JP2008156703A - ホイスラー合金とそれを用いたtmr素子又はgmr素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Co2FeSiよりなるホイスラー合金であって、Co2CrXFe1−XSi合金(0<x£0.25)を満たすようにCrを添加したホイスラー合金。第4元素としてCrを添加することにより、L21規則度が比較的低い状態であっても高いスピン分極率を示すCo基ホイスラー合金を見いだしたことによる。
【選択図】図4
Description
トンネル磁気抵抗(TMR)、巨大磁気抵抗(GMR)素子、スピンフィルターなどのスピントロニクス素子はいずれも実用化のためには室温動作する必要があり、そのためにキュリー温度が室温よりも高い高分極率材料が必要である。
スピントロニクス素子において高い特性を得るためには、ホイスラー合金層との結晶の連続性を保つことによりミスフィットが原因となる規則度の低下を避けることが出来るためホイスラー合金層との結晶の連続性を保つために、非磁性中間層としてはCrなどの体心立方構造を有する材料が望ましい。あるいは同様の理由から、L21型もしくはX2MnM(X=Cu,Pt、M=Ge,Al,Si)型の結晶構造を有する非強磁性の合金とするものである(特許文献1)。
L21規則構造を持つCo基ホイスラー合金の多くはバンド計算により分極率が1であるハーフメタルと予測されている。中でもCo2FeSiは高いキュリー点と大きなスピン分極率を有するものとして最も注目されているが、Co2FeSiを用いたTMR比は期待されるほど大きくない (非特許文献1)。その理由として、低いL21規則度、格子欠陥などが挙げられる。
また、スパッタ法などで作製した薄膜や薄膜を多層化して作製されたデバイスでは高い規則度を実現することができないために理論で予測されているような高いスピン分極率が実現されていない。
特許文献1に示された技術では、Crの下地層を用いてホイスラー合金とのミスフィットをなくすことによりホイスラー合金の規則度を増加させることにより本来のスピン分極率を実現しようとするものであるが、完全なL21規則構造なしに合金のスピン分極率を上げることは解決されない。
非特許文献2では、Co2MnSiにCrを添加することによるDOSの変化を説明しているが、スピン偏極率の増加は期待できない。
(化1)
Co2CrxFe1−xSi合金(0<x£0.25)
(化2)
Co2CrxFe1−xAlySi1−y (0<x£0.25, 0<y£1)
発明4のTMR素子又はGMR素子は、強磁性電極として前記発明3のホイスラー合金を用いたことを特徴とする。
本発明は、フェルミ面を少数スピンのバンドギャップの中央に変化させ、比較的低いL21規則状態であっても高い分極率が得られる方法としてCo2FeSiのFeをCrで置換した合金を作製し、高い分極率が得られることを確認した。
さらにX線回折ならびにメスバウアー分光法による解析結果から、Cr添加によりL21構造が安定化されることを確認した。
さらに、Co2FeSi合金は比較的酸化されやすいために、酸化物層を挟むTMRデバイスではホイスラー合金層の酸化が懸念されていた。
FeをCrで合金化することにより、一般に耐酸化性、耐腐食性が向上することはしられているので、上記規則状態が低い状態でも高い分極率がえられるだけでなく、トンネルバリアー製造プロセスにおいてホイスラー合金層の酸化を防ぐ効果もある。
または、発明4のTMR素子又はGMR素子は、強磁性電極(今回の場合はCo2CrFeSi)のスピン分極率に依存するGMR比及びGMR比は、そのスピン分極率が向上するので、TMR比、GMR比も増加することができた。
溶体化処理は723Kで7日間行った。構造解析はX線回折法(XRD)ならびにメスバウアー分光法、磁気測定は量子干渉磁束計(SQUID)、スピン分極率測定は点接触アンドレーエフ反射(PCAR)法で行った。
バンド計算はGGA+U近似を用いたDFT法により行った。Co基ホイスラー合金はL21の規則構造を有するが、温度の上昇とともにB2構造およびA2構造と、規則度が低下した構造に変化する。X線回折パターンの(111)及び(200)の積分強度比からL21規則度を、(200)及び(220)の積分強度比からB2規則度を求めている。
PCAR法で測定したコンダクタンス曲線は拡張BTKモデルによりフィッティングを行い、スピン分極率を求めている。
以上のことから、Cr添加によるスピン分極率Pの増加はL21規則度の増加及びフェルミ準位の変化によるものであることがわかる。また、Co2CrxFe1−xSi合金(0<x£0.25)を強磁性電極として使うことにより高いTMR比及びGMR比が得られることが期待される。
このように、形体をバルクから薄膜に変化させても物質構成としては何ら変化はない。スピン分極率は物質固有の物性値であることから、前記実施例1、2とスピン分極率は同じ値を示すものであることを確認した。
非特許文献3、4によるとTMR比及びGMR比は、強磁性電極のスピン分極率に依存することが理論的に示されている。前記実施例3によると前記実施例1、2にて得られた合金は薄膜の形体でも高いスピン分極率を示すことから、前記実施例1、2にて得られた合金を電極に用いれば高いTMR比及びGMR比を示すことを確認した。
Claims (4)
- Co2FeSiよりなるホイスラー合金であって、下記式(1)を満たすようにCrを添加したことを特徴とするホイスラー合金
Co2CrxFe1−xSi合金(0<x£0.25) (1) - 請求項1に記載のホイスラー合金において、下記式(2)を満たすようにAlをさらに添加したことを特徴とするホイスラー合金
Co2CrxFe1−xAlySi1−y (0<x£0.25, 0<y£1) (2) - 請求項1又は2に記載のホイスラー合金において、薄膜状にしてあることを特徴とするホイスラー合金
- 強磁性電極を有するTMR素子又はGMR素子であって、前記強磁性電極として前記請求項3に記載のホイスラー合金を用いたことを特徴とするTMR素子又はGMR素子
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