JP2012104758A

JP2012104758A - スピン偏極率制御方法

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Publication number: JP2012104758A
Application number: JP2010254150A
Authority: JP
Inventors: Tomoyasu Taniyama; 智康谷山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-05-31

Abstract

【課題】従来物質固有の特性として取り扱われてきたスピン偏極率を制御する手法とその素子構造を提案し、従来にない新しい機能性デバイスの基本要素技術を提供する。
【解決手段】強誘電体（Ａ）層上に、該強誘電体（Ａ）と格子不整合率が８％以下である強磁性体（Ｂ）層をヘテロ接合してなり、該強誘電体（Ａ）に電圧を印加させて、強誘電体（Ａ）と強磁性体（Ｂ）の接合界面に生じる歪みにより、強磁性体（Ｂ）のスピン偏極率を変化させることを特徴とする強磁性体のスピン偏極率制御方法。
【選択図】図１

Description

本発明は強磁性体のスピン偏極率制御方法およびそれによるスピン偏極率可変スピン源に関する。

従来、磁性材料のスピン偏極率は物質固有の性質であり、その固有の性質を利用することで新しい機能性を創出する技術が一般的であった。例えば、ハードディスク用ヘッドに用いられている磁気抵抗素子（巨大磁気抵抗（GMR）素子、トンネル磁気抵抗（TMR）素子）はそれを利用したものであり、その信号レベルを向上させるためにスピン偏極率の高い材料等が有効であり、スピン偏極率の大きな材料の開発が現在も精力的に進められている。一方で、強誘電体の分極方向によりスピン偏極率が変化したことが報告されている（非特許文献１）。

V. Garcia, et al., Science 327, 1106 (2010).

物質のスピン偏極率は、スピンに依存した電子状態（状態密度）に基づいて定義される。そのため、スピン依存状態密度を何らかの手法で制御することができれば、スピン偏極率の制御が可能であることを意味している。本発明は、物質に格子歪みを誘起することで電子状態を変化させることが可能であることに着眼して見出されたものである。

本発明は、磁性薄膜と強誘電体と接合させることにより、結果として生じる界面歪みを用いて磁性薄膜のスピン偏極率を制御する方法を提案するものである。

本発明では、従来物質固有の特性として取り扱われてきたスピン偏極率を制御する手法とその素子構造を提案することで、従来にない新しい機能性デバイスの基本要素技術を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の発明を提供する。
（１）強誘電体（Ａ）層上に、該強誘電体（Ａ）と格子不整合率が８％以下である強磁性体（Ｂ）層をヘテロ接合してなり、該強誘電体（Ａ）に電圧を印加させて、強誘電体（Ａ）と強磁性体（Ｂ）の接合界面に生じる歪みにより、強磁性体（Ｂ）のスピン偏極率を変化させることを特徴とする強磁性体のスピン偏極率制御方法。
（２）強誘電体（Ａ）層上に、該強誘電体（Ａ）と格子不整合率が８％以下である強磁性体（Ｂ）層をヘテロ接合してなり、強誘電体（Ａ）の構造相転移温度において、強誘電体（Ａ）層と強磁性体（Ｂ）の接合界面に生じる歪みにより強磁性体（Ｂ）薄膜のスピン偏極率を変化させることを特徴とする強磁性体のスピン偏極率制御方法。
（３）さらにスピン偏極率の検出部を設けてなる上記（１）または（２）に記載の強磁性体のスピン偏極率制御方法。
（４）スピン偏極率の検出部が、強磁性体（Ｂ）層上に、非磁性体（Ｃ）層、ついで強磁性体（Ｄ）層を積層して得られる、該強磁性体（Ｂ）層、非磁性体（Ｃ）層、および強磁性体（Ｄ）層からなる磁気抵抗層を用いる磁気抵抗効果を検出の手段とし、強磁性体（Ｄ）は強磁性体（Ｂ）と同一であってもよい、上記（３）に記載の強磁性体のスピン偏極率制御方法。
（５）強誘電体（Ａ）がペロブスカイト型強誘電体である上記（１）〜（４）のいずれかに記載の強磁性体のスピン偏極率制御方法。
（６）強磁性体（Ｂ）および強磁性体（Ｄ）が金属または導電性金属酸化物である上記（１）〜（５）のいずれかに記載の強磁性体のスピン偏極率制御方法。
（７）非磁性体（Ｃ）が金属または絶縁性酸化物である上記（１）〜（６）のいずれかに記載の強磁性体のスピン偏極率制御方法。
（８）格子不整合率が５％以下である上記（１）〜（７）のいずれかに記載の強磁性体のスピン偏極率制御方法。
（９）強誘電体（Ａ）層上に、該強誘電体（Ａ）と格子不整合率が８％以下である強磁性体（Ｂ）層をヘテロ接合してなり、かつ強誘電体（Ａ）と強磁性体（Ｂ）の接合界面に生じる歪みにより生じる、強磁性体（Ｂ）のスピン偏極率の変化を検出するためのスピン偏極率の検出部を備えたスピン偏極率可変スピン源。

本発明によれば、スピン偏極率を電圧制御可能であることから、省電力動作可能なスピン偏極制御技術を開発するための基本要素技術へ展開され、新しいスピン機能素子へ展開され得る。

本発明の磁気抵抗素子構造の１つの例を示す模式図。磁気抵抗比の温度依存性の１つの例を示す図。

本発明の強磁性体のスピン偏極率制御方法においては、強誘電体（Ａ）層上に、該強誘電体（Ａ）と格子不整合率が８％以下である強磁性体（Ｂ）層をヘテロ接合してなり、該強誘電体（Ａ）に電圧を印加させて、強誘電体（Ａ）と強磁性体（Ｂ）の接合界面に生じる歪みにより、強磁性体（Ｂ）のスピン偏極率を変化させる。

さらに、本発明の強磁性体のスピン偏極率制御方法においては、強誘電体（Ａ）層上に、該強誘電体（Ａ）と格子不整合率が８％以下である強磁性体（Ｂ）層をヘテロ接合してなり、強誘電体（Ａ）の構造相転移温度において、強誘電体（Ａ）と強磁性体（Ｂ）の接合界面に生じる歪みにより強磁性体（Ｂ）のスピン偏極率を変化させる。

強誘電体（Ａ）としては、特に制限されないが、ペロブスカイト型強誘電体であるのが好適であり、たとえばチタン酸バリウム（BaTiO₃）、チタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr，Ti)O₃）、等が好適に使用され、Ｃａ等で一部置換されていてもよい。

これらの強誘電体（Ａ）は、たとえば厚さ２００μｍ〜１ｍｍ程度の基板を用いてもよいし、異種基板上に、常法により、たとえば厚さ１００〜５００ｎｍ程度の薄膜を形成して用いることもできる。

強磁性体（Ｂ）としては、金属、導電性金属酸化物が挙げられ、たとえばＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ、Ｇｄ等の金属もしくはそれらの金属の少なくとも1種を含む合金、またはフェライト、マンガン酸化物等の導電性金属酸化物が挙げられる。強磁性体（Ｂ）は、厚さが２〜１０ｎｍ程度から選ばれるのが好適である。

本発明のスピン偏極率制御方法においては、さらにスピン偏極率の検出部を設けてなるのが好適である。その検出部におけるスピン偏極率の検出手段としては、円偏光度を検出する光学的検出手段、偏極率の変化を電流または電圧信号で検出する電気的検出手段等が挙げられるが、好適には、その検出部におけるスピン偏極率の検出手段として、強磁性体（Ｂ）層上に、非磁性体（Ｃ）層、ついで強磁性体（Ｄ）層を積層して得られる、該強磁性体（Ｂ）層、非磁性体（Ｃ）層、および強磁性体（Ｄ）層からなる磁気抵抗層を用いる、磁気抵抗効果による検出手段が挙げられる。

非磁性体（Ｃ）としては、Ｃｕ，Ｃｒ等の金属、ＭｇＯ，Ａｌ_２Ｏ_３等の絶縁性酸化物が好適であり、その厚さは、１〜１５ｎｍ程度から選ばれるのが好適である。

強磁性体（Ｄ）は、強磁性体（Ｂ）と同一であってもよいが、厚さは２０〜３０ｎｍ程度から選ばれるのが好適である。

磁気抵抗層は、上記の３層に限定されるものではなく、強磁性体（Ｂ）、非磁性体（Ｃ）、および強磁性体（Ｄ）上に、さらに非磁性体（非磁性体（Ｂ）と同じであってもよい）、ついで強磁性体（強磁性体（Ｂ）または（Ｄ）と同じであってもよい）の薄膜を一度以上繰り返して、含むものであってもよい（すなわち、５層、７層等の多層構造）。

強誘電体（Ａ）層と界面を形成する強磁性体（Ｂ）は、強誘電体（Ａ）と格子不整合率が８％以下、好ましくは格子不整合率が５％以下、さらに好ましくは２％以下である。この格子不整合率を採用することにより、強誘電体（Ａ）層上に強磁性体（Ｂ）を好適にエピタキシャル成長させることができる。たとえば、強誘電体（Ａ）としてBaTiO₃ (001)を用いる場合、格子不整合率4.1%以下の強磁性体（Ｂ）を用いて、300℃において好適にエピタキシャル成長し得る。また、強磁性層として磁性酸化物（フェライト、Fe₃O_４）を選択した場合には、格子不整合率が5.1%のBaTiO₃ (001)に対してもエピタキシャル成長することができる。

本発明は、上記の説明から明らかなように、強誘電体（Ａ）層上に、該強誘電体（Ａ）と格子不整合率が８％以下である強磁性体（Ｂ）層をヘテロ接合してなり、かつ強誘電体（Ａ）と強磁性体（Ｂ）の接合界面に生じる歪みにより生じる、強磁性体（Ｂ）のスピン偏極率の変化を検出するためのスピン偏極率の検出部を備えたスピン偏極率可変スピン源をさらに提供する。本発明の強磁性体のスピン偏極率制御方法においては、このような、スピン偏極率を変動させ得る可変スピン源が上記のように好適に使用される。

以上のように、本発明は、格子歪みによって物質のスピン偏極率を制御する方法とそれを検出するための素子構造から構成される。特に歪みを誘起させるための材料として強誘電体を利用していることから、電圧によって連続的に制御可能なスピン偏極率の制御手法になりうる。具体的には、たとえば本発明によりスピン偏極率を制御された電子スピンを半導体層に注入し得るので、スピントランジスタ等に有効に適用し得る。

実施例１
本例の磁気抵抗素子は、Fe薄膜/Cu薄膜/Fe薄膜/BaTiO₃ (001)構造からなり、スピン偏極率の制御部分としてのFe薄膜/BaTiO₃ (001)界面とスピン偏極率の検出部分としてのFe薄膜/Cu薄膜/Fe薄膜巨大磁気抵抗3層構造とからなる（図1）。以下にその素子構造の作製方法を示す。

初期真空度5×10^-10 Torrの超高真空分子線エピタキシー（MBE）装置を用いて、厚さ５００μｍの単結晶BaTiO₃ (001)基板上に膜厚8nmのFe薄膜、膜厚12nmのCu薄膜、膜厚25nmのFe薄膜の3層巨大磁気抵抗構造をMBE成長させた。その上に膜厚5nmのAu薄膜を酸化防止膜として成膜した。いずれも成膜は室温で行った。

作製した3層巨大磁気抵抗構造を電子線リソグラフィー（クレステック社製、CABL-9200TFTK）およびリフトオフ法により細線幅0.6μmの細線に微細加工した。電子線レジストにはZEP-520A（日本ゼオン社製）、リフトオフ液には「ZDMAC」（日本ゼオン社製）を用いた。

作製した3層巨大磁気抵抗細線構造に電気抵抗測定用のCu端子を上記と同様に電子線リソグラフィーおよびリフトオフ法により形成した。電圧測定用端子間の距離は40μmであった。

作製した3層巨大磁気抵抗細線構造の磁気抵抗を細線方向面内磁場±0.1T、温度320Kから150Kの範囲で直流4端子法により測定した。得られた磁気抵抗（MR）比（MR比=(R_p-R₀)/R₀×100、ここで、R₀、R_pは磁化飽和状態における電気抵抗値、磁気抵抗曲線の電気抵抗のピーク値をそれぞれ表す）を温度に対してプロットした結果が図2となる。MR比は、磁界方向を変化させたときの電気抵抗変化率であり、その値が大きいほど、磁界変化を鋭敏に検出し得ることになる。

図２の磁気抵抗の温度依存性において、280Kおよび180Kで飛びが観測される。この飛びが観測される温度は、それぞれBaTiO₃ (001)基板が正方晶相から斜方晶相、斜方晶相から菱面体晶相に構造相転移する温度に対応しており、この温度でFe/BaTiO₃ (001)界面を通して近接するFe層に歪みが生じる。以上の結果は、接合界面の歪みによりFe層のスピン偏極率が変化したことで磁気抵抗が変化したことを意味しており、圧電材料でもある強誘電体材料を用いることで、スピン偏極率を電圧制御可能であることを意味している。

Claims

強誘電体（Ａ）層上に、該強誘電体（Ａ）と格子不整合率が８％以下である強磁性体（Ｂ）層をヘテロ接合してなり、該強誘電体（Ａ）に電圧を印加させて、強誘電体（Ａ）と強磁性体（Ｂ）の接合界面に生じる歪みにより、強磁性体（Ｂ）のスピン偏極率を変化させることを特徴とする強磁性体のスピン偏極率制御方法。
強誘電体（Ａ）層上に、該強誘電体（Ａ）と格子不整合率が８％以下である強磁性体（Ｂ）層をヘテロ接合してなり、強誘電体（Ａ）の構造相転移温度において、強誘電体（Ａ）層と強磁性体（Ｂ）の接合界面に生じる歪みにより強磁性体（Ｂ）のスピン偏極率を変化させることを特徴とする強磁性体のスピン偏極率制御方法。
さらにスピン偏極率の検出部を設けてなる請求項１または２に記載の強磁性体のスピン偏極率制御方法。
スピン偏極率の検出部が、強磁性体（Ｂ）層上に、非磁性体（Ｃ）層、ついで強磁性体（Ｄ）層を積層して得られる、該強磁性体（Ｂ）層、非磁性体（Ｃ）層、および強磁性体（Ｄ）層からなる磁気抵抗層を用いる磁気抵抗効果を検出の手段とし、強磁性体（Ｄ）は強磁性体（Ｂ）と同一であってもよい、請求項３に記載の強磁性体のスピン偏極率制御方法。
強誘電体（Ａ）がペロブスカイト型強誘電体である請求項１〜４のいずれかに記載の強磁性体のスピン偏極率制御方法。
強磁性体（Ｂ）および強磁性体（Ｄ）が金属または導電性金属酸化物である請求項１〜５のいずれかに記載の強磁性体のスピン偏極率制御方法。
非磁性体（Ｃ）が金属または絶縁性酸化物である請求項１〜６のいずれかに記載の強磁性体のスピン偏極率制御方法。
格子不整合率が５％以下である請求項１〜７のいずれかに記載の強磁性体のスピン偏極率制御方法。
強誘電体（Ａ）層上に、該強誘電体（Ａ）と格子不整合率が８％以下である強磁性体（Ｂ）層をヘテロ接合してなり、かつ強誘電体（Ａ）と強磁性体（Ｂ）の接合界面に生じる歪みにより生じる、強磁性体（Ｂ）のスピン偏極率の変化を検出するためのスピン偏極率の検出部を備えたスピン偏極率可変スピン源。