JP2010037580A - Ｃｏ基ホイスラー合金 - Google Patents

Abstract

【課題】コバルト基ホイスラー合金はハーフメタル材料（Ｐ＝１）の候補として期待されているが、点接触アンドレーフ反射法（ＰＣＡＲ法）により測定されたスピン偏極率はいずれもハーフメタルの値（Ｐ＝１）よりずっと低いＰ＝０．６程度である。従来にはない高いスピン偏極率を有するＣｏ基ホイスラー合金を提供する。
【解決手段】組成式Ｃｏ２ＭｎＷ１−ＸＧａＸ（ただし、0＜Ｘ＜1、Ｗ：Ｓｉ，Ｇｅ又はＳｎのいずれかの元素）であるＣｏ基ホイスラー合金とすることにより、ＰＣＡＲ法により測定されたスピン偏極率を従来にはない高いものとする。
【選択図】図５

Description

本発明は、Ｃｏ基ホイスラー合金に関し、より詳しくは、そのスピン偏極率の向上に関する。

強磁性金属／絶縁層／強磁性金属 あるいは 強磁性金属／非磁性金属層／強磁性金属の３層構造を持つ薄膜の面直方向磁気抵抗効果を利用した素子は、大容量磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)や高性能再生磁気ヘッド用として期待されている。高性能化のためには高い磁気抵抗変化率(TMR比あるいはGMR比)を実現させる必要がある。TMRは式１(非特許文献1)で、GMRは式２(非特許文献２)で表されるので、高いTMR及びGMR比を実現するにはスピン偏極率(P)の高い材料を上下の強磁性層に使う必要がある。
上記の文献における理論計算では状態密度の差でスピン偏極率を予測している。ところが、実際のTMRやGMRデバイスの強磁性電極として用いる高スピン偏極材料を探索するためには、第一原理による状態密度のスピン偏極率予測よりも、点接触アンドレーフ反射法（PCAR法）による伝導電子のスピン偏極率測定が適しているといえる。
しかし、コバルト基ホイスラー合金はハーフメタル材料(P=1)の候補として期待されているが、点接触アンドレーフ反射法（PCAR法）により測定されたスピン偏極率はいずれもハーフメタルの値（P=1）よりずっと低いP=0.6程度である。
＜式１＞

＜式２＞

ここでP₁P₂は上下の強磁性層のスピン偏極率
M. Julliere, Phys. Lett., 54A, (1976), 225-226 S.G. Tan et al, J. Appl.Phys., 101, 09J502 (2007). K. Ozdogan et al. Physical Review B, 74, 172412 (2006) FIG. 1 I. Galanakis et al., Appl. Phys. Lett., 89, 042502 (2006).

本発明では、このような実情に鑑み、PCAR法を用いて、従来にはない高いスピン偏極率を有するＣｏ基ホイスラー合金を提供することを目的とする。

本発明のＣｏ基ホイスラー合金は、組成式 Ｃｏ_２ＭｎＷ_１−ＸＧａ_Ｘ（ただし、0＜Ｘ＜1、Ｗ：Ｓｉ，Ｇｅ又はＳｎのいずれかの元素）であることを特徴とする。

スピン偏極率はフェルミレベル付近の↑スピンと↓スピンの状態の差で表されるので、↑スピンの状態を増加させることでスピン偏極率の増加が期待できる。本発明では、Co₂MnSnホイスラー合金のSnをGaで置換することにより、スピン偏極率がCo₂MnSnのP=0.6からCo₂MnSn_0.5Ga_0.5合金のP=0.72へと増加することを見出した。この値は現在までに報告されているホイスラー合金のスピン偏極率と比べて、非常に高い値である。非特許文献３の理論計算によると、Co₂MnGa合金のフェルミレベル付近の↑スピンの状態はCo₂MnSn合金のそれよりも大きい。従って、Co₂MnSn 合金のSnをGaで置換することによりフェルミレベル付近の↑スピンの状態が増加したことと高い規則度が実現できたためにスピン偏極率が増加したものと考えられる。
Co₂MnSnとCo₂MnGaのスピン偏極率が0.6、Co₂MnSn_0.5Ga_0.5合金のスピン偏極率が0.72であることは実験的に証明されている。Co₂MnSnのSnの価電子数はGaよりも１つ多いので、SnをGaで置換していくとフェルミレベルは低エネルギー側へとシフトする。Co₂MnGaのフェルミレベルより少し上に状態密度の山が存在するので、0＜Ｘ＜１の範囲ではスピン偏極率が0.6以上になることがわかる。
また非特許文献３によると、Co₂MnSiとCo₂MnGeのフェルミレベル付近の状態はCo₂MnSnに非常に似ており、かつ価電子数はCo₂MnSnと同じである。このことからCo₂MnSnのSnをSiやGeとしてもGaで置換することによりスピン偏極率が増加することがわかる。
本発明ではPCAR法を用いてCPP-GMR素子やTMR素子で伝導するであろうと予測される伝導電子のスピン偏極率を測定することにより、実用的により現実的なスピン偏極材料を探索した。これまでのPCAR法によるホイスラー合金の伝導電子のスピン偏極率の値は0.6程度であったのに、本発明で探索した合金では伝導電子の分極率が0.72と、従来のホイスラー合金に比較して、極めて高いスピン偏極を起こしていることが見いだされた。本発明ではこのような背景から、スピン偏極率が理論的に高いと予測されるCo基ホイスラー合金を作製し、それらの伝導電子のスピン偏極率をPCARによって直接測定し、伝導電子が高い偏極率を持つ材料を発明した。

本発明のＣｏ基ホイスラー合金をトンネル型磁気抵抗素子の上下電極として使用することにより、非特許文献１のTMR=2P₁P₂/1-P₁P₂および非特許文献２のGMRの抵抗変化率の式1、2より、高い磁気抵抗変化率(GMR比およびTMR比)が得られることは容易に類推できる。
非特許文献３ではCo₂MnZ合金においてZを様々な元素とすることによる、状態密度曲線の変化について示している。しかし、これらの合金では、PCAR法による伝導電子のスピン偏極率測定ではP=0.6と低い値であり、状態密度のスピン偏極率が理論的に高くても、実際には高い偏極度の伝導電子が磁気抵抗素子でえられないことが分かる。
ただし、下記実施例では、以下の理論でスピン偏極率の向上を図った物である。
スピン偏極率は、P=(D_↑-D_↓)/(D_↑+D_↓) （D_↑, D_↓はそれぞれフェルミエネルギーにおけるアップおよびダウンスピン電子の状態密度）によって定義される。ここからわかるようにD_↑の値を大きくすることによってもスピン偏極率を増加させることができる。Co₂MnSnのSnをGaで置換することによりフェルミレベル付近の↑スピンの状態を増加させるという発想で、スピン偏極率を0.73に増加させ、低いスピン偏極率という問題を克服した。
この理論は、単にCo₂MnSn合金に限ることではなく、非特許文献３のFig.1に記載の状態密度曲線の計算結果を持ってして、実験No.2の合金について、出発材のＣo₂MnSn合金を、Co₂MnGe合金、Co₂MnAl合金又はCo₂MnSi合金とし、このGe、Al、SiをGaに一部置換することにより、以下の実施例と同様にスピン偏極率を向上することとなることは容易に類推できる。非特許文献３のFig.1によるとCo₂MnGe合金、Co₂MnAl合金又はCo₂MnSi合金のいずれもフェルミレベル付近の状態密度曲線はCo₂MnSn合金と同様である。またGe、Al、Siの価電子数はGaよりも１つ多いためこれらをGaで置換していくとフェルミレベルはCo₂MnGaの状態密度の山に向かってシフトすることがわかる。ゆえに、Co₂MnGe合金、Co₂MnAl合金又はCo₂MnSi合金においてもGe、Al、SiをGaに一部置換することによりスピン偏極率が増加することがわかる。
非特許文献３のFig.1に記載の状態密度曲線の計算結果から、Co₂MnSn_1-xGa_xのｘの広い範囲で高いスピン偏極率が得られる。Co₂MnSnとCo₂MnGaのスピン偏極率が0.6、Co₂MnSn_0.5Ga_0.5合金のスピン偏極率が0.73であることは表に示すとおりである。Co₂MnSnのSnの価電子数はGaよりも１つ多いので、SnをGaで置換していくとフェルミレベルは低エネルギー側へとシフトする。
Co₂MnGaのフェルミレベルより少し上に状態密度の山が存在するので、0＜Ｘ＜１の範囲ではスピン偏極率が0.6以上になることがわかる。
具体的には、下記実施例からすれば、Ｘ＝０．１のとき及びＸ＝０．９のときは、いずれもスピン偏極率は0.62と予測できる。

各元素(Co,Mn,Ga,Sn)を所望の組成比になるように天秤を用いて秤量する。それを石英管に入れて高周波誘導炉にセットする。その後真空をひく。真空度が6×10^-4Pa以下になったら、高周波電源を入れ少しずつパワーをあげ、最終的に10Ａにセットする。合金が溶けて2分程度待ち、高周波電源を切る。室温まで冷ましたら炉から取り出す。サンプルはその後４００度１６８時間の熱処理を行う。Gaの置換量は、所望の組成になるように天秤を用いてSnとGaの秤量を行うことにより制御できる。
実験No.1ではＧａを実験No.3ではＳｎをそれぞれゼロにして上記のようにして創製した。

非特許文献４では、Co₂MnZ(Z=Si,Ge,Sn)においてMnをCrやFeで置換することによるスピン偏極率の変化について示している。それによると20%程度の置換では高いスピン偏極率が保たれることが記されている。我々は過去にCo₂MnSnのMnをFeで置換する実験を行った。得られたスピン偏極率は0.65であった。これはCo₂MnSnのスピン偏極率0.6と比較すると高い値ではあり、状態密度のハーフメタル性を反映しているものと考えられる。

伝導電子の高いスピン偏極率が実現できたことで、TMR(トンネル型磁気抵抗)素子、GMR(巨大磁気抵抗)素子、TMR素子を基本として構成される大容量MRAM(磁気ランダムアクセスメモリ)やHDDの再生ヘッドの高性能化が期待される。また、再構成可能なスピンMOSFETで必要とされる半導体へのスピン注入もMgOバリアとともに用いることで高効率なスピン注入が期待される。本発明の合金を電極として高いTMR値、GMR値を持つ素子を構成できれば、磁気記録システムの再生ヘッドとしての用途がある。

実験No.1に示す合金のX線回折パターン 実験No.2に示す合金のX線回折パターン 実験No.3に示す合金のX線回折パターン 実験No.1に示す合金のコンダクタンス曲線 実験No.2に示す合金のコンダクタンス曲線 実験No.3に示す合金のコンダクタンス曲線

Claims (1)

1. 組成式 Ｃｏ_２ＭｎＷ_１−ＸＧａ_Ｘ（ただし、0＜Ｘ＜1、Ｗ：Ｓｉ，Ｇｅ又はＳｎのいずれかの元素）であることを特徴とするＣｏ基ホイスラー合金。