JP2008288580A - 磁性論理素子 - Google Patents

Abstract

【課題】構成要素であるナノマグネットの形状を選択することで磁気特性を設計可能な磁性論理素子を提供すること。
【解決手段】 ３次又は５次の回転対称性を有するナノマグネットを有し、前記ナノマグネットが超常磁性となりかつ実質的に磁気ヒステリシスをなくし、その結果前記ナノマグネットの磁化は適用された磁場の現在値のみに依存し、前記磁場の履歴には依存しなくなるように前記回転対称性が選択されている。単純な材料に対して、単に構成要素であるナノマグネットの対称性を変化させることにより、新規で多様な特性を付与でき、桁外れに広い範囲を有する人工磁性材料をつくり出すことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は磁性論理素子に関し、より具体的には回転対称性（rotational symmetry）を用いて磁気特性を調整可能な（tailor）磁性材料に関する。

コンピュータのハードディスクに記憶可能な情報量は過去40年間で係数10^７倍に上昇し、向う数十年間は指数関数的な割合で上昇し続けるように定められたように見える。今日の従来型磁性材料は、明日の磁気データ記憶産業における要求性能を満たすことができないであろう。現在検討されている選択肢のひとつは、ナノテクノロジと量子力学との相乗効果で「ナノマグネット」と呼ばれるナノメータースケールの磁性粒子をつくることである。これらは、非常に小さいサイズのため、元のバルク材料とは非常に異なった磁気特性を有する。各ナノマグネットは、人工素子の巨大原子に類似し、新しい磁性材料を巨大原子ごとに積み上げ可能である。急速に成長するナノ磁気の分野は、ハードディスク媒体や新世代の高速、省電力、不揮発性のコンピュータメモリチップに対して他の何よりも進歩した代替物を提供可能である。

自然界で生じる磁性素子又は合金の最も重要な特性はその異方性である。これは材料内に好ましい磁化方向が存在することを意味し、磁性材料の挙動やその挙動に適切な技術的応用法を最終的に決定する要因となる。従来の磁性材料では、異方性は電子フェルミ面（electronic Fermi surface）の形状や対称性から生ずるため、異方性は特定の素子又は合金に固有のものであり、容易に調整することはできない。

しかし、ナノマグネットにおける異方性は母材の層構造（band structure）だけでなく、ナノマグネットの形状にも依存する。人工磁性材料の最も魅力的な特徴のひとつは、それらの磁気特性が、構成要素であるナノマグネットの形状を選択することで設計可能なことである。
本発明の関連技術としてメモリ素子が得られ、このメモリ素子は、高い残留磁気及び適切な保持力をもたらすように選択された３次又は５次の回転対称性を有するナノマグネットを有する。

本発明の関連技術としてセンサ素子が得られ、このセンサ素子は、３次又は５次の回転対称性を有するナノマグネットを有し、前記ナノマグネットが超常磁性（superparamagnetic）となりかつ実質的に磁気ヒステリシスをなくし、その結果前記ナノマグネットの磁化は適用された磁場の現在値のみに依存し、前記磁場の履歴には依存しなくなるように前記回転対称性が選択されている。
本発明の磁性論理素子は、３次又は５次の回転対称性を有するナノマグネットを有し、前記ナノマグネットが超常磁性となりかつ実質的に磁気ヒステリシスがなく、その結果前記ナノマグネットの磁化は適用された磁場の現在値のみに依存し、前記磁場の履歴には依存しなくなるように前記回転対称性が選択されている。

前述した本発明の各デバイスは、電子ビームリソグラフィ等の技術を用いて基板表面に形成されたシリコン片等の人工磁性材料である。本デバイスは、サイズを40-500ｎｍの範囲、厚みを3-10ｎｍの範囲とすることが可能で、それぞれ3及び5次（order）の回転対称性に対応する三角形又は五角形の幾何学図形とすることが可能である。しかし、この次数をより大きくすることが可能である。母材はスーパーマロイ（Ni₈₀Fe₁₄Mo₅）とすることが可能であり、この選択は次の２つの理由に基づく。第１に、この合金は本質的にほぼ等方性であり、ナノマグネットに発生する異方性は形状のみに依存することになるためである。第２に、スーパーマロイ、及びこれに類するがモリブデンフリーである他のパーマロイは、２つとも工業及び研究分野においてどこにでもある軟質磁性合金でありながら、ナノメーターの構造づくり（structuring）を施すことで、単純な材料に新規で多様な特性を付与できるという有効性を示すためである。以下に示す通り、単に構成要素であるナノマグネットの対称性を変化させることにより桁外れに広い範囲を有する人工磁性材料をつくり出すことが可能である。

本発明に関する実施例が、関連する図面を参照して記載される。
本発明に係るデバイスは、標準のリフトオフ式（lift-off based）電子ビームリソグラフィ工程を用いて形成可能である。試料基板は単結晶シリコンとした。各ナノマグネット間の間隔は常に少なくともナノマグネットの直径とし、最小構造では直径の3倍とした。ナノマグネットの表面粗さは0.5ｎｍ未満とし、ランダムに指定された粒子で5ｎｍを示したものを微小構造とした。酸化を防止するため、各ナノマグネットの上面を厚さ5ｎｍの金の層で覆った。サイズが50ｎｍ程度の構造では、幾何学形状の完全さが保たれていることがわかった。図１は前記構造の走査電子顕微鏡画像を示す。

これらの異なった人工材料の磁気特性を判定するために、既知の高感度磁性光学方法を使用して、人工材料のヒステリシスループ（Ｍ−Ｈ ループ）を測定した。レーザスポット（サイズ≒5μｍ）が人工材料断片の上面に焦点が合うまでシリコン表面上を移動される間、シリコン表面は光学顕微鏡で観察することが可能である。反射されたレーザビームは長さ方向のカー効果（Kerr effect）を得るために解析される偏波であり、これは入射光学平面に存在する磁化要素のプローブとして働く。そしてこの磁化は、強度1000 Oe（エルステッド）に及ぶ交流27Hzの磁場が試料平面にかけられる間に記録される。すべての測定は室温でなされた。

図２及び図３はサイズ、厚さ及び幾何学形状の異なるナノマグネットから測定されたヒステリシスループを示す。それぞれのナノマグネットとこれらが形成されていない従来の材料から得られるループとは互いに大きく異なっていることがすぐにわかる。数多くの技術的応用法がこの図で表される試料によりカバーされる。図２（Ｂ）に示される既知の小長方形はハードディスク媒体の人工代替物とするのに適当であろう。ここで使用されるナノマグネットは100Gbit（ギガビット）/平方インチ、即ち、今日の最高技術水準の既存媒体の10倍を超えるデータ記憶密度をほぼ達成し得るであろう。図２（Ｄ）におけるより大きな既知の長方形は、半導体メモリの代替品として出現し始めた磁性体ランダムアクセスメモリ（MRAM）に非常に適しているだろう。このサイズの磁性素子を使用するメモリチップは1Gbitの不揮発性高速メモリを提示することができるだろう。驚くべきは、広範囲の磁気特性が三角形及び五角形のナノマグネットにより明らかにされたということである。図２（Ｅ）の三角形は、高い残留磁気及び低い保磁力を示すが、メモリ素子として使用可能である。一方、図２（Ｆ）の五角形及び図３の超常磁性三角形は、3000の効果的な相対的透磁率を示し、磁気ヒステリシスをなくすので、優れた高感度磁場センサまたはハードディスク読取りヘッドをつくり出すであろう。これらの多様な応用法は、人工材料を構成するナノマグネットのサイズ、厚さ、及び最も重要なこととして対称性を変化させたことの直接の結果である。

この重要な効果を定量化するために、ナノマグネットのサイズ、厚さ及び対称次数（symmetry order）の関数としてのヒステリシスループから保磁力を測定した。保磁力は磁化をゼロ（即ち、ヒステリシスループが保磁力の2倍の中央幅を有する）に減らすために必要な適用磁場の測定単位であり、またどれほど容易に外部磁場がナノマグネットの磁化方向を反転するかの測定単位である。これは技術的応用法に対する所与の磁性材料の適正を評価する上での重要なパラメータである。図４は、異なる幾何学図形を比較可能とするために、面積の平方根によりナノマグネットのサイズを表した結果を示す。別の試料セットにおいて実験結果にいくらかの繰返し性があることを確認した。

図４のデータから解る第１に明らかな特徴は、2次（2-fold）及び4次対称性はひとつのクラスの挙動を示し、3次及び5次対称性は別のクラスを示す。2次/4次ナノマグネットは、長さスケールの減少に伴って初めに上昇する高い保磁力を示し、3次/5次ナノマグネットは、長さスケールの減少とともにゼロに下がる低い保磁力を示す。図４から得られる第２の判断は、すべての場合において厚みの増加は保磁力の激しい上昇を引き起こすことである。これはナノマグネットで形成されない磁性フィルムでは起こらない。

2次ナノマグネットの挙動は非常に直線的であり、形状異方性（shape anisotropy）と呼ばれる周知の現象に従う。磁極面の表面積を最小化するために、磁化はナノマグネットの最長軸に一致した「ストリームライン」の方がよい。この効果を担う磁場は、マグネット内部を通って磁極面間を通過する反磁場である。反磁場は割合t/aにほぼ比例（scale）する。ここでtはナノマグネットの厚さであり、aはナノマグネットのサイズである。したがって、図４（Ａ）ではサイズの減少に伴って上昇する保磁力を見ることができる。

対照的に、3、4及び5次対称性の効果はそれほど容易に理解されない。これはいかなる構造の反磁場も2次元デカルト座標系テンソル（second rank Cartesian tensor）によって表されるため、一軸（2次）対称性を示すことのみ可能であるためである。したがって、少なくとも従来の理解では、これら高次数対称構造の平面に存在する形状異方性はない。それにもかかわらず、正方形ナノマグネットは磁化方向の変化に対しやや激しい障害を明らかに示す。したがって、いくらかの異方性が存在するに違いない。この異方性が三角形マグネットにおいて明らかに弱まるという事実は、この異方性が古典的形状異方性とは異なるにもかかわらず、ナノマグネットの形状と未だ関係していることを示す。

正方形ナノマグネットにおいて、構造的異方性（configurational anisotropy）とよばれる特徴が最近発見された。これは一様な磁化からの非常に小さいずれ（deviations）から生じ、ほぼすべてのナノマグネットにおいて起こる。今日まで、この新しい異方性がナノマグネットの磁気特性を規定する上でどれほど重要であるか明確にされていない。図２〜図４に見ることのできる多様な挙動が構造的異方性に従っているとの仮説をテストするために、我々が変調磁場磁性光学不等長変換（Modulated Field Magneto-optical Anisometry）と呼ぶ技術を使用して、ナノマグネット内の異方性を直接的に測定した。ナノマグネットの平面に、強力な静磁場（static magnetic field）Ｈ（＝350 Oe）をかけるとともに、この磁場Ｈに垂直に弱い振動磁場Ｈ_ｔ（14 Oe振幅）をかける。磁化の結果生じる振動の振幅は、付与された振幅とナノマグネットに存在する異方性の対称性とをも直接的に反映するように、図２及び図３のヒステリシスループを得るために使用されるのと同じ磁性光学技術により記録される。サイズが50-500ｎｍで、厚さが5ｎｍの三角形、正方形、五角形のナノマグネットの異方性を実験により測定し、その結果が図５にある。これら極プロット図（polar plots）において、角度はナノマグネット内で平面内方向（in-plane direction）φを与え、半径はその方向にナノマグネットの半径を与え、色はそのサイズのナノマグネットに対し実験により測定された以下の量を与える。

ここで、方向φに磁化されたとき、Ｍ_ｓは飽和磁化（800 emu cm^−３ ）であり、Ｅ(φ)はナノマグネットの平均磁性エネルギ密度である。Ｈ_ａは異方性磁場の通常の定義ではないが、Ｈ_ａにおけるいかなる振動も、基礎となる異方性及び異方性磁場の大きさに等しい振幅としての同じ対称次数を有することを示すことが可能である。図５は22個の異なる人工磁性材料の試料（8つのサイズの三角形、8つのサイズの正方形、6つのサイズの五角形）からの実験データを示し、それぞれは19又は37の異なる方向φ（三角形及び正方形は10度刻みで0-180度、五角形は5度刻みで0-180度）で測定し、計526回の測定を行った。

調査されたすべてのナノマグネットにおける強力な異方性磁場の存在が、図５から直ちに明らかである。三角形ナノマグネットは6次対称性を伴う異方性を示し、正方形ナノマグネットは4次対称性の異方性を示し、五角形ナノマグネットは著しい10次異方性を有する。磁化においてエネルギが常に二次形式（quadratic）となり、したがって奇数対称次数は対応できないため、三角形及び五角形の構造においては周波数倍増（frequency doubling）が生じる。

ナノマグネットのサイズ及び対称性の関数としての異方性磁場の大きさを得るために、フーリエ解析を図５のプロット図に適用し、図６の２つの異なるフォームにおいて結果を示す。図６（Ａ）において異方性磁場を直接プロットする一方で、図６（Ｂ）において以下の理論関係式を用いて、単一ナノマグネットの異方性エネルギをプロットした（単位kTにおいて、kはボルツマン定数であり、Tは298Kである）。

この等式において、Ｕ_ａは単一ナノマグネットの異方性エネルギ（単位ergs）であり、Ｈ_ａは異方性磁場（単位Oe）であり、ｎは異方性の対称次数（正方形は4、三角形は6、五角形は10）であり、Ｖはナノマグネットの体積（単位立方ｃｍ）である。磁気特性に対する対称次数の影響に関する我々の理解における重要な要素は、この等式における項ｎ^２によりもたらされる。即ち、図６（Ａ）においてすべての幾何学図形はほぼ同様に異方性磁場を示すが、図６（Ｂ）においてそれらは非常に異なった異方性エネルギを示す。

異方性エネルギは、超常磁性と呼ばれる現象のためとりわけ興味深い。超常磁性とは、ナノメータースケールマグネットにおいてkT熱エネルギ変動（kT thermal energy fluctuation）が異方性エネルギバリアを超えることがあるというプロセスである。およその指標として、バリアは、測定のタイムスケールにおいて一旦高さが10kT未満となれば、乗り越えられる。このことは、一旦異方性エネルギが10kT未満となると、保磁力が急速にゼロまで下がることが予測可能であろうことを意味する。図６（Ｂ）によると、一旦素子サイズが約150ｎｍ未満となればこれが起こるはずであり、サイズが小さくなるにしたがって正方形の異方性エネルギは下がり続ける（being last to fall）。反対に、一旦異方性エネルギが10kTを超えると、保磁力は異方性磁場にほぼ追随することになろう。これは、図４において観察可能な挙動において一方の正方形と、他方の三角形及び五角形との間の相違を示している。正方形の異方性磁場（図６（Ａ））は素子サイズが小さくなるにしたがってピークを示し、このピークは正方形の保磁力データに直接反映される（図４（Ｃ））。五角形の異方性磁場はピークを示さず、データがゼロへ低下し始めるサイズは、熱の活性化（thermal activation）のために、異方性磁場に基づくサイズよりも保磁力データにおけるサイズの方が大きくなり、これらは保磁力データに直接反映される（図４（Ｄ））。最後に、三角形の異方性磁場は正方形とまさに同様のピークを示すが、異方性エネルギは三角形の方が低いため、熱の活性化はより大きいサイズで生じるようになり、保磁力データにはピークが現れなくなる（図４（Ｂ））。このように、実験により判定された保磁力データは、構造的異方性と熱の活性化との組合せに従うものとして説明可能である。

有限の保磁力を示す高残留磁気材料（つまりメモリ機能）のみが技術的に重要な磁性材料ではない。同様に、磁気センサ素子及び磁性論理素子における応用法を見出すことのできるゼロ残留磁気、ゼロ保磁力材料も重要であり、この場合において重要なパラメータであるのは磁化率χである。χは以下の式により定義される。

ここで、Ｍはナノマグネットの磁化であり、Ｈは適用された磁場である。したがって、χは図２（Ｆ）に示されるようなヒステリシスループのゼロ磁場の傾きに直接比例する。（周波数27Hzでの）磁性光学実験を用いてχを測定し、図７においてχは一定の厚さ3.7±0.5ｎｍにおけるナノマグネットのサイズ及び対称性の関数、及びその結果として示される。χは、保磁力がゼロのときのみ有意義であるため、この場合に限定した。比較のため、この図においてはランジュヴァン関数（Langevin function）から得られる理論的磁化率もプロットした。これは、自由空間における単一巨大スピン（single giant spin）に適用されるであろう統計熱力学的概念である。図７から３つの判断が可能である。第１に、適切なパラメータが用いられていなかったが、実験により判定された最小ナノマグネットの磁化率はすべて自由空間ランジュヴァンモデルに近似し、実験的なシステムがよく制御されていることを示している。第２に、ランジュヴァンモデルから得られるものは、正方形対称ナノマグネットに対して最も大きい。このことは、最も強力な構造的異方性エネルギを有する正方形対称ナノマグネットに矛盾せず、正方形ナノマグネットに含まれる巨大スピンが、自由空間内の巨大スピンのようにはほとんど見えないことを意味する。サイズの増大に伴って、段階的にすべての対称性をランジュヴァンモデルから離れさせるのは構造的異方性である。第３に、ここで測定された磁化率は、同じ形状及びアスペクト比だがナノメータースケールよりも大きく作られた（即ち、ほとんどの従来型磁場センサが用いるようにマイクロメーター以上の）磁性粒子から得られるであろう大きさよりも２次分大きい。この後者の場合、磁化率は内部の反磁場に対する磁壁（domain walls）の動きにより生じ、これは非常に強力である。したがって、ナノメータースケール構造の独特な役割は明確に示されている。

図４及び図５はナノメーター構造が実際に新しい磁性材料の創作に匹敵することをよく示す。スーパーマロイは、「f.c.c.結晶学」に基づいて成長し、通常2次又は4次異方性を生じる。それにもかかわらず、図５（Ａ）は、通常「h.c.p.結晶学」による材料に特有の6次対称性を示す。この場合、ナノマグネット形状（三角形）の対称性は結晶学的フェーズの変化を模倣する（emulate）ように使用できる。同様に、正方形及び長方形ナノマグネットの比較的高い保磁力（図４（Ａ）及び図４（Ｃ））は、通常高い異方性を示し、弱く結合した微小構造を有する磁性材料にのみ見出されるであろう。この場合、ナノマグネットの対称性を慎重に選択すれば、素子の変化及び微小構造の変化を模倣することができる。最後に、初歩の結晶学は、結晶格子が10次対称性を示せないため、10次磁性異方性を伴って自然界に生じる結晶素子又は合金を見出すことは期待すべきでないと規定する。しかし、図５（Ｃ）は人工的にナノ構造を使用してそれを創造することに成功したことを示す。この場合、ナノメーター形状は、通常準結晶に保持される特性を結晶材料に付与するために用いられている。

図８の略図はセンサ素子又は論理素子の部品として超常磁性ナノマグネットを使用可能な配置を示す。３層スピンバルブ１２は両端で接続線１４に接合されている。バルブ１２は磁性下層１６、非磁性スペーサ層１８及び超常磁性状態にある上層としての１以上のナノマグネット２０を有する。矢印２２はバルブ１２を横切る電流の通路を示し、矢印２４は磁性下層１６における磁化を示す。
結論として、ナノマグネットの磁気特性に対するナノマグネット形状の対称性の関連性を判定し、それを実際の応用法に適用した。我々は、対称性が重大な役割を演じ、磁気特性を非常に広い範囲にわたって制御可能とすることを見出した。我々は、構造的異方性が対称性を磁気特性に結びつける重要な効果を有することを示した。このことは、磁気特性を非常に高い精度を伴って特定の応用法のために調整することが可能な新しい人工磁性材料をもたらす。

第１の新しいアイデアは、素子の対称性を介して構造的異方性を使用し、磁気特性を調整することである。現在まで、当業者は長方形、正方形又は円形素子を検討したのみであった。我々は、三角形、五角形及び六角形等の他の形状により誘導される構造的異方性が素子の磁気特性を制御するために使用可能であることを判定した。第２の新しいアイデアは、ナノ構造における超常磁性を使用して、ヒステリシスを取り除くことである。従来の材料では、超常磁性が非常に高い飽和磁場をもたらし、それ自体は磁気センサに用いられない。しかし、我々はここでナノ構造において、超常磁性が非常に低い飽和磁場（わずか数Oe−図２（Ｆ）参照）をもたらすことができることを示す。そのこと自体によって、これはセンサ素子又は論理素子に非常に適するであろう。しかし、さらに興味深いのは、超常磁性が優れたセンサに欠くことのできないゼロ近似ヒステリシスを保証するという事実である（図３参照）。ナノ構造をセンサとして使用する上で、現在直面する最も大きな問題となっているのは、一般的にデバイスの側面寸法（lateral dimensions）が小さくなるにつれてヒステリシスが大きくなることである。

これら２つのアイデアは、適切な形状（三角形、五角形または円形）を選択することにより構造的異方性を低い値に設定することよって結合可能であり、ナノ構造体を超常磁性にし、このゆえに優れたセンサ素子又は論理素子として機能させることが可能である。

本発明は、磁性論理素子として利用できる。

図１は人工磁性材料の走査電子顕微鏡画像を示す。 図２はサイズ、厚さ、幾何学形状の異なるナノマグネットのヒステリシスループを示す。 図３は超常磁性三角形ナノマグネットのヒステリシスループを示す。 図４は実験により測定されたナノマグネットのサイズの関数としての保磁力を示す。 図５は実験により測定された異なるナノマグネット内の異方性磁場を示す。 図６は、異なるナノマグネットの異方性磁場（Ａ）及びナノマグネットごとの異方性エネルギ（Ｂ）として表された図５の主要な異方性項目（term）を示す。 図７はナノマグネットのサイズ及び対称性の関数としての磁化率を示す。 図８は磁場センサ又は論理素子としての超常磁性ナノマグネットの使用における構造配置を示す。

符号の説明

１２ ３層スピンバルブ
１４ 接続線
１６ 磁性下層
１８ 非磁性スペーサ層
２０ ナノマグネット
２２ 矢印
２４ 矢印

Claims (4)

1. ３次又は５次の回転対称性を有するナノマグネットを有する磁性論理素子であって、前記ナノマグネットが超常磁性となりかつ実質的に磁気ヒステリシスをなくし、その結果前記ナノマグネットの磁化は適用された磁場の現在値のみに依存し、前記磁場の履歴には依存しなくなるように前記回転対称性が選択されていることを特徴とする磁性論理素子。
2. 基板表面に形成された人工磁性材料により形成される請求項１に記載の磁性論理素子。
3. スーパーマロイ（Ni₈₀Fe₁₄Mo₅）により形成される請求項１又は請求項２に記載の磁性論理素子。
4. 側面ごとのサイズが40-500ｎｍの範囲でありかつ厚みが3-10ｎｍの範囲である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の磁性論理素子。