。なかでもスピン注入磁化反転を利用した磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)は、最も野心的な提案として知られている。   In recent years, research on so-called spin electronics has been actively conducted in order to actively utilize the degree of freedom of spin in electronics. Among these, magnetoresistive random access memory (MRAM) using spin injection magnetization reversal is known as the most ambitious proposal.

スピン注入磁化反転とは、例えば、強磁性体層(F1層)/非磁性体層(N層)/強磁性体層(F2層)の3層構造において、F1層の厚さがF2層の厚さより充分薄い場合において、積層面に対して垂直方向にバイアス電流を印加すると、F1層の磁気モーメントに比べてF2層の磁気モーメントに強いトルクが働いて、F2層の磁気モーメントのみが回転し、反転する現象をいう(例えば、非特許文献1を参照。)。   Spin injection magnetization reversal means, for example, a three-layer structure of a ferromagnetic layer (F1 layer) / non-magnetic layer (N layer) / ferromagnetic layer (F2 layer), where the thickness of the F1 layer is F2. When the bias current is applied in a direction perpendicular to the laminated surface when the thickness is sufficiently smaller than the thickness, a stronger torque acts on the magnetic moment of the F2 layer than the magnetic moment of the F1 layer, and only the magnetic moment of the F2 layer rotates. Refers to the phenomenon of reversal (for example, see Non-Patent Document 1).

各層において磁気モーメントに働くトルクは、スピン偏極電流の変化と関係づけられる。スピン偏極電流とは、特定の方向のスピンの角運動量を有する伝導電子のスピンの流れである。   The torque acting on the magnetic moment in each layer is related to the change in spin-polarized current. The spin-polarized current is a spin flow of conduction electrons having a spin angular momentum in a specific direction.

磁化方向を、積層面に対して垂直方向にバイアス電圧を印加することなく、スピン偏極電流によって反転させることも試みられている(例えば、非特許文献2および3を参照)。F1層にパルス磁場の印加等によって特定方向のスピンを強制的に注入したとき、F1層とN層との界面、N層とF2層との界面においてスピンの角運動量が授受され、F2層におけるスピン偏極電流の増加がF2層の磁気モーメントにトルクとして働く。このスピン偏極電流によるトルクが制動トルクより大きい場合、F2層の磁化方向を反転させることができると期待されている。
屋上、鈴木、日本応用磁気学会誌、Vol.28、No.9(2004)937〜948頁、 安藤、水上、宮崎 固体物理40 No.1(2005)35〜42頁 理研ニュースNo.281、研究最前線「スピンの流れを操る」、2004年11月
Attempts have been made to reverse the magnetization direction by a spin-polarized current without applying a bias voltage in a direction perpendicular to the laminated surface (see, for example, Non-Patent Documents 2 and 3). When a spin in a specific direction is forcibly injected into the F1 layer by applying a pulsed magnetic field or the like, the angular momentum of the spin is transferred at the interface between the F1 layer and the N layer and the interface between the N layer and the F2 layer. An increase in the spin-polarized current acts as a torque on the magnetic moment of the F2 layer. When the torque due to this spin-polarized current is larger than the braking torque, it is expected that the magnetization direction of the F2 layer can be reversed.
Rooftop, Suzuki, Journal of Japan Society of Applied Magnetics, Vol. 28, no. 9 (2004) 937-948, Ando, Minakami, Miyazaki Solid Physics 40 1 (2005) 35-42 RIKEN News No. 281, Research Frontier “Manipulating Spin Flow”, November 2004

本発明は、スピン偏極電流が非磁性層において電流に変換される機構を解明し、この機構を利用した、強磁性層/非磁性層/強磁性層の積層構造を有するバッテリー装置、ならびに、非磁性層に印加した電流がスピン偏極電流に変換される現象を利用した磁化制御方法、マイクロ波発信装置を提供することを目的とする。   The present invention clarifies the mechanism by which spin-polarized current is converted into current in the nonmagnetic layer, and uses this mechanism to provide a battery device having a laminated structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, and It is an object of the present invention to provide a magnetization control method and a microwave transmission device using a phenomenon that a current applied to a nonmagnetic layer is converted into a spin-polarized current.

本発明に係るバッテリーセルは、少なくとも第1強磁性金属層と、非磁性金属層と、第2強磁性金属層とをこの順に備え、前記非磁性金属層の対向する端面から電流を取り出すための対向電極を備えたバッテリーセルであって、前記第1強磁性金属層および第2強磁性金属層の各層の厚さが、1nm〜200nmであり、前記第1強磁性金属層および第2強磁性金属層の磁化方向が、磁場を印加することによりともに変化するものである。
本発明に係るバッテリーは、上記バッテリーセルを、絶縁層を介して積層したものである。
本発明に係るバッテリーシステムは、上記バッテリーセルまたはバッテリーと、上記バッテリーセルまたはバッテリーの非磁性金属層の積層面に垂直な方向に磁場を印加することができる磁場発生装置とを備えたものである。
本発明に係るマイクロ波発信装置は、少なくとも第1強磁性層と、非磁性層と、第2強磁性層とをこの順に備え、前記非磁性層の積層面に平行な方向に電流を流すための対向電極を備えた、面内サイズが磁壁幅より小さい磁性膜セルと、該磁性膜セルに前記対向電極を介して交流電流を印加することができる交流電源と、前記交流電源の周波数と磁化振動周期との同期手段とを備えた、マイクロ波発信装置である。
本発明に係る方法は、少なくとも第1強磁性層と、非磁性層と、第2強磁性層とをこの順に備えた面内サイズが磁壁幅より小さい磁性膜セルと、該磁性膜セルの積層面に対して垂直方向に電流を流すために第1強磁性層と第2強磁性層とに設けられた第1対向電極とを備えたスピン注入磁化反転素子において、前記第1強磁性層および第2強磁性層の磁化方向を平行または反平行に相互に切り換えるための方法であって、前記第1対向電極と前記非磁性層の積層面に平行方向に電流を流すために設けた第2対向電極とのそれぞれに、極性可変の電源を接続するステップと、該電源を用いて、前記磁性膜セルに第1対向電極と第2対向電極とを介して、直流電流を流すステップとを含む方法である。
A battery cell according to the present invention includes at least a first ferromagnetic metal layer, a nonmagnetic metal layer, and a second ferromagnetic metal layer in this order, and for taking out current from opposing end faces of the nonmagnetic metal layer. A battery cell having a counter electrode, wherein each of the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer has a thickness of 1 nm to 200 nm, and the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer The magnetization direction of the metal layer changes together when a magnetic field is applied.
The battery according to the present invention is obtained by stacking the battery cells via an insulating layer.
A battery system according to the present invention includes the battery cell or the battery, and a magnetic field generator capable of applying a magnetic field in a direction perpendicular to a stack surface of the battery cell or the nonmagnetic metal layer of the battery. .
The microwave transmission device according to the present invention includes at least a first ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic layer in this order, and allows a current to flow in a direction parallel to the laminated surface of the nonmagnetic layer. A magnetic film cell having an in-plane size smaller than the domain wall width, an AC power source capable of applying an AC current to the magnetic film cell via the counter electrode, and a frequency and magnetization of the AC power source It is a microwave transmission device provided with a synchronizing means with a vibration period.
The method according to the present invention includes at least a first ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic layer in this order, a magnetic film cell having an in-plane size smaller than the domain wall width, and a stack of the magnetic film cells. In a spin-injection magnetization switching element comprising a first counter electrode provided in a first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer in order to pass a current in a direction perpendicular to the plane, the first ferromagnetic layer and A method for switching the magnetization directions of the second ferromagnetic layer to each other in parallel or anti-parallel, wherein the second ferromagnetic layer is provided to allow a current to flow in a direction parallel to the laminated surface of the first counter electrode and the nonmagnetic layer. Connecting a polarity variable power source to each of the counter electrodes, and passing a direct current to the magnetic film cell through the first counter electrode and the second counter electrode using the power source. Is the method.

本発明によれば、非接触で非常に短時間の充電が可能で、容量低下が起きにくいバッテリーを得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a battery that can be charged in a non-contact manner for a very short time and is less likely to cause a decrease in capacity.

以下に、本発明を、図面を参照して詳細に説明する。同じ部材には同じ符号を付して表した。なお、本発明は以下に説明する形態に制限されるものではない。
本発明のバッテリーセルは、第1強磁性金属層と、非磁性金属層と、第2強磁性金属層とをこの順に備えたものである。
本明細書において、上記第1強磁性金属層および第2強磁性金属層を区別しない場合、単に強磁性金属層と称する。
強磁性金属層の材料としては特に限定されないが、例えば、コバルト、鉄−ニッケル合金(Py)等を採用することができる。第1強磁性金属層と第2強磁性金属層とは、同一の材料を用いてもよいし、異なる材料を用いてもよい。また、各強磁性金属層は、異なる材料からなる2層以上の層を含んでいてよい。非磁性金属層の材料としては、例えば、銅(Cu)、白金(Pt)、金(Au)等を採用することができ、なかでもバッテリーセルとして用いる場合、後述するスピン−軌道相互作用が比較的強いことが求められるので、白金(Pt)、金(Au)が好適に用いられる。
非磁性金属の不純物濃度としては、後述するスピン−軌道相互作用による伝導電子の散乱が適度に起こる程度含まれていることが好ましく、例えば、1×1019cm-3〜1×1020cm-3とすることができる。
本発明において用いられる強磁性金属層および非磁性金属層は、従来公知の半導体加工プロセス技術を用いることができ、真空蒸着法、マグネトロンスパッタリング法等により形成することができる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same members are denoted by the same reference numerals. In addition, this invention is not restrict | limited to the form demonstrated below.
The battery cell of the present invention includes a first ferromagnetic metal layer, a nonmagnetic metal layer, and a second ferromagnetic metal layer in this order.
In the present specification, when the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer are not distinguished, they are simply referred to as a ferromagnetic metal layer.
Although it does not specifically limit as a material of a ferromagnetic metal layer, For example, cobalt, an iron-nickel alloy (Py), etc. are employable. The first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer may be made of the same material or different materials. Each ferromagnetic metal layer may include two or more layers made of different materials. As the material of the nonmagnetic metal layer, for example, copper (Cu), platinum (Pt), gold (Au), etc. can be adopted. In particular, when used as a battery cell, the spin-orbit interaction described later is compared. Therefore, platinum (Pt) and gold (Au) are preferably used.
The impurity concentration of the nonmagnetic metal is preferably included to the extent that conduction electron scattering due to the spin-orbit interaction described later occurs moderately, for example, 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 20 cm −. Can be 3 .
The ferromagnetic metal layer and the non-magnetic metal layer used in the present invention can use a conventionally known semiconductor processing process technique, and can be formed by a vacuum deposition method, a magnetron sputtering method, or the like.

強磁性金属層は、バッテリーセルとして用いるためには、薄く形成する必要がある。強磁性金属層の層厚としては、強磁性金属の種類や隣接する非磁性金属層の種類等にもよるが、例えば、強磁性金属として、コバルト、非磁性金属層として、白金を用いる場合、1nm〜200nmとすることができる。好ましい下限は、2nm、好ましい上限は、40nmである。層厚が上記範囲内であると、スピン偏極電流が効率よく流れることができる。第1強磁性金属層の層厚と第2強磁性金属層の層厚とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。   The ferromagnetic metal layer needs to be formed thin in order to be used as a battery cell. The thickness of the ferromagnetic metal layer depends on the type of the ferromagnetic metal and the type of the adjacent nonmagnetic metal layer.For example, when using cobalt as the ferromagnetic metal and platinum as the nonmagnetic metal layer, It can be 1 nm to 200 nm. A preferred lower limit is 2 nm and a preferred upper limit is 40 nm. When the layer thickness is within the above range, the spin-polarized current can flow efficiently. The layer thickness of the first ferromagnetic metal layer and the layer thickness of the second ferromagnetic metal layer may be the same or different.

非磁性金属層の層厚は、厚すぎるとスピン拡散によってスピンの向きが乱れスピン偏極電流が流れなくなる場合があるので、例えば、白金を用いる場合、1nm〜10nm、金を用いる場合、1nm〜50nmとすることが好ましい。
各上限は、それぞれの室温におけるスピン拡散長である。
If the layer thickness of the nonmagnetic metal layer is too thick, the spin direction may be disturbed by spin diffusion and the spin-polarized current may not flow. For example, when using platinum, 1 nm to 10 nm, when using gold, 1 nm to 50 nm is preferable.
Each upper limit is the spin diffusion length at the respective room temperature.

本発明のバッテリーセルは、二つの強磁性金属層の磁化方向が、磁場を印加することによりともに変化するものである。本明細書において、「強磁性金属層の磁化方向が変化する」とは、強磁性金属層中の電子のスピンに、積層面に垂直な方向に加えられる磁場や積層面に垂直な方向に加えられる電流等によって系外から与えられるトルクが制動トルクを上回り、スピン偏極電流が非磁性金属層に流れだすことを意味する。
本発明のバッテリーセルでは、いずれかの強磁性金属層の磁化方向が、一方向に固定されている必要はない。すなわち、磁化方向が変化しない磁化固定層(ピン層)を有しない点、および積層面に対して垂直方向に電流を印加する必要がない点で、後述するスピン注入磁化反転素子とは区別すべきものである。
In the battery cell of the present invention, the magnetization directions of the two ferromagnetic metal layers change together when a magnetic field is applied. In this specification, “the magnetization direction of the ferromagnetic metal layer changes” means that a magnetic field applied in a direction perpendicular to the laminated surface or a direction perpendicular to the laminated surface is added to the spin of electrons in the ferromagnetic metal layer. This means that the torque applied from outside the system by the applied current exceeds the braking torque, and the spin-polarized current flows out to the nonmagnetic metal layer.
In the battery cell of the present invention, the magnetization direction of any ferromagnetic metal layer does not need to be fixed in one direction. That is, it should be distinguished from the spin-injection magnetization reversal element described later in that it does not have a magnetization fixed layer (pinned layer) whose magnetization direction does not change and that it is not necessary to apply a current perpendicular to the laminated surface. It is.

本発明のバッテリーセルは、上記第1強磁性金属層および第2強磁性金属層の磁化方向が、磁場を印加していない状態において、反平行の関係にあることが好ましい。反平行であると、積層面に垂直に外部磁場を印加した場合、磁化は外部磁場の方向に向こうとするので、ノンコリニアな状態になりやすく、両層間にスピン偏極電流が流れる状態になりやすい。本明細書において、「ノンコリニア」とは、平行または反平行でない状態を意味する。   In the battery cell of the present invention, it is preferable that the magnetization directions of the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer have an antiparallel relationship when no magnetic field is applied. When anti-parallel, when an external magnetic field is applied perpendicular to the laminated surface, magnetization tends to go in the direction of the external magnetic field, so it tends to be in a non-collinear state and a state in which a spin-polarized current flows between both layers . In this specification, “non-collinear” means a state that is not parallel or anti-parallel.

第1強磁性金属層および第2強磁性金属層を、磁化方向が反平行になるように積層する方法としては、層間交換相互作用(Rudermann―Kittel―Kasuya−Yoshida(RKKY)相互作用ともいう)を利用する。この相互作用の特徴は、非磁性層の厚さが変化すると、強磁性層間の磁化の相互作用の大きさが振動しながら距離の3乗で減衰することである。振動周期は、伝導電子のフェルミ波長程度(10-10m)である。したがって、適当に厚さを変えれば、相互作用の符合を変えられるので、磁化が互いに反平行になるようにすることができる。 As a method of laminating the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer so that the magnetization directions are antiparallel, interlayer exchange interaction (also referred to as Rudermann-Kittel-Kasuya-Yoshida (RKKY) interaction) Is used. The feature of this interaction is that when the thickness of the nonmagnetic layer changes, the magnitude of the interaction of magnetization between the ferromagnetic layers is attenuated by the cube of the distance while oscillating. The oscillation period is about the Fermi wavelength (10 −10 m) of the conduction electrons. Therefore, if the thickness is changed appropriately, the sign of the interaction can be changed, so that the magnetizations can be antiparallel to each other.

本発明のバッテリーセルに関し、動作原理は特定の理論に拘束されるものではないが、現状考えられている原理を以下に説明する。
まず、図2に示すように、第1強磁性金属層11と第2強磁性金属層13における反平行の状態にある磁化方向14を、例えば、外部磁場[Hex]21を印加することによって、ノンコリニアな状態(状態A)にする。
かかるノンコリニアな状態において、積層面に対して垂直な方向すなわちz方向に、各層の磁化方向m1、m2の外積m1×m2の大きさに比例したスピン偏極電流jsが流れる。スピン偏極電流の量は、m1とm2の向きが直交するときに最大になる。また、各層の面内サイズ(面積)を大きくすれば、その量は面積に比例して大きくなる。ここでいうスピン偏極電流jsは、スピンの向きが上向きの伝導電子の流れをベクトル量j↑、下向きの伝導電子の流れをベクトル量j↓としたときに、js=j↑−j↓で定義される。
図3に示すように、バッテリーを負荷に接続していない条件下では、上向きスピンの伝導電子31と下向きスピンの伝導電子32が互いに反対方向33に流れており、正味の電流を伴わないスピンの流れのみが生じている状況である。したがって、このスピン偏極電流は、ジュール熱によるエネルギー散逸を伴わない平衡流である。
図2の状況においては、スピンの向きは、m1とm2のベクトル外積の方向、すなわち、y軸を基準に取るものとなる。
Regarding the battery cell of the present invention, the operating principle is not limited to a specific theory, but the presently considered principle will be described below.
First, as shown in FIG. 2, the magnetization direction 14 in the antiparallel state in the first ferromagnetic metal layer 11 and the second ferromagnetic metal layer 13 is applied, for example, by applying an external magnetic field [H ex ] 21. In a non-collinear state (state A).
In such a non-collinear state, a spin-polarized current js proportional to the magnitude of the outer product m1 × m2 of the magnetization directions m1 and m2 of each layer flows in the direction perpendicular to the laminated surface, that is, the z direction. The amount of spin-polarized current is maximized when the directions of m1 and m2 are orthogonal. If the in-plane size (area) of each layer is increased, the amount increases in proportion to the area. The spin-polarized current js here is expressed as js = j ↑ −j ↓ where the flow of conduction electrons whose spin direction is upward is the vector amount j ↑ and the flow of downward conduction electrons is the vector amount j ↓. Defined.
As shown in FIG. 3, under the condition where the battery is not connected to the load, the upward spin conduction electrons 31 and the downward spin conduction electrons 32 flow in opposite directions 33, and the spin current without a net current is generated. This is a situation where only the flow is occurring. Therefore, this spin-polarized current is an equilibrium flow without energy dissipation due to Joule heat.
In the situation of FIG. 2, the spin direction is based on the vector outer product direction of m1 and m2, that is, the y-axis.

非磁性金属層12は、上述の通りPt、Au等で作成することができる。非磁性金属層12は、不純物を含むのであり、かかる不純物によって、伝導電子はスピン−軌道相互作用を受ける。この相互作用による伝導電子の散乱において、上向きスピンと下向きスピンにその散乱が起きる確率は同じであるが、散乱される方向は互いに逆方向である。上述の平衡スピン偏極電流の場合、上、下スピンの伝導電子の流れ41は互いにz軸に沿って逆方向であるから、スピン−軌道相互作用によって散乱される方向は同じとなり、スピン偏極電流の流れに対して垂直方向に正味の流れ、ホール電流42が生ずる(図4)。
ホール電流ベクトルjは、スピン偏極電流ベクトルjsとスピンの向き(y軸方向単位ベクトルをyで表す。)の外積js×yに比例すると考えられる。つまり、ホール電流の流れの向きは、y軸とz軸によって形成される面に対して垂直な方向、すなわちx方向である。
ホール電流42は、非磁性金属層境界面に達すると緩和が起こり、最終的には、非磁性金属層境界面(対向端面)51に電荷52の蓄積が起こり、境界面間に電位差が生じる。(図5)
以上がスピン偏極電流から面内電流へ変換される機構である。これは電場でスピン流を発生させるのと逆の作用であり逆スピンホール効果と呼ばれている。
The nonmagnetic metal layer 12 can be made of Pt, Au or the like as described above. The nonmagnetic metal layer 12 contains impurities, and conduction electrons undergo spin-orbit interaction due to such impurities. In the scattering of conduction electrons due to this interaction, the probability that the scattering occurs in the upward spin and the downward spin is the same, but the scattered directions are opposite to each other. In the case of the above-described equilibrium spin-polarized current, the conduction electrons flow 41 of the upper and lower spins are opposite to each other along the z-axis, so the directions scattered by the spin-orbit interaction are the same, and the spin polarization A net flow in a direction perpendicular to the current flow results in a Hall current 42 (FIG. 4).
The Hall current vector j is considered to be proportional to the outer product js × y of the spin-polarized current vector js and the spin direction (y-axis direction unit vector is represented by y). That is, the direction of the hole current flow is a direction perpendicular to the plane formed by the y-axis and the z-axis, that is, the x-direction.
When the hole current 42 reaches the boundary surface of the nonmagnetic metal layer, relaxation occurs. Eventually, charge 52 is accumulated on the boundary surface (opposing end surface) 51 of the nonmagnetic metal layer, and a potential difference is generated between the boundary surfaces. (Fig. 5)
The above is the mechanism for converting the spin-polarized current into the in-plane current. This is the reverse action of generating a spin current in an electric field and is called the reverse spin Hall effect.

以下、本発明のバッテリーセルを用いたバッテリーからどれくらいのエネルギーが取り出せるかを試算してみる。二つの強磁性金属層の材料をコバルト(Co)とする。コバルトのキュリー温度は約Tc=1400Kであるので、交換相互作用エネルギーは、
BTc=1400×1.4×10-23=2×10-20
(kB:ボルツマン定数)と概算される。格子間隔を3.5×10-10mとすると、二つの強磁性層をノンコリニアな状態にしたときに蓄えられる単位体積当たりのエネルギーは、4.6×108J/m3と概算される。これを、Wh/L(ワットアワー/リットル)の単位に直すと、1Wh=3600J、L=1×10-33で、4.6×108/3.6×106=128Wh/Lとなる。
そして、ノンコリニアな強磁性金属層間を流れるスピン偏極電流Jsによって誘起される電流Jとの関係は、
J=σISHEJs
と比例関係にあり、この比例係数が、スピン偏極電流から電流への変換効率となる。σISHEは一般に、σ0/σSHと書ける(ここでσ0は縦電気伝導率(例えば、x方向の電場に対して、x方向に電流が流れる)、σSHはスピンホール流伝導率(例えば、y方向の電場に対して、z方向スピンをもったスピン流がx方向に流れる)である)。したがって、スピン偏極電流と電流の比(変換効率)Js/J=σISHE -1=σSH/σ0となるが、これは非磁性金属層におけるスピン−軌道相互作用の大きさηS0に大体比例する。文献(Concept in Spin Electronics, S. Takahashi et al.,p365,Table 8.1の右端のηs0)によると、銅(Cu)で約0.03〜0.04である。金や白金に対するデータはないが、この値を変換効率として汎用すると、バッテリーとして取りだせるエネルギー密度は、蓄えられたエネルギー密度×変換効率である。最近の電池のエネルギー密度が、数百Wh/Lで、変換効率を10%(0.1)とすると、本発明のバッテリーセルのエネルギー密度は、一桁小さいが、変換効率を一桁上げられれば、同程度となる。
Hereinafter, it will be estimated how much energy can be extracted from the battery using the battery cell of the present invention. The material of the two ferromagnetic metal layers is cobalt (Co). Since the Curie temperature of cobalt is about Tc = 1400K, the exchange interaction energy is
k B Tc = 1400 × 1.4 × 10 −23 = 2 × 10 −20 J
(K B : Boltzmann constant) When the lattice spacing is 3.5 × 10 −10 m, the energy per unit volume stored when the two ferromagnetic layers are brought into a non-collinear state is estimated to be 4.6 × 10 8 J / m 3. . When this is converted into a unit of Wh / L (watt hour / liter), 1 Wh = 3600 J, L = 1 × 10 −3 m 3 , 4.6 × 10 8 /3.6×10 6 = 128 Wh / L It becomes.
And the relationship with the current J induced by the spin-polarized current Js flowing between the non-collinear ferromagnetic metal layers is
J = σ ISHE Js
The proportional coefficient is the conversion efficiency from the spin-polarized current to the current. In general, σ ISHE can be written as σ 0 / σ SH (where σ 0 is the longitudinal electrical conductivity (for example, current flows in the x direction with respect to the electric field in the x direction), and σ SH is the spin hole current conductivity ( For example, for an electric field in the y direction, a spin current having a z direction spin flows in the x direction). Therefore, the ratio of spin-polarized current to current (conversion efficiency) Js / J = σ ISHE −1 = σ SH / σ 0 , which corresponds to the magnitude η S0 of the spin-orbit interaction in the nonmagnetic metal layer. Proportionally proportional. According to literature (Concept in Spin Electronics, S. Takahashi et al., P365, right end η s0 in Table 8.1), it is about 0.03 to 0.04 for copper (Cu). There is no data for gold or platinum, but if this value is used as a conversion efficiency, the energy density that can be taken out as a battery is the stored energy density x conversion efficiency. If the energy density of a recent battery is several hundred Wh / L and the conversion efficiency is 10% (0.1), the energy density of the battery cell of the present invention is one digit smaller, but the conversion efficiency can be increased by one digit. The same.

以上のバッテリー密度と変換効率の値を使用し、バッテリーセルの強磁性金属層および非磁性金属層の各層サイズを、それぞれ例えば、縦1cm×横1cm×厚さ10nmとした場合、蓄えられるエネルギーは、2.3×10-4Jとなる。ここで、取り出す電流を1[V]1[mA]=1×10-3J/s程度とすると、2.3×10-4/1×10-3=0.23秒ほどで、放電することになる。 When the above battery density and conversion efficiency values are used, and the size of each of the ferromagnetic metal layer and the nonmagnetic metal layer of the battery cell is, for example, 1 cm long × 1 cm wide × 10 nm thick, the stored energy is 2.3 × 10 −4 J. Here, assuming that the extracted current is about 1 [V] 1 [mA] = 1 × 10 −3 J / s, the discharge is performed in about 2.3 × 10 −4 / 1 × 10 −3 = 0.23 seconds. It will be.

本発明のバッテリーセルは、非磁性金属層の対向する端面から電流を取り出すための対向電極を備えたものである。
対向する端面は、非磁性金属層における面内電流が緩和する境界面である。境界面は、コリニアな磁化方向に対して垂直な面と一致することが好ましい。
非磁性金属層は非常に薄く形成する必要があるので、端面の面積は非常に小さい。したがって、該非磁性金属層と電気的に接続する対向電極は、リード線によって容易に電流を取り出せるよう、例えば、取り出し電極とすることができる。取り出し電極は、第1強磁性金属層の面上のみならず第1強磁性金属層の積層面からはみ出すように非磁性金属層を形成することにより設けることができる。次いで第2強磁性金属層は、非磁性金属層の取り出し電極部分にマスキングをしたうえで積層することができる。
対向電極の材料としては、リード線と非磁性金属層との接触抵抗が小さくなるよう、パラジウム、はんだ等を採用することができる。
The battery cell of the present invention is provided with a counter electrode for taking out current from opposite end surfaces of the nonmagnetic metal layer.
The opposing end surfaces are boundary surfaces where the in-plane current in the nonmagnetic metal layer is relaxed. The boundary surface preferably coincides with a surface perpendicular to the collinear magnetization direction.
Since the nonmagnetic metal layer needs to be formed very thin, the area of the end face is very small. Therefore, the counter electrode electrically connected to the nonmagnetic metal layer can be, for example, a take-out electrode so that current can be easily taken out by the lead wire. The extraction electrode can be provided by forming a nonmagnetic metal layer so as to protrude from the laminated surface of the first ferromagnetic metal layer as well as on the surface of the first ferromagnetic metal layer. Next, the second ferromagnetic metal layer can be laminated after masking the extraction electrode portion of the nonmagnetic metal layer.
As the material of the counter electrode, palladium, solder, or the like can be employed so that the contact resistance between the lead wire and the nonmagnetic metal layer is reduced.

本発明のバッテリーセルの面積(面内サイズ)としては、強磁性層における磁化構造が単磁区構造を有することができれば、数cm2とすることができる。 The area (in-plane size) of the battery cell of the present invention can be several cm 2 if the magnetization structure in the ferromagnetic layer can have a single domain structure.

本発明のバッテリーセルは、構造が極めて単純であることから、微小な二次電池として他のデバイスに組み込んで用いることができる。しかしながら、現存の汎用電池程度の容量を確保するためには、上記バッテリーセルを積層面に対して垂直方向に積み上げることが好ましい。上記バッテリーセルを絶縁層を介して積層したバッテリーもまた本発明の1つの態様である。
上記絶縁層の材料としては、TMR(トンネル磁気抵抗)素子にも用いられているアモルファス材料であるアルミナ(Al23)や結晶質材料である酸化マグネシウム(MgO)等が挙げられる。上記絶縁層の積層方法としては、マグネトロンスパッタリング法等が挙げられる。絶縁層の1層あたりの厚さは、1nm〜10nmとすることができる。
上記バッテリーセルの積層数としては特に限定されないが、例えば、数万層積み上げることにより、1mA程度の電流で数時間は持続することができる。
Since the battery cell of the present invention has a very simple structure, it can be used as a small secondary battery incorporated in another device. However, in order to ensure the capacity of an existing general-purpose battery, it is preferable to stack the battery cells in a direction perpendicular to the stacking surface. A battery in which the battery cells are stacked with an insulating layer interposed therebetween is also an aspect of the present invention.
Examples of the material for the insulating layer include alumina (Al 2 O 3 ), which is an amorphous material that is also used for TMR (tunnel magnetoresistance) elements, and magnesium oxide (MgO), which is a crystalline material. Examples of the method for laminating the insulating layer include a magnetron sputtering method. The thickness per layer of the insulating layer can be 1 nm to 10 nm.
The number of stacked battery cells is not particularly limited. For example, by stacking tens of thousands of layers, the battery cells can be maintained for several hours with a current of about 1 mA.

非磁性金属層の対向電極をリード線で結線すると、図6に示すように、電位差により線間に電流が流れ、系外の負荷61に対して仕事をすることができる。一方、その代償として磁化方向14が反平行に戻り、層間に平衡スピン偏極電流が流れなくなる。そして、再び磁場等を用いることによって、各層の磁化方向をノンコリニアな状態にすることができ(これが充電に対応する)、上記状態Aに戻すことができる。   When the counter electrode of the nonmagnetic metal layer is connected with a lead wire, as shown in FIG. 6, a current flows between the lines due to the potential difference, and work can be performed on the load 61 outside the system. On the other hand, as a price, the magnetization direction 14 returns to antiparallel, and no equilibrium spin-polarized current flows between the layers. And by using a magnetic field etc. again, the magnetization direction of each layer can be made into a non-collinear state (this respond | corresponds to charge), and it can return to the said state A.

上記バッテリーと、該バッテリーの非磁性金属層の積層面に垂直な方向に有効磁場を印加することができる磁場発生装置とを備えたバッテリーシステムもまた、本発明の1つの態様である。
磁場発生装置は、積層面に厳密に垂直に磁場を加えられるものである必要はなく、積層面に垂直な磁場成分を印加することができるものであればよい。積層面に垂直な磁場成分を有効磁場という。
かかる有効磁場の印加方法としては、強磁性共鳴法(FMR)、あるいはパルス磁界を印加する方法等を採用することができる。
本発明のバッテリーセルまたはバッテリーにおける外部への放電操作と磁場発生装置を用いた充電操作とは、動作として閉じており、何度も利用することができ、従来のバッテリーのように消耗または劣化する部分がなく、電極劣化による容量低下等が起きず、原理的には半永久的に使用することができる。
A battery system including the battery and a magnetic field generator capable of applying an effective magnetic field in a direction perpendicular to the laminated surface of the nonmagnetic metal layers of the battery is also an aspect of the present invention.
The magnetic field generator does not need to be able to apply a magnetic field strictly perpendicular to the laminated surface, and may be any device that can apply a magnetic field component perpendicular to the laminated surface. The magnetic field component perpendicular to the laminated surface is called an effective magnetic field.
As a method for applying such an effective magnetic field, a ferromagnetic resonance method (FMR), a method for applying a pulsed magnetic field, or the like can be employed.
The discharge operation to the outside in the battery cell or battery of the present invention and the charge operation using the magnetic field generator are closed as operations, can be used many times, and are consumed or deteriorated as in a conventional battery. There is no portion, no capacity drop due to electrode deterioration, etc., and in principle it can be used semipermanently.

本発明のバッテリーシステムは、上述の通り、充電を外部磁場の印加によって行うものであるが、本発明のバッテリーセルまたはバッテリーの非磁性金属層に設けられた対向電極に電流を流すことにより、充電することも可能である。
上述したスピン偏極電流−電流変換機構は、スピン偏極電流が流れることによって、非磁性金属層の積層面内にスピン−軌道相互作用を介した電流が発生するものである。この関係は線形応答の関係にある。つまり、スピン偏極電流は、電流に比例する。逆にとらえれば、電流はスピン偏極電流に比例することになる。
したがって、図7に示すように非磁性金属層12面内に電流72を流すことによって、積層面に垂直な方向にスピン偏極電流22を発生させることができ、スピン偏極電流22は磁化にトルク73を与える働きをするので、強磁性金属層11、13内の磁化14をノンコリニアな状態にすることが可能となる。
As described above, the battery system of the present invention performs charging by applying an external magnetic field. However, charging is performed by passing a current through the counter electrode provided on the battery cell of the present invention or the nonmagnetic metal layer of the battery. It is also possible to do.
The above-described spin-polarized current-current conversion mechanism generates a current via a spin-orbit interaction in the laminated surface of the nonmagnetic metal layer when the spin-polarized current flows. This relationship is a linear response relationship. That is, the spin polarized current is proportional to the current. Conversely, the current is proportional to the spin-polarized current.
Therefore, as shown in FIG. 7, by passing a current 72 in the surface of the nonmagnetic metal layer 12, a spin-polarized current 22 can be generated in a direction perpendicular to the laminated surface, and the spin-polarized current 22 is magnetized. Since it functions to provide the torque 73, the magnetization 14 in the ferromagnetic metal layers 11 and 13 can be brought into a non-collinear state.

[スピン注入磁化反転素子およびマイクロ波発信装置への応用]
スピン注入磁化反転素子とは、本発明のバッテリーセルと基本的に同様に、非磁性層を介して強磁性層を接合した多層膜構造を有する素子であって、MRAM等への応用が期待されている素子である。この素子は、積層面に対して垂直方向に電流を流すことによって、磁化固定層93と呼ばれる強磁性層の積層面内の磁化方向を一定方向に保ちつつ、磁化反転層91と呼ばれる強磁性層の積層面内の磁化方向をスイッチし、2つの強磁性層の磁化方向を平行または反平行の状態に切り換えることが可能であり、その平行の時と反平行の時の抵抗差を利用して、磁気情報の書き込みと読み取りとを行う素子である。このスピン注入磁化反転素子を構成するためには、磁性膜セルの面内サイズを、用いる強磁性材料の磁壁幅より小さくすることが好ましく、100nmφのオーダーにすることが求められる。より具体的には、磁性膜セルの面内サイズは、少なくとも200nmφ以下で、4nmφ〜100nmφであることが好ましい。
本明細書において、上記「面内サイズ」とは、強磁性層の積層面の長軸長である。
このようなスピン注入磁化反転素子において、もっとも改善が望まれているのは、磁化方向のスイッチに必要な閾電流値を下げることである。上記のスピン偏極電流−電流変換機構の効果を、図8に示すような従来のスピン注入磁化反転素子に組み込めば、非磁性層の面内電流により磁化方向のスイッチをアシストすることができるスピン注入磁化反転素子の開発が可能になる。すなわち、積層面に対して垂直方向に第1対向電極を介して電流を流し反転層の磁化の方向をスイッチする際に、図9に示すように非磁性金属層92の積層面に平行な方向にも第2対向電極を介して電流を流し、積層面に対して垂直方向にスピン偏極電流を誘起する。誘起されたスピン偏極電流により、磁化反転層91の磁化14にトルク94が働き、磁化の反転を促すことができる。元に戻すには、それぞれの電流の向きを同時に変えれば良い。この方式の大きなメリットは、磁化を反転させる為に多層膜の面直方向に流すことを要する閾電流値の低下が期待できることである。
[Application to spin-injection magnetization reversal element and microwave transmitter]
A spin-injection magnetization reversal element is an element having a multilayer film structure in which a ferromagnetic layer is bonded via a nonmagnetic layer basically in the same manner as the battery cell of the present invention, and is expected to be applied to an MRAM or the like. It is an element. In this element, a current flows in a direction perpendicular to the laminated surface, thereby maintaining a magnetization direction in a laminated surface of a ferromagnetic layer called a magnetization fixed layer 93 in a constant direction, and a ferromagnetic layer called a magnetization switching layer 91. It is possible to switch the magnetization direction in the laminated surface of the two layers and switch the magnetization direction of the two ferromagnetic layers to a parallel or anti-parallel state, utilizing the resistance difference between the parallel and anti-parallel states. An element for writing and reading magnetic information. In order to configure this spin-injection magnetization reversal element, the in-plane size of the magnetic film cell is preferably smaller than the domain wall width of the ferromagnetic material to be used, and is required to be on the order of 100 nmφ. More specifically, the in-plane size of the magnetic film cell is preferably at least 200 nmφ and 4 nmφ to 100 nmφ.
In the present specification, the “in-plane size” is the major axis length of the laminated surface of the ferromagnetic layers.
In such a spin-injection magnetization switching element, what is most desired to be improved is to lower the threshold current value required for the magnetization direction switch. If the effect of the above-described spin-polarized current-current conversion mechanism is incorporated in a conventional spin-injection magnetization reversal element as shown in FIG. 8, a spin that can assist the magnetization direction switch by the in-plane current of the nonmagnetic layer. It becomes possible to develop an injection magnetization switching element. That is, when a current is passed through the first counter electrode in a direction perpendicular to the laminated surface to switch the magnetization direction of the inversion layer, a direction parallel to the laminated surface of the nonmagnetic metal layer 92 as shown in FIG. In addition, a current is passed through the second counter electrode to induce a spin-polarized current in a direction perpendicular to the laminated surface. Due to the induced spin-polarized current, the torque 94 acts on the magnetization 14 of the magnetization switching layer 91, and the magnetization reversal can be promoted. To return to the original state, the direction of each current may be changed at the same time. The great merit of this method is that a decrease in the threshold current value required to flow in the direction perpendicular to the plane of the multilayer film in order to reverse the magnetization can be expected.

積層面内にも電流を流すので積層面に対して垂直に流す電流値が下がったとしても、反転に要するトルク量に変化はないので、この素子のもう1つの大きなメリットは、発生するジュール熱は減少するという点にある。電流によるジュール熱損失を減らすことは、素子の開発にとって重要課題の一つであるからである。
従来のスピン注入反転素子における反転電流をIとする。このときのジュール熱は、素子の抵抗をRとすると、
Wa=RI2
となる。一方、本発明において、反転電流をI1、積層面内に流す電流をI2とする。ここで、I=I1+I2という条件が満たされているとする。この場合のジュール熱は、
Since current flows also in the laminated surface, even if the current value flowing perpendicularly to the laminated surface decreases, the amount of torque required for inversion does not change. Is that it decreases. This is because reducing Joule heat loss due to electric current is one of the important issues for device development.
An inversion current in a conventional spin injection inversion element is I. The Joule heat at this time is represented by R as the resistance of the element.
Wa = RI 2
It becomes. On the other hand, in the present invention, the inversion current is I 1 , and the current flowing in the laminated surface is I 2 . Here, it is assumed that the condition of I = I 1 + I 2 is satisfied. The Joule heat in this case is

Figure 2008071720
Figure 2008071720

となり、ジュール熱は減少する。 And Joule heat decreases.

さらに、少なくとも第1強磁性層と、非磁性層と、第2強磁性層とをこの順に備え、上記非磁性層の積層面に平行な方向に電流を流すための対向電極を備えた、面内サイズが磁壁幅より小さい磁性膜セルと、該磁性膜セルに前記対向電極を介して交流電流を印加することができる交流電源と、上記交流電源の周波数と磁化振動周期との同期手段とを備えたマイクロ波発信装置もまた、本発明の1つの態様である。
図10に示すように、非磁性層102面内に流す電流を交流電流にすることによって、積層面に対して垂直に誘起されるスピン偏極電流22を交流に変換することができる。これによって、強磁性層内の磁化方向14を積層面に垂直に振動させることが可能になり、同期手段により、交流電源周波数をこの磁化振動周期に同期させることによって共鳴を起こし、磁化のコヒーレントな振動を誘起することができると考えられる。すなわち、マイクロ波104を発信させることが可能になる。このような発信装置を基板上に作り込み、同じ基板上あるいは隣接基板上に受信装置を作り込むことによって、性質が異なる2つの部分間での非接触データ伝送が可能になる。
Further, a surface provided with at least a first ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic layer in this order, and provided with a counter electrode for flowing a current in a direction parallel to the laminated surface of the nonmagnetic layer. A magnetic film cell having an inner size smaller than the domain wall width; an AC power supply capable of applying an alternating current to the magnetic film cell via the counter electrode; and a means for synchronizing the frequency of the AC power supply and the magnetization oscillation period The provided microwave transmission device is also one aspect of the present invention.
As shown in FIG. 10, by making the current flowing in the surface of the nonmagnetic layer 102 into an alternating current, the spin-polarized current 22 induced perpendicular to the laminated surface can be converted into an alternating current. As a result, the magnetization direction 14 in the ferromagnetic layer can be vibrated perpendicularly to the laminated surface, and resonance is caused by synchronizing the AC power supply frequency with this magnetization oscillation period by the synchronization means, thereby making the magnetization coherent. It is thought that vibration can be induced. That is, the microwave 104 can be transmitted. By making such a transmitting device on a substrate and making a receiving device on the same substrate or an adjacent substrate, non-contact data transmission between two parts having different properties becomes possible.

本明細書において、マイクロ波発信装置に用いられる磁性膜セルは、いずれかの強磁性層の磁化方向が、一方向に固定されているものである必要はないが、一方向に固定されているものであってもよい。マイクロ波発信装置の磁性膜セルにおける上記第1強磁性層、および第2強磁性層の層厚は、上述した本発明のバッテリーセルにおける強磁性金属層の層厚と同一範囲であってもよいし、スピン注入磁化反転素子に従来要求されている層厚の範囲であってもよい。マイクロ波発信装置における磁性膜セルの面内サイズは、スピン注入磁化反転素子と同程度のオーダーにすることが求められる。より具体的には、セルサイズは、少なくとも200nmφ以下で、4nmφ〜100nmφであることが好ましい。   In the present specification, the magnetic film cell used in the microwave transmission device does not need to have the magnetization direction of any ferromagnetic layer fixed in one direction, but is fixed in one direction. It may be a thing. The thickness of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer in the magnetic film cell of the microwave transmission device may be in the same range as the thickness of the ferromagnetic metal layer in the battery cell of the present invention described above. However, it may be in the range of the layer thickness conventionally required for the spin transfer magnetization switching element. The in-plane size of the magnetic film cell in the microwave transmission device is required to be on the same order as that of the spin injection magnetization reversal element. More specifically, the cell size is preferably at least 200 nmφ and 4 nmφ to 100 nmφ.

交流電源の電流の大きさとしては、1×106Acm-2〜1×107Acm-2が好ましい。交流電源の交流周波数としては、磁化振動周期が強磁性金属の材質に固有の値をもつので、強磁性金属の種類によっても異なるが、通常、1GHz程度である。 The magnitude of the current of the AC power supply is preferably 1 × 10 6 Acm −2 to 1 × 10 7 Acm −2 . The AC frequency of the AC power supply is usually about 1 GHz, although the magnetization oscillation period has a value specific to the material of the ferromagnetic metal, and varies depending on the type of the ferromagnetic metal.

本発明のバッテリーセルにおける第1強磁性金属層と第2強磁性金属層との磁化方向が反平行な状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state in which the magnetization direction of the 1st ferromagnetic metal layer and the 2nd ferromagnetic metal layer in the battery cell of this invention is antiparallel. 本発明のバッテリーセルの特定の方向に外部磁場を印加したときの磁化方向の変化と、それにより生じるスピン偏極電流の向きを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the change of the magnetization direction when an external magnetic field is applied to the specific direction of the battery cell of this invention, and the direction of the spin polarization current which arises by it. スピン偏極電流の平衡状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the equilibrium state of a spin polarization current. 本発明のバッテリーセルの非磁性金属層にスピン偏極電流によりホール電流が生じた状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state in which the hole current was produced by the spin-polarized current in the nonmagnetic metal layer of the battery cell of this invention. ホール電流により、非磁性金属層の境界面に電位差が生じた状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state which the electric potential difference produced in the interface of a nonmagnetic metal layer by Hall current. 境界面間を結線することによる電流の取り出しと、それに伴ってF1層とF2層との磁化方向が反平行になる状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state from which the magnetization direction of F1 layer and F2 layer becomes antiparallel in connection with the extraction of the electric current by connecting between interface surfaces. 非磁性金属層の積層面内に電流を流すことにより、積層面に対して垂直方向にスピン偏極電流が発生し、第1強磁性金属層と第2強磁性金属層との磁化方向が再度ノンコリニアになる、バッテリーへの充電方法の一態様を示す模式図である。By passing a current through the laminated surface of the nonmagnetic metal layer, a spin-polarized current is generated in a direction perpendicular to the laminated surface, and the magnetization directions of the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer are changed again. It is a schematic diagram which shows the one aspect | mode of the charge method to a battery which becomes non-collinear. 従来のスピン注入磁化反転素子の動作原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the principle of operation of the conventional spin injection magnetization reversal element. 本発明のスピン注入磁化反転素子の動作原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the operation | movement principle of the spin injection magnetization reversal element of this invention. 本発明のマイクロ波発生装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the microwave generator of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11、101 第2強磁性(金属)層
12、102 非磁性(金属)層
13、103 第1強磁性(金属)層
14 磁化方向
21 外部磁場
22 スピン偏極電流
23、51 対向端面
31 上向きスピン電子
32 下向きスピン電子
33 平衡スピン偏極電流
41、71 スピン−軌道相互作用による散乱方向
42、72 面内電流(ホール電流)
52 蓄積電荷
61 負荷
81、91、 第2強磁性層(磁化反転層)
82、92、 非磁性層(スペーサー)
83、93、 第1強磁性層(磁化固定層)
73、94 トルク
104 マイクロ波
11, 101 Second ferromagnetic (metal) layer 12, 102 Nonmagnetic (metal) layer 13, 103 First ferromagnetic (metal) layer 14 Magnetization direction 21 External magnetic field 22 Spin polarized current 23, 51 Opposing end face 31 Upward spin Electron 32 Downward spin electron 33 Equilibrium spin polarization current 41, 71 Scattering direction 42, 72 due to spin-orbit interaction In-plane current (Hall current)
52 Accumulated Charge 61 Loads 81 and 91, Second Ferromagnetic Layer (Magnetic Inversion Layer)
82, 92, non-magnetic layer (spacer)
83, 93, first ferromagnetic layer (magnetization pinned layer)
73, 94 Torque 104 Microwave

Claims (5)

少なくとも第1強磁性金属層と、非磁性金属層と、第2強磁性金属層とをこの順に備え、前記非磁性金属層の対向する端面から電流を取り出すための対向電極を備えたバッテリーセルであって、
前記第1強磁性金属層および第2強磁性金属層の各層の厚さが、1nm〜200nmであり、
前記第1強磁性金属層および第2強磁性金属層の磁化方向が、磁場を印加することによりともに変化するバッテリーセル。
A battery cell comprising at least a first ferromagnetic metal layer, a nonmagnetic metal layer, and a second ferromagnetic metal layer in this order, and a counter electrode for taking out current from opposing end faces of the nonmagnetic metal layer. There,
Each of the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer has a thickness of 1 nm to 200 nm,
The battery cell in which the magnetization directions of the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer change together when a magnetic field is applied.
請求項1に記載のバッテリーセルを、絶縁層を介して積層したバッテリー。   The battery which laminated | stacked the battery cell of Claim 1 through the insulating layer. 請求項1に記載のバッテリーセルまたは請求項2に記載のバッテリーと、該バッテリーセルまたはバッテリーの非磁性金属層の積層面に垂直な方向に磁場を印加することができる磁場発生装置とを備えたバッテリーシステム。   A battery cell according to claim 1 or a battery according to claim 2, and a magnetic field generator capable of applying a magnetic field in a direction perpendicular to the laminated surface of the battery cell or the nonmagnetic metal layer of the battery. Battery system. 少なくとも第1強磁性層と、非磁性層と、第2強磁性層とをこの順に備え、前記非磁性層の積層面に平行な方向に電流を流すための対向電極を備えた、面内サイズが磁壁幅より小さい磁性膜セルと、
該磁性膜セルに前記対向電極を介して交流電流を印加することができる交流電源と、
前記交流電源の周波数と磁化振動周期との同期手段とを備えた、マイクロ波発信装置。
In-plane size including at least a first ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic layer in this order, and a counter electrode for flowing a current in a direction parallel to the laminated surface of the nonmagnetic layer A magnetic film cell having a width smaller than the domain wall width;
An alternating current power source capable of applying an alternating current to the magnetic film cell via the counter electrode;
A microwave transmission device comprising a means for synchronizing the frequency of the AC power source and the magnetization vibration period.
少なくとも第1強磁性層と、非磁性層と、第2強磁性層とをこの順に備えた面内サイズが磁壁幅より小さい磁性膜セルと、
該磁性膜セルの積層面に対して垂直方向に電流を流すために第1強磁性層と第2強磁性層とに設けられた第1対向電極と
を備えたスピン注入磁化反転素子において、前記第1強磁性層および第2強磁性層の磁化方向を平行または反平行に相互に切り換えるための方法であって、
前記第1対向電極と、前記非磁性層の積層面に平行な方向に電流を流すために設けた第2対向電極とのそれぞれに、極性可変の電源を接続するステップと、
該電源を用いて、前記磁性膜セルに第1対向電極と第2対向電極とを介して、直流電流を流すステップとを含む方法。
A magnetic film cell having at least a first ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic layer in this order and having an in-plane size smaller than the domain wall width;
In the spin-injection magnetization reversal element comprising a first counter electrode provided in a first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer for flowing a current in a direction perpendicular to the laminated surface of the magnetic film cell, A method for switching the magnetization directions of a first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer to each other in parallel or antiparallel,
Connecting a variable-polarity power source to each of the first counter electrode and a second counter electrode provided for flowing a current in a direction parallel to the lamination surface of the nonmagnetic layer;
Applying a direct current to the magnetic film cell through the first counter electrode and the second counter electrode using the power source.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009049351A (en) * 2007-08-21 2009-03-05 Northern Lights Semiconductor Corp Apparatus for storing electrical energy
EP2109123A1 (en) * 2008-04-11 2009-10-14 Northern Lights Semiconductor Corp. Apparatus for storing electrical energy
JP2010062531A (en) * 2008-08-06 2010-03-18 Hitachi Ltd Local magnetic field generating device, magnetic field sensor, and magnetic head
EP2216813A3 (en) * 2009-02-05 2010-09-08 Northern Lights Semiconductor Corp. Integrated circuit package comprising a magnetic capacitor
JP2021518648A (en) * 2018-03-16 2021-08-02 ポリモーフ・クオンタム・エナジー・エスアーエールエル Non-chemical batteries using two-phase working materials

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009049351A (en) * 2007-08-21 2009-03-05 Northern Lights Semiconductor Corp Apparatus for storing electrical energy
EP2109123A1 (en) * 2008-04-11 2009-10-14 Northern Lights Semiconductor Corp. Apparatus for storing electrical energy
JP2010062531A (en) * 2008-08-06 2010-03-18 Hitachi Ltd Local magnetic field generating device, magnetic field sensor, and magnetic head
EP2216813A3 (en) * 2009-02-05 2010-09-08 Northern Lights Semiconductor Corp. Integrated circuit package comprising a magnetic capacitor
JP2021518648A (en) * 2018-03-16 2021-08-02 ポリモーフ・クオンタム・エナジー・エスアーエールエル Non-chemical batteries using two-phase working materials
JP7264984B2 (en) 2018-03-16 2023-04-25 ポリモーフ・クオンタム・エナジー・エスアーエールエル Non-Chemical Batteries Using Two-Phase Working Materials

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