JP2008192712A - Tunnel magnetic resistance element - Google Patents

Tunnel magnetic resistance element Download PDF

Info

Publication number
JP2008192712A
JP2008192712A JP2007023585A JP2007023585A JP2008192712A JP 2008192712 A JP2008192712 A JP 2008192712A JP 2007023585 A JP2007023585 A JP 2007023585A JP 2007023585 A JP2007023585 A JP 2007023585A JP 2008192712 A JP2008192712 A JP 2008192712A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
ferromagnetic metal
metal nanoparticles
magnetoresistive element
nanoparticles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007023585A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yutaka Majima
豊 真島
Toshiji Teranishi
利治 寺西
Hirosuke Yasutake
裕輔 安武
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Japan Science and Technology Agency
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Science and Technology Agency filed Critical Japan Science and Technology Agency
Priority to JP2007023585A priority Critical patent/JP2008192712A/en
Publication of JP2008192712A publication Critical patent/JP2008192712A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/7613Single electron transistors; Coulomb blockade devices

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tunnel junction magnetic resistance element that has a novel structure wherein tunnel junction is formed without lamination structure. <P>SOLUTION: The tunnel magnetic resistance element includes a first electrode 12 made of ferromagnetic material, a second electrode 13 made of ferromagnetic material and nanoparticles 14 arranged between the first and second electrodes 12 and 13, and the nanoparticles 14 have insulative and protective groups 14b on the outer periphery of ferromagnetic metal nanoparticles 14a. First tunnel junction 15a is formed between the ferromagnetic metal nanoparticles 14a and the first electrode 12, and second tunnel junction 15b is formed between the ferromagnetic metal nanoparticles 14a and the second electrode 13. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、磁気センサやMRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)などに用いられるトンネル磁気抵抗素子に係り、特に積層構造を用いることなくトンネル接合を形成したトンネル磁気抵抗素子に関する。   The present invention relates to a tunnel magnetoresistive element used in a magnetic sensor, an MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), and the like, and more particularly to a tunnel magnetoresistive element in which a tunnel junction is formed without using a laminated structure.

トンネル磁気抵抗素子は一般に磁気固定層(ピン層)/絶縁層/磁気自由層(フリー層)の3層を含み、この絶縁層が厚さ2nm前後以下と非常に薄いために電子の一部がトンネルして絶縁層を通過する。トンネル磁気抵抗素子における磁気固定層の磁化方向は、トンネル磁気抵抗素子を流れる電流の向きに直交した方向に固定されているのに対し、磁気自由層の磁化方向は、検出しようとする外部磁場の方向に応じて、磁気固定層の磁化方向と同じ方向か逆方向の何れかの方向となる。磁気自由層の磁化方向が磁気固定層の磁化方向と同じ方向である場合には、大きなトンネル電流が流れるためトンネル磁気抵抗素子の抵抗値は小さくなる。逆に、磁気自由層の磁化方向が磁気固定層の磁化方向と逆方向である場合には小さなトンネル電流しか流れないためトンネル磁気抵抗素子の抵抗値は大きくなる。よって、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値の大小によって、外部磁界をセンシングすることができる(特許文献1及び2、非特許文献1〜3)。   A tunnel magnetoresistive element generally includes three layers of a magnetic pinned layer (pinned layer) / insulating layer / magnetic free layer (free layer). Since this insulating layer is very thin with a thickness of about 2 nm or less, a part of electrons is present. Tunnel through the insulating layer. The magnetization direction of the magnetic pinned layer in the tunnel magnetoresistive element is fixed in a direction perpendicular to the direction of the current flowing through the tunnel magnetoresistive element, whereas the magnetization direction of the magnetic free layer is determined by the external magnetic field to be detected. Depending on the direction, the direction is the same as or opposite to the magnetization direction of the magnetic pinned layer. When the magnetization direction of the magnetic free layer is the same as the magnetization direction of the magnetic pinned layer, a large tunnel current flows, so that the resistance value of the tunnel magnetoresistive element becomes small. On the other hand, when the magnetization direction of the magnetic free layer is opposite to the magnetization direction of the magnetic pinned layer, only a small tunnel current flows, so that the resistance value of the tunnel magnetoresistive element increases. Therefore, an external magnetic field can be sensed by the magnitude of the resistance value of the tunnel magnetoresistive element (Patent Documents 1 and 2, Non-Patent Documents 1 to 3).

ガリウム・マンガン・ヒ素薄膜からなる単一電子トランジスタ構造を採用したクーロンブロッケード異方性磁気抵抗効果素子では、トンネル磁気抵抗が100倍を超えて変化することが報告されている(非特許文献4)。   In a Coulomb blockade anisotropic magnetoresistive element employing a single electron transistor structure made of a gallium / manganese / arsenic thin film, it has been reported that the tunnel magnetoresistance changes more than 100 times (Non-Patent Document 4). .

一方、本発明者らは、コア粒径及び有機配位子材料を設計した金属ナノ粒子を合成してSPMプローブの電極としてエレクトロンシャトルを作製し、単一金属ナノ粒子における有機配位子のトンネル抵抗を見積もり、単一金属ナノ粒子上の単一電子測定などに成功している。また、粒径10nm以下のシングルナノメートルの金属ナノ粒子は、サイズ特異的な電子物性や磁気物性を示すことから、次世代のナノ電子素子やナノ磁気素子の構成単位として大きな注目を集めている。   On the other hand, the present inventors synthesized an electron shuttle as an electrode of an SPM probe by synthesizing a metal nanoparticle designed with a core particle size and an organic ligand material, and tunneled an organic ligand in a single metal nanoparticle. We have succeeded in estimating the resistance and measuring single electrons on single metal nanoparticles. In addition, single nanometer metal nanoparticles having a particle size of 10 nm or less are attracting great attention as structural units of next-generation nanoelectronic devices and nanomagnetic devices because they exhibit size-specific electronic and magnetic properties. .

ところで、ナノギャップ電極を作製する方法として、例えばメカニカルブレイクジャンクション法(非特許文献5)やエレクトロマイグレーション法(非特許文献6)、エアブリッジマスクを用いた斜め蒸着法(非特許文献7及び8)、電子線露光法(Electron Beam Lithography、EBL法)による直接描画法(非特許文献9)、めっき法(非特許文献10及び11)などの各種方法が提案されている。そのうちEBLや光リソグラフィーで数十nmのギャップを形成し、このギャップ間をめっきで狭めることにより、3.3nm±1.4nmや5nm以下のギャップ幅を再現性よく、かつ90%の歩留まりでナノギャップ電極を作製することが報告されている(非特許文献12)。   By the way, as a method of producing a nanogap electrode, for example, mechanical break junction method (Non-patent document 5), electromigration method (Non-patent document 6), oblique deposition method using an air bridge mask (Non-patent documents 7 and 8). Various methods such as a direct drawing method (Non-Patent Document 9) by an electron beam exposure method (Electron Beam Lithography, EBL method) and a plating method (Non-Patent Documents 10 and 11) have been proposed. Among them, gaps of several tens of nm are formed by EBL or photolithography, and gaps between these gaps are narrowed by plating, so that gap widths of 3.3 nm ± 1.4 nm and 5 nm or less can be reproducibly and with a 90% yield. It has been reported that a gap electrode is produced (Non-patent Document 12).

特開2006−147605号公報JP 2006-147605 A 特開2003−086863号公報JP 2003-086863 A Nano Letters 6,p.123,2006Nano Letters 6, p.123, 2006 Phys. Rev. Lett. 93,p.136601, 2004Phys. Rev. Lett. 93, p.136601, 2004 Science 306,p.86, 2004Science 306, p.86, 2004 J. Wunderlich,他12名,“Coulomb Blockade Anisotropic Magnetoresistance Effect in a (Ga,Mn) As Single-Electron Transistor”,Phys. Rev. Lett. 97,p.077201,2006J. Wunderlich and 12 others, “Coulomb Blockade Anisotropic Magnetoresistance Effect in a (Ga, Mn) As Single-Electron Transistor”, Phys. Rev. Lett. 97, p.077201, 2006 M.A.Reed,他4名, "Conductance of a Molecular Junction", Science, 278, p.252, 1997M.A.Reed and 4 others, "Conductance of a Molecular Junction", Science, 278, p.252, 1997 H.Park,他5名, "Nanomechanical Oscillations in a single-C60 Transistor", Nature, 407, p57, 2000H. Park, 5 others, "Nanomechanical Oscillations in a single-C60 Transistor", Nature, 407, p57, 2000 Kazuki Sasao,他5名, "Observation of Current Modulation thorough Self-Assembled Monolayer Molecule in Transistor Structure", Jpn. J. Appl. Phys.,43, pp.L337-L339,2004Kazuki Sasao and five others, "Observation of Current Modulation thorough Self-Assembled Monolayer Molecule in Transistor Structure", Jpn. J. Appl. Phys., 43, pp. L337-L339, 2004 J.O.Lee 他8名, "Absence of Strong Gate Effects in Electrial Measurements on Pheneylene-Based Conjugated Molecules", Nano Lett. 3, pp.113-117, 2003J.O.Lee and 8 others, "Absence of Strong Gate Effects in Electrial Measurements on Pheneylene-Based Conjugated Molecules", Nano Lett. 3, pp.113-117, 2003 M.S.M.Saifullah 他3名, "A reliable scheme for fabricating sub-5nm co-planar junctions for single-molecule electronics", Nanotechnology, 13, pp.659-662, 2002M.S.M.Saifullah and three others, "A reliable scheme for reducing sub-5nm co-planar junctions for single-molecule electronics", Nanotechnology, 13, pp.659-662, 2002 Y.V.Kervannic 他4名, "Nanometer-spaced electrodes with calibrated separation", Appl.phys.Lett., 80, pp.321, 2002Y.V.Kervannic and 4 others, "Nanometer-spaced electrodes with calibrated separation", Appl.phys.Lett., 80, pp.321, 2002 B.Liu 他7名, "Controllable nanogap fabrication on microchip by chronopotentionmetry", Electrochimica Acta, 50, pp.3041-3047, 2005B.Liu and 7 others, "Controllable nanogap fabrication on microchip by chronopotentionmetry", Electrochimica Acta, 50, pp.3041-3047, 2005 C.S.Ah 他5名, "Fabrication of integrated nanogap electrodes by surface-catalyzed chemical deposition", Appl.Phys.Lett., 88, pp.133116, 2006C.S.Ah and 5 others, "Fabrication of integrated nanogap electrodes by surface-catalyzed chemical deposition", Appl.Phys.Lett., 88, pp.133116, 2006

しかしながら、一般的な磁気抵抗素子では磁気固定層/絶縁層/磁気自由層の積層構造を有し、その絶縁層の絶縁性能を安定して得ることが困難であり、動作安定に悪影響を及ぼす。クーロンブロッケード異方性磁気抵抗素子では、ガリウム・マンガン・ヒ素薄膜の二次元電子ガス構造を有する積層構造を有する。   However, a general magnetoresistive element has a laminated structure of a magnetic fixed layer / insulating layer / magnetic free layer, and it is difficult to stably obtain the insulating performance of the insulating layer, which adversely affects the operation stability. The Coulomb blockade anisotropic magnetoresistive element has a laminated structure having a two-dimensional electron gas structure of a gallium / manganese / arsenic thin film.

そこで、本発明は、積層構造を有さないでトンネル接合を形成した新規な構造のトンネル接合磁気抵抗素子を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a tunnel junction magnetoresistive element having a novel structure in which a tunnel junction is formed without having a laminated structure.

上記目的を達成するために、本発明のトンネル磁気抵抗素子は、強磁性体からなる第1の電極と、第2の電極と、第1の電極及び第2の電極間に配置されるナノ粒子とを備え、ナノ粒子は強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁性を有する保護基を有してなり、強磁性金属ナノ粒子と第1の電極との間にトンネル接合が形成されることを特徴とする。
本発明のトンネル磁気抵抗素子は、強磁性体からなる第1の電極と、強磁性体からなる第2の電極と、第1の電極及び第2の電極の間に配置されるナノ粒子と、を備え、ナノ粒子は強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁性を有する保護基を有してなり、強磁性金属ナノ粒子と第1の電極との間に第1のトンネル接合が形成され、強磁性金属ナノ粒子と第2の電極との間に第2のトンネル接合が形成されることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a tunnel magnetoresistive element of the present invention includes a first electrode made of a ferromagnetic material, a second electrode, and nanoparticles disposed between the first electrode and the second electrode. The nanoparticle has a protective group having an insulating property on the outer periphery of the ferromagnetic metal nanoparticle, and a tunnel junction is formed between the ferromagnetic metal nanoparticle and the first electrode. And
The tunnel magnetoresistive element of the present invention includes a first electrode made of a ferromagnetic material, a second electrode made of a ferromagnetic material, nanoparticles arranged between the first electrode and the second electrode, The nanoparticle has a protective group having insulating properties on the outer periphery of the ferromagnetic metal nanoparticle, and a first tunnel junction is formed between the ferromagnetic metal nanoparticle and the first electrode. A second tunnel junction is formed between the magnetic metal nanoparticles and the second electrode.

上記構成によれば、強磁性金属ナノ粒子と電極との間にトンネル接合が形成されるので、積層構造を採用する必要がなく、安定して動作させることができる。また、従来の一般的なトンネル磁気抵抗素子と比べ歩留まり良く作製することができる。   According to the above configuration, since a tunnel junction is formed between the ferromagnetic metal nanoparticles and the electrode, it is not necessary to employ a laminated structure, and it is possible to operate stably. Further, it can be manufactured with a higher yield than conventional general tunneling magnetoresistive elements.

上記構成において、強磁性金属ナノ粒子は、トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が小さく、強磁性金属ナノ粒子のスピンの向きが外部磁場により制御され、第1の電極と第2の電極との間に流れる電流の大小でスイッチング機能を有する ようにしてもよい。特に、強磁性金属ナノ粒子をクーロン島とし、クーロンブロッケード現象により高い磁気抵抗比を有するスイッチング機能を備える。
強磁性金属ナノ粒子は、トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が小さく、外部磁場で前記強磁性金属ナノ粒子のスピンの向きが変化することで、第1の電極と第2の電極との間に流れる電流の大小に基づいて磁場を検出することが好ましい。
強磁性金属ナノ粒子は、トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が大きく、外部磁場で第1の電極又は第2の電極のスピンの向きが変化することで、第1の電極と第2の電極との間に流れる電流の大小に基づいて磁場を検出するようにしてもよい。
さらに、第1の電極と第2の電極との配置方向に対し交わる方向に、ゲート電極を備えることが好ましい。
In the above configuration, the ferromagnetic metal nanoparticle has a smaller coercive force with respect to the external magnetic field than the electrode connected by the tunnel junction, the spin direction of the ferromagnetic metal nanoparticle is controlled by the external magnetic field, and the first electrode and the first electrode A switching function may be provided depending on the magnitude of the current flowing between the two electrodes. In particular, a ferromagnetic metal nanoparticle is used as a Coulomb island and has a switching function having a high magnetoresistance ratio due to the Coulomb blockade phenomenon.
The ferromagnetic metal nanoparticles have a smaller coercive force with respect to the external magnetic field than the electrodes connected by the tunnel junction, and the spin direction of the ferromagnetic metal nanoparticles changes with the external magnetic field, so that the first electrode and the second electrode It is preferable to detect the magnetic field based on the magnitude of the current flowing between the electrodes.
The ferromagnetic metal nanoparticles have a larger coercive force with respect to an external magnetic field than an electrode connected by a tunnel junction, and the spin direction of the first electrode or the second electrode is changed by the external magnetic field. The magnetic field may be detected based on the magnitude of the current flowing between the first electrode and the second electrode.
Furthermore, it is preferable to provide a gate electrode in a direction intersecting with the arrangement direction of the first electrode and the second electrode.

上記構成によれば、一重トンネル接合磁気抵抗素子や二重トンネル接合磁気抵抗素子で、スイッチング素子や磁気センサなどを実現することができる。また、ゲート電極を有する構成では二重トンネル接合抵抗素子を含んだ単一電子トランジスタ構造を採用することになるので、クーロンブロッケード異方性磁気抵抗素子を実現でき、磁気抵抗効果の大きさと信号変化の正負とをゲート電極で制御することもできる。   According to the above configuration, a switching element, a magnetic sensor, or the like can be realized with a single tunnel junction magnetoresistive element or a double tunnel junction magnetoresistive element. In addition, since the structure having a gate electrode adopts a single electron transistor structure including a double tunnel junction resistance element, a Coulomb blockade anisotropic magnetoresistive element can be realized, the magnitude of magnetoresistive effect and signal change The positive / negative of can also be controlled by the gate electrode.

本発明によれば、少なくとも一方が強磁性体でなる一対の電極間にナノ粒子を配置し、ナノ粒子が強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁層を保護基として有してなるので、電極と強磁性金属ナノ粒子との間にトンネル接合が形成される。従って、従来のような磁気固定層/絶縁層/磁気自由層の積層構造を有さないため、安定して動作することができる。一重トンネル接合磁気抵抗素子や二重トンネル磁気抵抗素子で、スイッチング素子や磁場検出素子を実現することができる。   According to the present invention, nanoparticles are arranged between a pair of electrodes, at least one of which is made of a ferromagnetic material, and the nanoparticles have an insulating layer as a protective group on the outer periphery of the ferromagnetic metal nanoparticles. A tunnel junction is formed between the ferromagnetic metal nanoparticles. Therefore, since there is no conventional magnetic pinned layer / insulating layer / magnetic free layer laminated structure, it can operate stably. A switching element or a magnetic field detection element can be realized by a single tunnel junction magnetoresistive element or a double tunnel magnetoresistive element.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図1は、本発明のトンネル磁気抵抗素子10の構造を模式的に示す図である。本発明のトンネル磁気抵抗素子10は、図1に示すように、基板11上に所定の隙間を有するよう対向配置される第1の電極12及び第2の電極13と、第1の電極12と第2の電極13との隙間に配置されるナノ粒子14とを備えて構成される。基板11は、例えば導体基板又は半導体基板11b上に絶縁層11aが形成されてなる。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same or corresponding members are denoted by the same reference numerals.
FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of a tunnel magnetoresistive element 10 of the present invention. As shown in FIG. 1, the tunnel magnetoresistive element 10 of the present invention includes a first electrode 12 and a second electrode 13 which are arranged to face each other with a predetermined gap on a substrate 11, It is configured to include nanoparticles 14 arranged in a gap with the second electrode 13. The substrate 11 is formed, for example, by forming an insulating layer 11a on a conductor substrate or a semiconductor substrate 11b.

図2は、図1に示すトンネル抵抗磁気抵抗素子10におけるナノ粒子14を示す図である。図3は、図2の具体的な例として、保護基を有するL10-FePtナノ粒子を模式的に示す図である。図3において白抜きの球はPtを表し、斜線付きの球はFeを表している。ナノ粒子14は、図2及び図3に示すように、強磁性体でなる金属ナノ粒子14aの外周に絶縁性を有する保護基14bを設けてなる。ここで、強磁性体でなる金属ナノ粒子、即ち強磁性金属ナノ粒子14aは、Fe,Co,γ-Fe23などの軟磁性体や、FePt,CoPt,FePd,MnAlなどの硬磁性体でなる単分散ナノ粒子である。単分散ナノ粒子とは、粒径分布における標準偏差が10%以下のナノ粒子である。強磁性金属ナノ粒子14aは、所定の粒径、形状、組成、結晶構造、収量(g/バッチ)を有する。例えば所定の粒径としては3〜10nmであり、所定の形状としてはcubo−八面体、立方体である。 FIG. 2 is a diagram showing the nanoparticles 14 in the tunnel resistance magnetoresistive element 10 shown in FIG. FIG. 3 is a diagram schematically showing L1 0 -FePt nanoparticles having a protecting group as a specific example of FIG. In FIG. 3, the white sphere represents Pt, and the hatched sphere represents Fe. As shown in FIGS. 2 and 3, the nanoparticle 14 is provided with a protective group 14 b having an insulating property on the outer periphery of a metal nanoparticle 14 a made of a ferromagnetic material. Here, the metal nanoparticles made of a ferromagnetic material, that is, the ferromagnetic metal nanoparticles 14a are soft magnetic materials such as Fe, Co, γ-Fe 2 O 3, and hard magnetic materials such as FePt, CoPt, FePd, and MnAl. These are monodisperse nanoparticles. Monodisperse nanoparticles are nanoparticles with a standard deviation in particle size distribution of 10% or less. The ferromagnetic metal nanoparticles 14a have a predetermined particle size, shape, composition, crystal structure, and yield (g / batch). For example, the predetermined particle size is 3 to 10 nm, and the predetermined shape is a cubo-octahedron or a cube.

強磁性金属ナノ粒子14aは、所定の粒径、金属組成及び焼成温度の何れか一つ以上を制御することで、所定の保磁力を有するようにする。例えば、粒径3.1nmのFePtから形成されるナノ粒子を600℃で焼成処理した場合の保磁力はFe49Pt51で約2.8kOe、Fe55Pt45で約6.4kOe、Fe64Pt36で約4kOeとなり、鉄の組成比が増す毎に保磁力も増加する。さらに、焼成温度が高くなると、fcc(面心立方)からfct(面心直方)構造への規則度が増加するので、保磁力も増加する。
単磁区構造を有するナノ粒子では、粒径20nm程度までは粒径の増大に従い熱擾乱による磁化反転が抑制されるので、保磁力も増大する。
The ferromagnetic metal nanoparticles 14a have a predetermined coercive force by controlling any one or more of a predetermined particle size, a metal composition, and a firing temperature. For example, the coercivity when nanoparticles formed from FePt having a particle size of 3.1 nm are fired at 600 ° C. is about 2.8 kOe for Fe 49 Pt 51 , about 6.4 kOe for Fe 55 Pt 45 , Fe 64 Pt. It becomes about 4 kOe at 36 , and the coercive force increases as the composition ratio of iron increases. Furthermore, since the degree of ordering from the fcc (face-centered cubic) to the fct (face-centered cubic) structure increases as the firing temperature increases, the coercive force also increases.
In a nanoparticle having a single magnetic domain structure, the magnetization reversal due to thermal disturbance is suppressed as the particle size increases up to a particle size of about 20 nm, so that the coercive force also increases.

一方、保護基14bは、有機酸、有機アミンなどの有機物である。有機酸としては、化学式(1)で示されるオレイン酸の他、ステアリン酸、パルチミン酸、ミリスチン酸、ラウリン酸、カプリン酸などの脂肪酸、有機アミンとして化学式(2)で示されるオレイルアミンの他、ステアリルアミン、ミリスチルアミン、ラウリルアミン、カプリルアミン、アダマンチルアミンなどの脂肪族アミンが好ましい。
有機酸と有機アミンとはほぼ等モル、即ち4/6〜6/4のモル比で、特に好ましくは5/5のモル比で、強磁性金属ナノ粒子14aの回りに保護基14bとして付着している。
On the other hand, the protecting group 14b is an organic substance such as an organic acid or an organic amine. Examples of organic acids include oleic acid represented by chemical formula (1), fatty acids such as stearic acid, palmitic acid, myristic acid, lauric acid and capric acid, oleylamine represented by chemical formula (2) as organic amine, and stearyl. Aliphatic amines such as amine, myristylamine, laurylamine, caprylamine and adamantylamine are preferred.
The organic acid and the organic amine are attached as protective groups 14b around the ferromagnetic metal nanoparticles 14a in an approximately equimolar ratio, that is, in a molar ratio of 4/6 to 6/4, particularly preferably in a molar ratio of 5/5. ing.

第1の電極12及び第2の電極13は、Ni、Fe、Co、NiFe(パーマロイ)、CoPtCr、BaFeO、MnAl、FePd、CoPt、FeNdB、FePt、SmCoなど強磁性体でなる。よって、強磁性金属ナノ粒子14aと第1の電極12との間には第1のトンネル接合15aが形成され、強磁性金属ナノ粒子14aと第2の電極13との間には第2のトンネル接合15bが形成され、第1の電極12と強磁性金属ナノ粒子14aとは第1のトンネル接合15aで接続され、第2の電極13と強磁性金属ナノ粒子14aとは第2のトンネル接合15bで接続されている。   The first electrode 12 and the second electrode 13 are made of a ferromagnetic material such as Ni, Fe, Co, NiFe (permalloy), CoPtCr, BaFeO, MnAl, FePd, CoPt, FeNdB, FePt, and SmCo. Therefore, the first tunnel junction 15a is formed between the ferromagnetic metal nanoparticles 14a and the first electrode 12, and the second tunnel is formed between the ferromagnetic metal nanoparticles 14a and the second electrode 13. A junction 15b is formed, the first electrode 12 and the ferromagnetic metal nanoparticles 14a are connected by a first tunnel junction 15a, and the second electrode 13 and the ferromagnetic metal nanoparticles 14a are connected by a second tunnel junction 15b. Connected with.

ここで、第1の電極12及び第2の電極13を異なる電極材料で構成したり、電極幅や電極長など電極形状の構造を対称構造、非対称構造にすることで、電極12、電極13それぞれの保磁力を変化させることができる。即ち、電極構造が対称の場合、一定外部磁場中では第1の電極12、第2の電極13の磁気モーメントは平行(parllel)となるが、非対称な電極構造では、一定外部磁場中では、第1電極12、第2の電極13の磁気モーメントを逆平行(antiparallel)状態にすることができる。   Here, the first electrode 12 and the second electrode 13 are made of different electrode materials, and the electrode-shaped structure such as the electrode width and the electrode length is made symmetric structure or asymmetric structure. The coercive force of can be changed. That is, when the electrode structure is symmetric, the magnetic moments of the first electrode 12 and the second electrode 13 are parallel in a constant external magnetic field, but in the constant external magnetic field, the first and second electrodes 12 and 13 have a parallel magnetic moment. The magnetic moments of the first electrode 12 and the second electrode 13 can be brought into an antiparallel state.

以上のように、図1に示すトンネル接合磁気抵抗素子10は、表面が絶縁性の基板11上に第1及び第2の電極12,13がギャップを有するよう配置され、保護基14bを強磁性金属ナノ粒子14aの外周に設けてなるナノ粒子14が配置される構造であることから、積層構造を有しないで、第1及び第2のトンネル接合15a,15bで二重トンネル接合を有している。よって、従来のように、トンネル接合を形成するために磁気固定層/絶縁層/磁気自由層の積層構造を有しない。   As described above, the tunnel junction magnetoresistive element 10 shown in FIG. 1 is arranged such that the first and second electrodes 12 and 13 have a gap on the substrate 11 having an insulating surface, and the protective group 14b is made ferromagnetic. Since the nanoparticle 14 provided on the outer periphery of the metal nanoparticle 14a is arranged, the first and second tunnel junctions 15a and 15b have a double tunnel junction without having a laminated structure. Yes. Therefore, unlike the conventional case, there is no laminated structure of magnetic fixed layer / insulating layer / magnetic free layer in order to form a tunnel junction.

ここで、第1の電極12と第2の電極13との隙間、即ちギャップは、1〜10nmのナノオーダー、特に3〜5nmであることが好ましい。これは、不要なトンネル過程によるリーク電流を少なくするためである。トンネル電流はトンネル距離に対して指数関数的に減少し、真空や大気中では0.1 nmで1桁電流が変化する。よって、ギャップが1nm以下となると、強磁性金属ナノ粒子14aを介在せずに第1の電極12と第2の電極13の間をトンネルすることで、不要なトンネル過程によるリーク電流が流れてしまうため、好ましくない。
特に、クーロンブロッケード異方性磁気抵抗素子とする場合には、強磁性金属ナノ粒子14aと第1の電極12及び第2の電極13との間の静電容量が小さいほうが温度特性に優れるため、強磁性金属ナノ粒子の粒径が小さい方が好ましく、その結果としてギャップ間は狭い方が好ましい。
Here, the gap between the first electrode 12 and the second electrode 13, that is, the gap is preferably nano-order of 1 to 10 nm, particularly 3 to 5 nm. This is to reduce leakage current due to unnecessary tunneling processes. The tunnel current decreases exponentially with respect to the tunnel distance, and the current changes by one digit at 0.1 nm in a vacuum or the atmosphere. Therefore, when the gap is 1 nm or less, tunneling between the first electrode 12 and the second electrode 13 without interposing the ferromagnetic metal nanoparticles 14a causes a leakage current due to an unnecessary tunneling process to flow. Therefore, it is not preferable.
In particular, in the case of a Coulomb blockade anisotropic magnetoresistive element, the smaller the capacitance between the ferromagnetic metal nanoparticles 14a and the first electrode 12 and the second electrode 13, the better the temperature characteristics. It is preferable that the particle size of the ferromagnetic metal nanoparticles is small, and as a result, it is preferable that the gap is narrow.

図4は、図1に示すトンネル接合磁気抵抗素子10を動作させるための回路構成を模式的に示す図である。図4に示すように、トンネル接合磁気抵抗素子10における第1の電極12側に可変直流電源21を接続し、第2の電極13側に、トンネル接合磁気抵抗素子10に流れる電流を測定するための電流計22を接続する。これで、トンネル接合磁気抵抗素子10に流れる電流を電流計22で計測し、電流の変化を検出することができる。   FIG. 4 is a diagram schematically showing a circuit configuration for operating the tunnel junction magnetoresistive element 10 shown in FIG. As shown in FIG. 4, a variable DC power source 21 is connected to the first electrode 12 side of the tunnel junction magnetoresistive element 10 and a current flowing through the tunnel junction magnetoresistive element 10 is measured on the second electrode 13 side. The ammeter 22 is connected. Thus, the current flowing through the tunnel junction magnetoresistive element 10 can be measured by the ammeter 22 and a change in the current can be detected.

次に、図1に示すトンネル接合磁気抵抗素子10の好ましい形態として、第1の電極12及び第2の電極13と比べ強磁性金属ナノ粒子14aが、外部磁場に対する小さい又は大きい保磁力を有する形態について説明する。
先ず、強磁性金属ナノ粒子14aが第1の電極12及び第2の電極13より、外部磁場に対する保磁力が小さい場合を説明する。ここで、強磁性金属ナノ粒子14aが第1の電極12及び第2の電極13より外部磁場に対する保磁力を小さくするためには、前述したように、強磁性金属ナノ粒子14aの粒径や組成を調節し、かつ第1の電極12及び第2の電極13の電極材料又は電極形状を調節することで実現することができる。この形態では、強磁性金属ナノ粒子14aのスピンの向きを外部磁場で制御することができる。
Next, as a preferable form of the tunnel junction magnetoresistive element 10 shown in FIG. 1, the form in which the ferromagnetic metal nanoparticles 14a have a smaller or larger coercive force than the first electrode 12 and the second electrode 13 with respect to the external magnetic field. Will be described.
First, the case where the ferromagnetic metal nanoparticles 14a have a smaller coercive force against the external magnetic field than the first electrode 12 and the second electrode 13 will be described. Here, in order to make the ferromagnetic metal nanoparticles 14a have a smaller coercive force against the external magnetic field than the first electrode 12 and the second electrode 13, as described above, the particle size and composition of the ferromagnetic metal nanoparticles 14a. And adjusting the electrode material or the electrode shape of the first electrode 12 and the second electrode 13 can be realized. In this form, the spin direction of the ferromagnetic metal nanoparticles 14a can be controlled by an external magnetic field.

図5は、図1に示すトンネル接合磁気抵抗素子10の動作を示すための説明図である。なお、図中において白抜きの矢印は電子のスピン状態を示し、太字の矢印は電子の流れを示している。
外部磁場を強磁性金属ナノ粒子14aに印加して、強磁性金属ナノ粒子14aのスピンの向きを第1の電極12及び第2の電極13のスピンの向きと揃えると(図5(A)に示す状態)、第1のトンネル接合15a,強磁性金属ナノ粒子14a及び第2のトンネル接合15bを介して第1の電極12と第2の電極13との間に流れる電流を大きくすることができる。
逆に、外部磁場を強磁性金属ナノ粒子14aに印加して、強磁性金属ナノ粒子14aのスピンの向きを第1の電極12及び第2の電極13のスピンの向きと逆向きにすると(図5(B)に示す状態)、第1のトンネル接合15a,強磁性金属ナノ粒子14a及び第2のトンネル接合15bを介して第1の電極12と第2の電極13との間に流れる電流を小さくすることができる。
よって、トンネル磁気抵抗素子10は、外部磁場で電流の大小を制御するスイッチング機能を有したり、流れる電流の測定により外部磁場を検出する検出機能を有する。
FIG. 5 is an explanatory diagram for illustrating the operation of the tunnel junction magnetoresistive element 10 shown in FIG. In the figure, white arrows indicate the spin state of electrons, and bold arrows indicate the flow of electrons.
When an external magnetic field is applied to the ferromagnetic metal nanoparticles 14a, the spin directions of the ferromagnetic metal nanoparticles 14a are aligned with the spin directions of the first electrode 12 and the second electrode 13 (FIG. 5A). The current flowing between the first electrode 12 and the second electrode 13 through the first tunnel junction 15a, the ferromagnetic metal nanoparticles 14a, and the second tunnel junction 15b can be increased. .
Conversely, when an external magnetic field is applied to the ferromagnetic metal nanoparticles 14a, the spin directions of the ferromagnetic metal nanoparticles 14a are made opposite to the spin directions of the first electrode 12 and the second electrode 13 (FIG. 5 (B)), the current flowing between the first electrode 12 and the second electrode 13 through the first tunnel junction 15a, the ferromagnetic metal nanoparticles 14a and the second tunnel junction 15b. Can be small.
Therefore, the tunnel magnetoresistive element 10 has a switching function for controlling the magnitude of current with an external magnetic field, and a detection function for detecting an external magnetic field by measuring a flowing current.

逆に、第1の電極12及び第2の電極13と比べ強磁性金属ナノ粒子14aが外部磁場に対して大きい保磁力を有するトンネル接合磁気抵抗素子10であっても、外部磁場による第1の電極12及び第2の電極13のスピンの向きの変化を検出することができ、磁場検出素子を実現することができる。   On the contrary, even if the ferromagnetic metal nanoparticle 14a is a tunnel junction magnetoresistive element 10 having a larger coercive force with respect to the external magnetic field than the first electrode 12 and the second electrode 13, the first due to the external magnetic field A change in the spin direction of the electrode 12 and the second electrode 13 can be detected, and a magnetic field detection element can be realized.

さらに、図1に示すトンネル接合磁気抵抗素子10は、強磁性体でなる第1の電極12及び第2の電極13との間に金属ナノ粒子を埋め込んだ構造、即ち、二重トンネル接合磁気抵抗素子となっているので、金属ナノ粒子をクーロン島とし、クーロンブロッケード現象により高い磁気抵抗比を有するスイッチング機能を実現することができる。
即ち、強磁性金属ナノ微粒子14をクーロン島とする二重トンネル接合構造においては、電子が第1の電極12又は第2の電極13から強磁性金属ナノ粒子14にトンネルする際に、中間電極の役目を果たす強磁性金属ナノ粒子14上を単一電子が輸送され、電流値が電子一つ一つに対応した不連続値をとる、いわゆるクーロンブロッケード現象が観察される。このような単一電子素子は、単一電子の振る舞いを検知することが可能であり、非常に高感度なセンサとして動作することができる。さらに今回は電極材料として磁性体を用いることで、電子がトンネルする際にスピン相互作用の影響を受けることになる。
Furthermore, the tunnel junction magnetoresistive element 10 shown in FIG. 1 has a structure in which metal nanoparticles are embedded between the first electrode 12 and the second electrode 13 made of a ferromagnetic material, that is, a double tunnel junction magnetoresistance. Since it is an element, it is possible to realize a switching function having a high magnetoresistance ratio due to the Coulomb blockade phenomenon by using metal nanoparticles as Coulomb islands.
That is, in the double tunnel junction structure in which the ferromagnetic metal nanoparticle 14 is a Coulomb island, when electrons tunnel from the first electrode 12 or the second electrode 13 to the ferromagnetic metal nanoparticle 14, the intermediate electrode A so-called Coulomb blockade phenomenon is observed in which a single electron is transported on the ferromagnetic metal nanoparticles 14 that play a role, and the current value takes a discontinuous value corresponding to each electron. Such a single electronic element can detect the behavior of a single electron and can operate as a very sensitive sensor. Furthermore, this time, by using a magnetic material as an electrode material, it is affected by spin interaction when electrons tunnel.

これに対し、従来作製されてきたトンネル抵抗素子は積層構造を有しており、二重トンネル接合は形成可能でも、中間電極のサイズを制御することはできなかった。中間電極のサイズが大きくなると、中間電極と電極12及び電極13の間の静電容量が増加することによりクーロンブロッケード現象が観察されにくくなると共に、トンネルする電子の個数も増え、そのためノイズも大きくなる。
よって、図1に示すトンネル接合磁気抵抗素子10の構造では、中間電極は理想的には強磁性ナノ粒子が1つであるので、クーロンブロッケード現象により電子が一つ一つトンネルし、ノイズが少なくなり、より高い磁気抵抗比を実現することができる。
On the other hand, the conventionally produced tunnel resistance element has a laminated structure, and even though a double tunnel junction can be formed, the size of the intermediate electrode cannot be controlled. As the size of the intermediate electrode increases, the capacitance between the intermediate electrode and the electrodes 12 and 13 increases, making it difficult to observe the Coulomb blockade phenomenon, increasing the number of electrons tunneling, and thus increasing the noise. .
Therefore, in the structure of the tunnel junction magnetoresistive element 10 shown in FIG. 1, since the intermediate electrode is ideally one ferromagnetic nanoparticle, electrons are tunneled one by one by the Coulomb blockade phenomenon, and noise is reduced. Thus, a higher magnetoresistance ratio can be realized.

次に、変形例を説明する。
変形例として、図1に示すトンネル接合磁気抵抗素子10のように二重トンネル接合を形成しておらず、第1の電極11か第2の電極12の何れかのみが強磁性体でなり一重のトンネル接合を形成していてもよい。即ち、第1の電極12、第2の電極13の何れか一方を強磁性体、もう一方を非磁性体とする。この場合には、非磁性体の電極は、Au、Ag、Cu、Al、Pt、Ir、Pd、Mo、W、Ta、Cr、Ru、Rh、Mnなどで形成される。
Next, a modified example will be described.
As a modification, a double tunnel junction is not formed like the tunnel junction magnetoresistive element 10 shown in FIG. 1, and only one of the first electrode 11 and the second electrode 12 is made of a ferromagnetic material and is single-layered. The tunnel junction may be formed. That is, one of the first electrode 12 and the second electrode 13 is a ferromagnetic material, and the other is a non-magnetic material. In this case, the nonmagnetic electrode is made of Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ir, Pd, Mo, W, Ta, Cr, Ru, Rh, Mn, or the like.

別の変形例として、一対の電極のうち、例えば第1の電極11が強磁性金属ナノ粒子14aとトンネル接合し、第2の電極12が強磁性金属ナノ粒子14aとトンネル接合していなくてもよい。この場合、トンネル接合していない一方の電極11又は12と強磁性金属ナノ粒子14aとは導通しているか、又はナノギャップ電極間にナノ粒子が埋め込まれて構成される。   As another modification, even if, for example, the first electrode 11 is tunnel-joined with the ferromagnetic metal nanoparticles 14a and the second electrode 12 is not tunnel-joined with the ferromagnetic metal nanoparticles 14a, the pair of electrodes is not required. Good. In this case, the one electrode 11 or 12 that is not tunnel-junction and the ferromagnetic metal nanoparticle 14a are electrically connected, or the nanoparticle is embedded between the nanogap electrodes.

別の変形例として、第1の電極12及び第2の電極13の配置方向に対し、交わる方向に、ゲート電極や一対のゲート電極を配置してもよい。ここで、ゲート電極は磁性又は非磁性の何れでも良く、例えば、Au、Ag、Cu、Al、Pt、Ir、Pd、Mo、W、Ta、Cr、Ru、Rh、Mn、Ni、Fe、Co、NiFe、CoPtCr、BaFeO、MnAl、FePd、CoPt、FeNdB、FePt、SmCoなどで形成される。   As another modification, a gate electrode or a pair of gate electrodes may be arranged in a direction intersecting with the arrangement direction of the first electrode 12 and the second electrode 13. Here, the gate electrode may be magnetic or non-magnetic. For example, Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ir, Pd, Mo, W, Ta, Cr, Ru, Rh, Mn, Ni, Fe, Co NiFe, CoPtCr, BaFeO, MnAl, FePd, CoPt, FeNdB, FePt, SmCo, and the like.

図6は、本発明のトンネル接合磁気抵抗素子30を模式的に示す図である。本発明のトンネル接合磁気抵抗素子30は、ギャップを形成する第1の電極12及び第2の電極13の配置方向に直交するように、第3の電極としてゲート電極31を設けて構成される。   FIG. 6 is a diagram schematically showing a tunnel junction magnetoresistive element 30 of the present invention. The tunnel junction magnetoresistive element 30 of the present invention is configured by providing a gate electrode 31 as a third electrode so as to be orthogonal to the arrangement direction of the first electrode 12 and the second electrode 13 forming a gap.

図7は、本発明のトンネル接合磁気抵抗素子40を模式的に示す図である。本発明のトンネル接合磁気抵抗素子40は、ギャップを形成する第1の電極12及び第2の電極13の配置方向に直交するように、第3の電極として第1ゲート電極41と第4の電極として第2ゲート電極42を設けて構成される。   FIG. 7 is a diagram schematically showing a tunnel junction magnetoresistive element 40 of the present invention. The tunnel junction magnetoresistive element 40 of the present invention includes a first gate electrode 41 and a fourth electrode as third electrodes so as to be orthogonal to the arrangement direction of the first electrode 12 and the second electrode 13 forming the gap. The second gate electrode 42 is provided.

このように、ゲート電極31,41及び42を有することで、二重トンネル接合磁気抵抗素子を含んだ単一電子トランジスタ構造を採用し、これにより、ゲート電極31,41及び42に印加する電圧(ゲート電圧)で、磁気抵抗効果の大きさと信号変化の正負を制御することができる。即ち、中間電極となる強磁性金属ナノ粒子14a上の電子数は、第1の電極12又は第2の電極13からの電子のトンネル、ゲート電圧の制御により変化する。強磁性金属ナノ粒子14a上に電子が存在する場合、強磁性金属ナノ粒子14a上に次にトンネルしようとする電子に対し静電気力による反発力が存在するため、強磁性金属ナノ粒子14a上に電子が存在しない場合と比べその反発力分だけ余分に電圧を加える必要がある。つまりゲート電極31,41及び42により素子の抵抗や正負を制御することができる。特にゲート電極31,41及び42を磁性体で構成した場合には、ゲート電極31,41及び42からのスピン注入により強磁性金属ナノ粒子14a上の電子スピンの向きを制御することが可能であり、外部磁場だけでなく、ゲート電極による磁気抵抗効果の発現も期待できる。   Thus, by having the gate electrodes 31, 41 and 42, a single electron transistor structure including a double tunnel junction magnetoresistive element is adopted, whereby the voltage applied to the gate electrodes 31, 41 and 42 ( The magnitude of the magnetoresistive effect and the sign of the signal change can be controlled by the gate voltage. That is, the number of electrons on the ferromagnetic metal nanoparticle 14a serving as the intermediate electrode varies depending on the tunneling of electrons from the first electrode 12 or the second electrode 13 and the control of the gate voltage. When electrons are present on the ferromagnetic metal nanoparticle 14a, there is a repulsive force due to electrostatic force on the next electron to be tunneled on the ferromagnetic metal nanoparticle 14a. It is necessary to apply an extra voltage for the repulsive force compared to the case where there is no. That is, the resistance and positive / negative of the element can be controlled by the gate electrodes 31, 41 and 42. In particular, when the gate electrodes 31, 41, and 42 are made of a magnetic material, the direction of electron spin on the ferromagnetic metal nanoparticles 14a can be controlled by spin injection from the gate electrodes 31, 41, and 42. In addition to the external magnetic field, the magnetoresistive effect due to the gate electrode can be expected.

次に、トンネル磁気抵抗素子10の製造方法について説明する。
先ず、ナノギャップを有するよう第1の電極12と第2の電極13とを形成する。その際、電子ビームリソグラフィー(EBL)や光リソグラフィーで数十nmのギャップを形成し、次にギャップ間をめっきで狭めて既定の距離とすることが好ましい。これは、再現性やプロセスの適合性がよく、多数の素子を一度に構築することができるからである。また、電子ビームリソグラフィーで、10nm程度のギャップを直接形成しても良い。
ここで、ギャップ間隔は狭い方が好ましい。これは、クーロン島としての強磁性金属ナノ粒子14aと第1及び第2の電極12,13との静電容量が小さくなり、クーロンブロッケード異方性磁気抵抗素子の温度特性が優れるためである。
Next, a method for manufacturing the tunnel magnetoresistive element 10 will be described.
First, the first electrode 12 and the second electrode 13 are formed so as to have a nanogap. At that time, it is preferable to form a gap of several tens of nanometers by electron beam lithography (EBL) or optical lithography, and then narrow the gap by plating to a predetermined distance. This is because reproducibility and process suitability are good, and a large number of elements can be constructed at a time. Further, a gap of about 10 nm may be directly formed by electron beam lithography.
Here, it is preferable that the gap interval is narrow. This is because the capacitance between the ferromagnetic metal nanoparticles 14a as the Coulomb island and the first and second electrodes 12 and 13 is small, and the temperature characteristics of the Coulomb blockade anisotropic magnetoresistive element are excellent.

次に、第1の電極12及び第2の電極13の間に、超常磁性ナノ粒子を配置して埋め込み、その後加熱処理を施すことで、超常磁性ナノ粒子を変態させて強磁性ナノ粒子14aとする。強磁性FePtナノ粒子の場合を例に挙げると、第1の手法として、第1の電極12及び第2の電極13の間に配置した超常磁性fcc−FePtナノ粒子を所定温度、例えば300〜600℃程度で熱処理し強磁性に変態させる。その後、保護基14bを含む溶液に浸漬することで、ナノ粒子表面にトンネル層となる保護基14bを配位させる。ここで、ナノギャップ電極間に、塗布法、スプレージェット法、浸漬法、LB法などによりナノ粒子14を配置することができる。   Next, superparamagnetic nanoparticles are arranged and embedded between the first electrode 12 and the second electrode 13, and then subjected to heat treatment, thereby transforming the superparamagnetic nanoparticles and the ferromagnetic nanoparticles 14a. To do. Taking the case of ferromagnetic FePt nanoparticles as an example, as a first method, superparamagnetic fcc-FePt nanoparticles arranged between the first electrode 12 and the second electrode 13 are set at a predetermined temperature, for example, 300 to 600. Heat treatment at about ℃ to transform to ferromagnetism. Then, the protective group 14b used as a tunnel layer is coordinated to the nanoparticle surface by being immersed in the solution containing the protective group 14b. Here, the nanoparticles 14 can be disposed between the nanogap electrodes by a coating method, a spray jet method, a dipping method, an LB method, or the like.

第2の手法として、第1の電極12及び第2の電極13の間に配置した超常磁性fcc−FePtナノ粒子を水素雰囲気下で熱処理することにより、保護基14bを残したまま部分的に規則化した強磁性FePtナノ粒子とする。例えば、4%水素雰囲気下300℃で熱処理した場合、保磁力は3kOe程度である。この場合には、保護基14bを含む溶液に浸漬することは必要としない。   As a second method, the superparamagnetic fcc-FePt nanoparticles disposed between the first electrode 12 and the second electrode 13 are heat-treated in a hydrogen atmosphere, so that the protective group 14b remains and is partially ordered. Ferromagnetic ferromagnetic FePt nanoparticles. For example, when heat treatment is performed at 300 ° C. in a 4% hydrogen atmosphere, the coercive force is about 3 kOe. In this case, it is not necessary to immerse in a solution containing the protecting group 14b.

トンネル磁気抵抗素子10の製造方法の変形例を説明する。
ナノギャップを有するよう第1の電極12と第2の電極13とを形成する点は同じであるが、予め作製した強磁性金属ナノ粒子14を第1の電極12及び第2の電極13の間に埋め込む点で異なる。強磁性FePtナノ粒子の場合には、例えばオートクレーブ中400℃程度で保護基14bを有する金属ナノ粒子14aを作製することで、部分的に規則化した強磁性体でなるFePtナノ粒子を得ることができる。また、シリカシェル中又はNaCl微結晶中に超常磁性fcc−FePtナノ粒子を閉じ込め、600℃程度で強磁性に変態させた後、シリカシェル又はNaCl微結晶を溶解することにより、保護基14bが付いた強磁性FePtナノ粒子14を得ることができる。このようにして作製した強磁性金属ナノ粒子14を第1の電極12及び第2の電極13の間に配置して埋め込む。このとき、ナノギャップが形成された基板をナノ粒子14が含まれた溶液中に浸漬したり、ナノギャップが形成された基板上にナノ粒子14を含む溶液を滴下することで、埋め込みがなされる。
A modification of the method for manufacturing the tunnel magnetoresistive element 10 will be described.
The first electrode 12 and the second electrode 13 are formed so as to have a nanogap, but the previously prepared ferromagnetic metal nanoparticles 14 are placed between the first electrode 12 and the second electrode 13. It differs in that it is embedded in. In the case of ferromagnetic FePt nanoparticles, for example, by preparing metal nanoparticles 14a having protective groups 14b at about 400 ° C. in an autoclave, it is possible to obtain FePt nanoparticles made of a partially ordered ferromagnetic material. it can. Further, after confining superparamagnetic fcc-FePt nanoparticles in a silica shell or NaCl microcrystal, and transforming to ferromagnetic at about 600 ° C., the silica shell or NaCl microcrystal is dissolved, thereby attaching a protective group 14b. Ferromagnetic FePt nanoparticles 14 can be obtained. The ferromagnetic metal nanoparticles 14 thus produced are arranged and embedded between the first electrode 12 and the second electrode 13. At this time, the substrate in which the nanogap is formed is immersed in a solution containing the nanoparticle 14 or the solution containing the nanoparticle 14 is dropped on the substrate in which the nanogap is formed. .

以上により、図1に示すトンネル接合磁気抵抗素子10を作製することができる。なお、トンネル磁気抵抗素子30,40を作製する場合には、第1の電極12及び第2の電極13を形成すると同時に又はその後に、第3の電極や第4の電極としてのゲート電極31,41及び42を形成することで、トンネル接合磁気抵抗素子10と同様に作製することができる。   As described above, the tunnel junction magnetoresistive element 10 shown in FIG. 1 can be manufactured. When the tunnel magnetoresistive elements 30 and 40 are manufactured, the gate electrode 31 as the third electrode or the fourth electrode is formed simultaneously with or after the first electrode 12 and the second electrode 13 are formed. By forming 41 and 42, it can be produced in the same manner as the tunnel junction magnetoresistive element 10.

次に、実施例を説明する。
先ず、リソグラフィー法を用いてナノギャップを有するよう第1の電極12と第2の電極とを形成した。
Next, examples will be described.
First, the first electrode 12 and the second electrode were formed to have a nanogap by using a lithography method.

次に、温度計、還流冷却器及び窒素導入管を備えた三口フラスコ、鉄アセチルアセトナート(Fe(acac))30.7mmol、白金アセチルアセトナート(Pt(acac))20.30mmol、オレイン酸5.0mmol、オレイルアミン0.5mmol及び1,2−ヘキサデカンジオール1.5mmolを投入し、窒素ガスを流しながら160℃に昇温した。続いて300℃で30分間攪拌することにより、合金ナノ粒子を合成した。合成した合金ナノ粒子を400〜600℃で熱処理することにより、ナノ粒子を強磁性体に変態させた。   Next, a three-necked flask equipped with a thermometer, a reflux condenser and a nitrogen inlet tube, 30.7 mmol of iron acetylacetonate (Fe (acac)), 20.30 mmol of platinum acetylacetonate (Pt (acac)), 5 oleic acid 0.0 mmol, 0.5 mmol of oleylamine and 1.5 mmol of 1,2-hexadecanediol were added, and the temperature was raised to 160 ° C. while flowing nitrogen gas. Subsequently, alloy nanoparticles were synthesized by stirring at 300 ° C. for 30 minutes. The synthesized alloy nanoparticles were heat-treated at 400 to 600 ° C. to transform the nanoparticles into a ferromagnetic material.

図8は、実施例で作製したナノ粒子のTEM像を示す図である。図から、5.1nm±0.7nmのFePtナノ粒子が形成されていることが分かる。   FIG. 8 is a diagram showing a TEM image of the nanoparticles produced in the example. From the figure, it can be seen that FePt nanoparticles of 5.1 nm ± 0.7 nm are formed.

その後、ナノギャップが形成された基板を、ナノ粒子を含む溶液中に浸漬することで、第1の電極12及び第2の電極13のギャップ間に、ナノ粒子14を配置させ、トンネル接合磁気抵抗素子を得た。   Thereafter, the substrate on which the nanogap is formed is immersed in a solution containing the nanoparticles, so that the nanoparticles 14 are arranged between the gaps of the first electrode 12 and the second electrode 13, and the tunnel junction magnetoresistance An element was obtained.

本発明のトンネル接合磁気抵抗素子10は、将来需要が高まると考えられるnmスケールのメモリ・センサへの展開が期待され、分子ナノエレクトロニクスの分野において重要な役割を果たすことが期待される。   The tunnel junction magnetoresistive element 10 of the present invention is expected to expand to a nm-scale memory sensor, which is expected to increase in the future, and is expected to play an important role in the field of molecular nanoelectronics.

本発明のトンネル磁気抵抗素子の構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the tunnel magnetoresistive element of this invention. 図1に示すトンネル抵抗磁気抵抗素子におけるナノ粒子を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the nanoparticle in the tunnel resistance magnetoresistive element shown in FIG. 保護基を有するL10-FePtナノ粒子を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the L1 0 -FePt nanoparticle which has a protecting group. 図1に示すトンネル接合磁気抵抗素子を動作させるための回路構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the circuit structure for operating the tunnel junction magnetoresistive element shown in FIG. 図1に示すトンネル接合磁気抵抗素子の動作を示すための説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram for illustrating the operation of the tunnel junction magnetoresistive element shown in FIG. 1. 本発明のトンネル接合磁気抵抗素子を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the tunnel junction magnetoresistive element of this invention. 本発明のトンネル接合磁気抵抗素子を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the tunnel junction magnetoresistive element of this invention. 実施例で作製したナノ粒子のTEM像を示す図である。It is a figure which shows the TEM image of the nanoparticle produced in the Example.

符号の説明Explanation of symbols

10,30,40:トンネル抵抗磁気抵抗素子
11:基板
11a:絶縁層
11b:導体基板又は半導体基板
12:第1の電極
13:第2の電極
14:ナノ粒子
14a:強磁性金属ナノ粒子
14b:保護基
15a:第1のトンネル接合
15b:第2のトンネル接合
21:可変直流電源
22:電流計
31,41,42:ゲート電極
10, 30, 40: Tunnel resistance magnetoresistive element 11: Substrate 11a: Insulating layer 11b: Conductor substrate or semiconductor substrate 12: First electrode 13: Second electrode 14: Nanoparticle 14a: Ferromagnetic metal nanoparticle 14b: Protective group 15a: first tunnel junction 15b: second tunnel junction 21: variable DC power supply 22: ammeter 31, 41, 42: gate electrode

Claims (7)

強磁性体からなる第1の電極と、第2の電極と、上記第1の電極及び上記第2の電極間に配置されるナノ粒子とを備え、
上記ナノ粒子は強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁性を有する保護基を有してなり、
上記強磁性金属ナノ粒子と上記第1の電極との間にトンネル接合が形成されることを特徴とする、トンネル磁気抵抗素子。
A first electrode made of a ferromagnetic material, a second electrode, and nanoparticles disposed between the first electrode and the second electrode,
The nanoparticles have an insulating protective group on the outer periphery of the ferromagnetic metal nanoparticles,
A tunnel magnetoresistive element, wherein a tunnel junction is formed between the ferromagnetic metal nanoparticles and the first electrode.
強磁性体からなる第1の電極と、強磁性体からなる第2の電極と、上記第1の電極及び上記第2の電極の間に配置されるナノ粒子と、を備え、
上記ナノ粒子は強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁性を有する保護基を有してなり、
上記強磁性金属ナノ粒子と上記第1の電極との間に第1のトンネル接合が形成され、
上記強磁性金属ナノ粒子と上記第2の電極との間に第2のトンネル接合が形成されることを特徴とする、トンネル磁気抵抗素子。
A first electrode made of a ferromagnetic material, a second electrode made of a ferromagnetic material, and nanoparticles arranged between the first electrode and the second electrode,
The nanoparticles have an insulating protective group on the outer periphery of the ferromagnetic metal nanoparticles,
A first tunnel junction is formed between the ferromagnetic metal nanoparticles and the first electrode;
A tunnel magnetoresistive element, wherein a second tunnel junction is formed between the ferromagnetic metal nanoparticles and the second electrode.
前記強磁性金属ナノ粒子は、前記トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が小さく、該強磁性金属ナノ粒子のスピンの向きが外部磁場により制御され、前記第1の電極と前記第2の電極との間に流れる電流の大小でスイッチング機能を有することを特徴とする、請求項1又は2に記載のトンネル磁気抵抗素子。   The ferromagnetic metal nanoparticles have a smaller coercive force with respect to an external magnetic field than electrodes connected by the tunnel junction, and the spin direction of the ferromagnetic metal nanoparticles is controlled by an external magnetic field. The tunnel magnetoresistive element according to claim 1, wherein the tunnel magnetoresistive element has a switching function depending on a magnitude of a current flowing between the second electrode and the second electrode. 前記強磁性金属ナノ粒子をクーロン島とし、クーロンブロッケード現象により高い磁気抵抗比を有するスイッチング機能を備えることを特徴とする、請求項3に記載のトンネル磁気抵抗素子。   4. The tunnel magnetoresistive element according to claim 3, wherein the ferromagnetic metal nanoparticles are a Coulomb island and have a switching function having a high magnetoresistance ratio due to a Coulomb blockade phenomenon. 5. 前記強磁性金属ナノ粒子は、前記トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が小さく、外部磁場で前記強磁性金属ナノ粒子のスピンの向きが変化することで、前記第1の電極と前記第2の電極との間に流れる電流の大小に基づいて磁場を検出することを特徴とする、請求項1又は2に記載のトンネル磁気抵抗素子。   The ferromagnetic metal nanoparticles have a smaller coercive force with respect to an external magnetic field than an electrode connected by the tunnel junction, and the spin direction of the ferromagnetic metal nanoparticles is changed by the external magnetic field, whereby the first electrode The tunnel magnetoresistive element according to claim 1, wherein a magnetic field is detected based on a magnitude of a current flowing between the first electrode and the second electrode. 前記強磁性金属ナノ粒子は、前記トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が大きく、外部磁場で前記第1の電極又は前記第2の電極のスピンの向きが変化することで、前記第1の電極と前記第2の電極との間に流れる電流の大小に基づいて磁場を検出することを特徴とする、請求項1又は2に記載のトンネル磁気抵抗素子。   The ferromagnetic metal nanoparticles have a larger coercive force against an external magnetic field than the electrodes connected by the tunnel junction, and the spin direction of the first electrode or the second electrode changes in the external magnetic field, The tunnel magnetoresistive element according to claim 1, wherein a magnetic field is detected based on a magnitude of a current flowing between the first electrode and the second electrode. 前記第1の電極と前記第2の電極との配置方向に対し交わる方向に、ゲート電極を備えることを特徴とする、請求項2に記載のトンネル磁気抵抗素子。   The tunnel magnetoresistive element according to claim 2, further comprising a gate electrode in a direction intersecting with an arrangement direction of the first electrode and the second electrode.
JP2007023585A 2007-02-01 2007-02-01 Tunnel magnetic resistance element Pending JP2008192712A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007023585A JP2008192712A (en) 2007-02-01 2007-02-01 Tunnel magnetic resistance element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007023585A JP2008192712A (en) 2007-02-01 2007-02-01 Tunnel magnetic resistance element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008192712A true JP2008192712A (en) 2008-08-21

Family

ID=39752552

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007023585A Pending JP2008192712A (en) 2007-02-01 2007-02-01 Tunnel magnetic resistance element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008192712A (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008219007A (en) * 2007-02-23 2008-09-18 Samsung Electronics Co Ltd Ferroelectric information storage medium having ferroelectric nanodots, and method of manufacturing the same
JP2011210191A (en) * 2010-03-30 2011-10-20 Brother Industries Ltd Method for printing html file
WO2012121067A1 (en) * 2011-03-08 2012-09-13 独立行政法人科学技術振興機構 Method for fabricating electrode structure having nanogap length, electrode structure having nanogap length obtained thereby, and nanodevice
WO2013074037A1 (en) * 2011-11-18 2013-05-23 Klaus Leifer Molecular junction platform and method of fabricating such a platform
JP5674220B2 (en) * 2012-02-28 2015-02-25 独立行政法人科学技術振興機構 Nanodevice and manufacturing method thereof
WO2015033600A1 (en) * 2013-09-06 2015-03-12 独立行政法人科学技術振興機構 Electrode pair, method for producing same, substrate for device, and device
CN110261640A (en) * 2019-06-27 2019-09-20 东南大学 A kind of micro- flow sensor of MEMS based on tunnel magneto-resistance effect

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11238924A (en) * 1998-02-20 1999-08-31 Toshiba Corp Spin-dependent transmission element electronic component using the same, and magnetic part
JP2003507889A (en) * 1999-08-18 2003-02-25 ノース・キャロライナ・ステイト・ユニヴァーシティ Sensing device using single-electron transistor with chemically gated operation
JP2003168788A (en) * 2001-11-30 2003-06-13 Nec Corp Quantum dot-based magnetic random access memory cell, array thereof and manufacturing method therefor
JP2004281548A (en) * 2003-03-13 2004-10-07 Japan Science & Technology Agency Ferromagnetic single electronic element and memory element using the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11238924A (en) * 1998-02-20 1999-08-31 Toshiba Corp Spin-dependent transmission element electronic component using the same, and magnetic part
JP2003507889A (en) * 1999-08-18 2003-02-25 ノース・キャロライナ・ステイト・ユニヴァーシティ Sensing device using single-electron transistor with chemically gated operation
JP2003168788A (en) * 2001-11-30 2003-06-13 Nec Corp Quantum dot-based magnetic random access memory cell, array thereof and manufacturing method therefor
JP2004281548A (en) * 2003-03-13 2004-10-07 Japan Science & Technology Agency Ferromagnetic single electronic element and memory element using the same

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008219007A (en) * 2007-02-23 2008-09-18 Samsung Electronics Co Ltd Ferroelectric information storage medium having ferroelectric nanodots, and method of manufacturing the same
JP2011210191A (en) * 2010-03-30 2011-10-20 Brother Industries Ltd Method for printing html file
WO2012121067A1 (en) * 2011-03-08 2012-09-13 独立行政法人科学技術振興機構 Method for fabricating electrode structure having nanogap length, electrode structure having nanogap length obtained thereby, and nanodevice
JPWO2012121067A1 (en) * 2011-03-08 2014-07-17 独立行政法人科学技術振興機構 Method for producing electrode structure having nanogap length, and electrode structure and nanodevice having nanogap length obtained thereby
JP5942297B2 (en) * 2011-03-08 2016-06-29 国立研究開発法人科学技術振興機構 Method for producing electrode structure having nanogap length, plating solution and nanodevice
WO2013074037A1 (en) * 2011-11-18 2013-05-23 Klaus Leifer Molecular junction platform and method of fabricating such a platform
JP5674220B2 (en) * 2012-02-28 2015-02-25 独立行政法人科学技術振興機構 Nanodevice and manufacturing method thereof
KR20160050019A (en) * 2013-09-06 2016-05-10 고쿠리츠켄큐카이하츠호진 카가쿠기쥬츠신코키코 Electrode pair, method for producing same, substrate for device, and device
CN105474398A (en) * 2013-09-06 2016-04-06 国立研究开发法人科学技术振兴机构 Electrode pair, method for producing same, substrate for device, and device
WO2015033600A1 (en) * 2013-09-06 2015-03-12 独立行政法人科学技術振興機構 Electrode pair, method for producing same, substrate for device, and device
JPWO2015033600A1 (en) * 2013-09-06 2017-03-02 国立研究開発法人科学技術振興機構 Electrode pair, manufacturing method thereof, device substrate and device
EP3043386A4 (en) * 2013-09-06 2017-06-07 Japan Science and Technology Agency Electrode pair, method for producing same, substrate for device, and device
TWI629789B (en) * 2013-09-06 2018-07-11 國立研究開發法人科學技術振興機構 Electrode set, manufacturing method thereof, and device
US10164080B2 (en) 2013-09-06 2018-12-25 Japan Science And Technology Agency Electrode pair, method for fabricating the same, substrate for device, and device
KR102150053B1 (en) * 2013-09-06 2020-08-31 고쿠리츠켄큐카이하츠호진 카가쿠기쥬츠신코키코 Electrode pair, method for producing same, substrate for device, and device
CN110261640A (en) * 2019-06-27 2019-09-20 东南大学 A kind of micro- flow sensor of MEMS based on tunnel magneto-resistance effect
CN110261640B (en) * 2019-06-27 2024-04-09 东南大学 MEMS micro-flow velocity sensor based on tunnel magneto-resistance effect

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101093776B1 (en) Magnetic Sensor
Maqableh et al. Low-resistivity 10 nm diameter magnetic sensors
CN107923956B (en) Magnetoresistive sensor
JP4682998B2 (en) Memory element and memory
CN101901867B (en) Magnetoresistive memory device, integrated circuit and method for forming a spin-torque structure
CN108292703A (en) Spin current magnetization inversion element, magneto-resistance effect element and magnetic memory
US8189302B2 (en) Magnetic field sensor with graphene sense layer and ferromagnetic biasing layer below the sense layer
JP4880669B2 (en) Core composite film used for magnetic / non-magnetic / magnetic multilayer film and use thereof
CN105745760B (en) Magneto-resistance effect element, Spin-MOSFET, Magnetic Sensor and magnetic head
JP6866694B2 (en) Magneto Resistive Sensor
JP2008192712A (en) Tunnel magnetic resistance element
US6730395B2 (en) Magnetic tunnel junction using nanoparticle monolayers and applications therefor
JP2009130371A (en) Magnetoresistive device
JP2005217422A (en) Magnetoresistive element
JP5034317B2 (en) Memory element and memory
Schneider et al. Towards molecular spintronics: magnetotransport and magnetism in carbon nanotube-based systems
Garcia et al. Ballistic magnetoresistance in different nanocontact configurations: a basis for future magnetoresistance sensors
US11163023B2 (en) Magnetic device
Mancoff et al. Spin-current-induced magnetotransport in Co-Cu-Co nanostructures
Sarveena et al. Multifunctional magnetic nanostructures: exchange bias model and applications
JP5057338B2 (en) Anti-parallel coupling film structure, tunnel magnetoresistive element and magnetic device
JPH1091921A (en) Dual spin bulb-type thin film magnetic head
JP2004335259A (en) Electrical wiring, electronic device, magnetoresistance effect element, magnetic head, magnetic medium, recording devices, and manufacturing method of the above
JP2007035944A (en) Electron spin utilization element and its manufacturing method
Fábián Engineered magnetoconductance in InAs nanowire quantum dots

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20100125

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110926

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20111004

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120529

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20121002