JP2013058666A - 電圧駆動型電磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】室温付近で電圧によりキュリー温度を変化させることができ、かつ大きな磁化、即ち大きな磁界を発生させることが可能な電圧駆動型電磁石を提供する。
【解決手段】鉄、コバルト、ニッケルのうちのいずれか、もしくはこれらのうち少なくとも一つを含む合金からなる強磁性金属薄膜層１２と、前記強磁性金属薄膜層１２の片側に積層された絶縁層２０と、前記絶縁層２０の、前記強磁性金属薄膜層１２とは反対側に設けられたゲート電極３０と、前記強磁性金属薄膜層１２と前記ゲート電極３０の間に電圧を印加する電圧印加部４０とを備える電圧駆動型電磁石を提供する。また、強磁性金属薄膜層１２内の磁化を特定の方向に配向させる下地層１３と、配向させた強磁性金属薄膜層１２内の磁化の方向を維持させるキャップ層１１を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、電圧駆動型電磁石に関する。特に、室温付近で動作させることができる電圧駆動型電磁石に関する。

電磁石は、身の回りの幅広い分野で用いられている。例えば、ハードディスク、磁気テープなどへのデータ書き込みに使用する磁気ヘッド、モーター、電磁リレーやブザー、スピーカーなどがある。通常、電磁石では、コイルに電流を流すことにより磁界を発生させる。そのため、電磁石を動作させるためには電力が消費される。電力を消費することなく動作する電磁石として超伝導電磁石が知られているが、これは極低温で動作させなければならない。そこで、電圧を印加することにより磁気特性を変化させて磁界を発生させる材料や方法の研究が進められている。

従来、電圧を印加することにより磁気特性を変化させる材料や方法として、以下のようなものが提案されてきた。
特許文献１には、強磁性−常磁性の転移温度であるキュリー温度が100K以下であるGd₂Se₃等の強磁性半導体に電圧を印加して、キュリー温度を変化させることが記載されている。
非特許文献１には、強磁性半導体である(In,Mn)Asに絶縁膜を介してゲート電圧を印加して、温度22.5Kでキュリー温度を変化させることが記載されている。
非特許文献２には、イオンを含んだ液体を、半導体的な性質を持つ(Ti,Co)O₂等の強磁性酸化物上に塗布して電気二重層キャパシタを形成し、ゲート電圧を印加して室温付近で磁性を制御することが記載されている。
非特許文献３には、イオンを含んだ液体を鉄や白金やパラジウムの合金磁石上に塗布して電気二重層キャパシタを形成し、電圧を印加することによって、合金磁石の磁化を反転させるために必要な磁界（反転磁界）を室温付近で変化させることが記載されている。
非特許文献４には、ゲート電圧を印加して、鉄の磁化容易方向を室温付近で変化させることが記載されている。

米国特許3,271,709号公報

H. Ohno, D. Chiba, F. Matsukura, T. Omiya, E. Abe, T. Dietl, Y. Ohno, and K. Ohtani: "Electric field control of ferromagnetism", Nature 408, p. 944, 2000. Y. Yamada, K. Ueno, T. Fukumura, H. T. Yuan, H. Shimotani, Y. Iwasa, L. Gu, S. Tsukimoto, Y. Ikuhara, M. Kawasaki: "Electrically Induced Ferromagnetism at Room Temperature in Cobalt-Doped Titanium Dioxide", Science 332, p. 1065, 2011. M. Weisheit, S. Fahler, A. Marty, Y. Souche, C. Poinsignon, D. Givord: "Electric Field-Induced Modification of Magnetism in Thin-Film Ferromagnets", Science 315, p. 349, 2007. T. Maruyama, Y. Shiota, T. Nozaki, K. Ohta, N. Toda, M. Mizuguchi, A. A. Tulapurkar, T. Shinjo, M. Shiraishi, S. Mizukami, Y. Ando and Y. Suzuki: "Large voltage-induced magnetic anisotropy change in a few atomic layers of iron", Nature Nanotechnology 4, p. 158, 2009. Arrott, A: "Criterion for ferromagnetism from observations of magnetic isotherms", Phys. Rev. 108, pp. 1394-1395, 1957. Schuneider C. M. et al.: "Curie temperature of ultrathin films of fcc-cobalt epitaxially grown on atomically flat Cu(100) surfaces", Phys. Rev. Lett. 64, pp. 1059-1062, 1990. Huang, F., Mankey, G. J., Kief, M. T., Willis R. F.: "Finite-size scaling behavior of ferromagnetic thin films", J. Appl. Phys. 73, pp. 6760-6762, 1993. Onsager, L.: "Crystal Statistics. I. A Two-Dimensional Model with an Order-Disorder Transition", Phys. Rev. 65, pp. 117-148, 1944 Bramwell, S. T., Holdsworth, P. C. W.: "Magnetization and universal sub-critical behaviour in two-dimensional XY magnets", J. Phys.,; Cond. Matter 5, pp. L53-L59, 1993.

特許文献１、非特許文献１、及び非特許文献２によれば、電圧の印加により強磁性体のキュリー温度を変化させることができる。しかし、これらに記載の強磁性半導体や強磁性酸化物は、強磁性元素、あるいは合金化して強磁性を発現させる元素であるマンガンを、半導体や酸化物に数％程度導入したものであるため、得られる磁化が小さい。
非特許文献２及び非特許文献３に記載の材料は、イオンを含む液体を磁石の上に塗布して電気二重層を形成するものであり、イオン移動の遅さに起因して動作速度が遅くなる、液体を用いるためにデバイス化が難しい、などの問題がある。
さらに、非特許文献３及び非特許文献４には、電圧の印加により強磁性金属の磁化方向を制御することができると記載されているが、キュリー温度や磁化の大きさを変化させるとの記載はない。

本発明が解決しようとする課題は、電圧を印加してキュリー温度を室温付近で変化させることができ、かつ大きな磁化、すなわち大きな磁界を発生させることが可能な電圧駆動型電磁石を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る電圧駆動型電磁石は、
a) 鉄、コバルト、もしくはニッケル、又はこれらのうち少なくとも一つを含む合金からなる強磁性金属層と、
b) 前記強磁性金属層の片側に積層された絶縁層と、
c) 前記絶縁層の、前記強磁性金属層とは反対側に設けられたゲート電極と、
d) 前記強磁性金属層と前記ゲート電極の間に電圧を印加する電圧印加部と
を備えることを特徴とする。

本発明に係る電圧駆動型電磁石の動作について、図面を参照して説明する。
本発明に係る電圧駆動型電磁石１は、概略的には図１に示すように、強磁性金属層２、絶縁層３、及びゲート電極層４、並びに絶縁層３を介して強磁性金属層２に正負の電圧V_Gを印加する電圧印加部５から構成される。電圧印加部５からゲート電極４を介して正負の電圧V_Gを強磁性金属層２に印加することにより、図２に示すように強磁性金属層２のキュリー温度Tcを、それよりも低い温度T'c-や高い温度T'c+に変化させることができる。
また、キュリー温度Tcよりも低い温度Tで印加電圧V_Gの大きさ（及び/又は正負の極性）を変化させることにより、金属層の磁化の大きさ（及び/又は向き）を変化させることができる。
さらに、大きな電圧V_Gを印加してキュリー温度を室温Tよりも低い温度T''c-に下げ、強磁性金属層を強磁性−常磁性間で相転移させることにより、磁化のOn/Offをスイッチングすることもできる。
本発明に係る電圧駆動型電磁石では、強磁性金属層に鉄、コバルト、もしくはニッケル、又はこれらのうち少なくとも一つを含む合金を用いるため、強磁性半導体や強磁性酸化物に比べて大きな磁界を発生させることができる。

前記強磁性金属層は厚さが20nm以下の薄膜であることが望ましい。
ゲート電圧V_Gの印加によりキュリー温度Tcを変化させる効果は、金属層表面ほど大きい。従って、強磁性金属層を20nm以下の薄膜にすることにより、小さなゲート電圧V_Gでキュリー温度Tcを大きく変化させることができる。

本発明に係る電圧駆動型電磁石は、更に
e) 前記強磁性金属層の、前記絶縁層とは反対側に、該強磁性金属層内の磁化方向を該強磁性金属層の表面に対して平行な方向、又は該強磁性金属層の表面に対して垂直な方向に配向させる下地層
を備えてもよい。
また、本発明に係る電圧駆動型電磁石は、
f) 前記強磁性金属層と前記絶縁層の間に、電気絶縁性を有する補助絶縁層
を備えてもよい。

一般に金属は、その層を形成する際にその金属の原子配列が下地層の影響を受ける。本発明においても、使用する磁性金属に応じて下地層の材料を適切に選択することにより、金属層内の原子を所定の方向に配列させて磁化方向を制御することができる。
例えば、強磁性金属層がコバルトである場合、下地層として白金を用い、その上に強磁性金属層を積層すると、面心立方格子の(111)面が層の表面となるようにコバルト原子を最密で配列させて、コバルト層内の磁化を層表面に対して垂直な方向に配向させることができる。また、補助絶縁層は、強磁性金属層の表面が大気に直接曝されるのを防ぐ必要がある場合に適宜設ければよい。補助絶縁層を設けると、絶縁層とともに、強磁性層に電圧を印加する際の誘電体として機能させることができる。

本発明に係る電圧駆動型電磁石では、強磁性金属材料を使用し、これに電圧を印加することでキュリー温度を室温付近で変化させ、かつ大きな磁化、すなわち大きな磁界を発生させることができる。本願発明に係る電圧駆動型電磁石で使用する遷移金属強磁性体やそれらの合金では、従来技術で用いられている強磁性半導体や強磁性酸化物(磁束密度にして0.01〜0.1テスラ)に対して、1〜2桁大きい磁化(0.5〜2テスラ)を得ることができる。
また、本発明に係る電圧駆動型電磁石は液体を用いないため、容易にデバイス化することができる。

本発明に係る電圧駆動型電磁石の概念図。 本発明に係る電圧駆動型電磁石の特性について説明する図。 本発明に係る電圧駆動型電磁石の一実施例における積層構造を説明する図。 本発明に係る電圧駆動型電磁石の一実施例の概略構成を説明する図。 本発明に係る電圧駆動型電磁石の一実施例のホール抵抗測定結果を示す図。 本発明に係る電圧駆動型電磁石の一実施例のホール抵抗測定結果から得られた磁化の温度依存性を示す図。 本発明に係る電圧駆動型電磁石の一実施例の印加電圧とキュリー温度の関係を示す図。

以下に、本発明に係る電圧駆動型電磁石の一実施例について説明する。
Co薄膜層１２を強磁性金属層とする２種類の試料（試料１、試料２）を作製した。試料１、試料２共に、Co薄膜層１２の上方にキャップ層（補助絶縁層）としてMgO層１１、下方に下地層としてPt層１３、接合層としてTa層１４を積層した（図３）。積層構造１０の構成は、上方から順にMgO層１１(厚さ2nm), Co層１２(厚さ0.4nm), Pt層１３, Ta層１４（厚さ3nm）である。Co薄膜層内の磁化を該薄膜層の表面に垂直な方向に配向させるPt層１３の厚さは、試料１では1.04nm、試料２では1.10nmとした。これら各層はスパッタリングによりGaAs基板１５上に成膜した。磁化測定により、本実施例の試料１、試料２でも、Co薄膜層内の磁化が室温で垂直方向に磁化容易軸を有していること、即ち、Pt層１３（下地層）上に積層されたCo薄膜層１２内の磁化が薄膜表面に対して垂直な方向に配向していることを確認した。

次に、本実施例に係る電圧駆動型電磁石の磁化状態を検出するために、上記した試料１、試料２の電子輸送マイクロデバイスを以下のように作製した（図４）。
まず、試料をホールバー形状に加工し、チャネルをHfO₂絶縁膜２０(厚さ50nm)でカバーした。そして、Au/Crゲート電極３０をその上に加工し、電子輸送マイクロデバイスを作製した。なお、図４には、電流及び磁界を併せて示しているが、これらは後述する測定を行うためのものであり、電圧駆動型電磁石の要素ではない。

上記のようにして作製した試料１、試料２の電子輸送マイクロデバイス内のCo層１２の磁化状態を、異常ホール効果を用いて測定した。異常ホール効果とは、ホール抵抗(R_Hall)が磁化(M)に比例して観測される一種のホール効果である。測定は、図４に示すように、チャネルに20μAの電流を印加し、ゲート電圧V_Gを印加しながら行った。磁界は積層層表面に対して垂直な方向にヘルムホルツコイルによって印加した。印加したゲート電圧V_Gは±10Vである。

室温付近の温度で試料１(Pt:1.04nm)、試料２(Pt:1.10nm)のホール抵抗測定を行った結果を図５に示す。試料１は286.8K（低温）及び304.5K（高温）で、試料２は310K（低温）及び321K（高温）で、それぞれ測定した。図５中のt_Ptは下地層のPtの膜厚である。この結果から、低温（図５(a), 図５(c)）では±10Vの電圧印加によって保磁力が大きく変化し、高温（図５(b), 図５(d)）では±10Vの電圧印加によってスクウェアなヒステリシス(+10V)と常磁性的なカーブ(-10V)の両方を得られることが確認された。換言すれば、試料１は304.5Kで、試料２は321Kで、それぞれ電圧印加により強磁性−常磁性の相転移を制御できることが確認された。

次に、非特許文献５に記載のArrottプロット（M² vs H/Mプロット）という手法を用いて自発磁化（M_S）の大きさを決定した。図６(a)及び図６(b)は、R_Hall∝Mという関係を用いて、試料１及び試料２の自発ホール抵抗R^S _Hallの温度依存性をまとめた結果である。これらの結果から、試料１、試料２のいずれにおいても、正の電圧V_Gを印加することによってキュリー温度T_Cを上昇させ、負の電圧V_Gを印加することによってキュリー温度T_Cを下降させることができることが分かる。図７に印加電圧V_Gとキュリー温度T_Cの関係を示す。図７から、試料１、試料２ともに、電圧印加によって強磁性−常磁性相転移を室温付近で制御できることが確認された。

本測定では、素子が小さいため、ゲート絶縁膜を介したリーク電流は測定ができないほどに小さかった。そのため、別途、約4mm角の試料上にHfO₂絶縁膜を載せてゲート電極を配置したキャパシタンス構造を作製してリーク電流を測定したところ、5nA/cm²程度であることが分かった。従って、本発明に係る電圧駆動型電磁石を用いると、従来の電流駆動型電磁石に比べて飛躍的に消費電力を低減できるといえる。

強磁性遷移金属においては、バルクの合金による各種実験や第一原理計算により、原子１個当たりの電子数が変化するとTcが変化することが分かっている。本実施例においては、電圧V_Gの印加によりCoの電子数が増減したため、Tcが変化したものと考えられる。従って、上記実施例で用いたCo薄膜以外に、他の強磁性金属であるFeやNi、又はCo、Fe、Niのうち少なくとも一つと他の元素（Pt, Nd, B等）からなる合金を用いても、電圧V_Gの印加により原子１個当たりの電子数を変化させて、上記実施例と同様の作用効果を得ることができる。

上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜変更や修正を行うことが可能である。

上記実施例では、強磁性金属層を0.4nmの薄膜とし、そのキュリー温度Tcを室温付近まで低下させた。しかし、これよりも厚みがあり、キュリー温度Tcが室温よりも高い強磁性金属層を使用し、上記実施例よりも大きな電圧を印加して、キュリー温度を室温よりも低い温度まで低下させても良い。この場合も上記実施例と同様に、強磁性金属層を強磁性−常磁性間で相転移させて磁化のOn/Offをスイッチングすることができる。
また、電圧を印加することにより、キュリー温度Tcを室温よりもわずかに高い温度まで低下させるようにしても良い。例えば、図６(b)に示すように、上記実施例の試料２に対して電圧±10Vを印加すると、温度T'において図中のΔに相当する大きさの磁化を変化させることができる。

１…電圧駆動型電磁石
２…強磁性金属層
３, ２０…絶縁層
４, ３０…ゲート電極
５, ５０…電圧印加部
１１…キャップ層（MgO層）
１２…強磁性金属薄膜層（Co層）
１３…下地層（Pt層）
１４…接合層（Ta層）
１５…基板（GaAs基板）

Claims (4)

1. a) 鉄、コバルト、もしくはニッケル、又はこれらのうち少なくとも一つを含む合金からなる強磁性金属層と、
   b) 前記強磁性金属層の片側に積層された絶縁層と、
   c) 前記絶縁層の、前記強磁性金属層とは反対側に設けられたゲート電極と、
   d) 前記強磁性金属層と前記ゲート電極の間に電圧を印加する電圧印加部と
   を備えることを特徴とする電圧駆動型電磁石。
2. 前記強磁性金属層が厚さ20nm以下の薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の電圧駆動型電磁石。
3. e) 前記強磁性金属層の、前記絶縁層とは反対側に、該強磁性金属層内の磁化方向を該強磁性金属層の表面に対して平行な方向、又は該強磁性金属層の表面に対して垂直な方向に配向させる下地層
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電圧駆動型電磁石。
4. f) 前記強磁性金属層と前記絶縁層の間に、電気絶縁性を有する補助絶縁層
   を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電圧駆動型電磁石。