JP2019145560A - 磁性材料および磁性素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】キュリー温度がより高い磁性材料が実現できるようにする。【解決手段】この磁性材料は、Ｓｒ3-xＡxＯｓ1-yＢyＯ6（−０．５≦ｘ≦０．５，−０．５≦ｙ≦０．５，Ａ：アルカリ金属またはアルカリ土類金属原子、Ｂ:遷移金属原子，アルカリ金属原子，またはアルカリ土類金属原子）からなり、強磁性またはフェリ磁性を有するダブルペロブスカイト構造の絶縁体から構成されている。絶縁体は、ｘ＝ｙ＝０としたＳｒ3ＯｓＯ6であればよい。Ｓｒ3ＯｓＯ6は、ストロンチウム原子１０１、オスミウム原子１０２、酸素原子１０３が、格子点に配置された立方晶系の結晶構造とされている【選択図】 図１
Description
本発明は、強磁性またはフェリ磁性を有する磁性材料およびこの磁性材料を用いた磁性素子に関する。
強磁性またはフェリ磁性を有する絶縁体である磁性材料（以降では強磁性絶縁体と称する）は、強磁性金属に比べ比抵抗が大きいという特徴を持ち、永久磁石、磁心材料、アイソレーターやサーキュレーターなど幅広い応用先がある。上述した強磁性絶縁体の代表的な特性（物性値）としては、キュリー温度（ＴC）、初透磁率、相対損失係数、飽和磁束密度、保磁力などがあげられる。特にＴCは、強磁性（またはフェリ磁性）の性質を失い常磁性となる温度であり、ＴCが高いほど熱安定性が高く、高温まで安定な動作特性が得られる。
また、ペロブスカイト構造またはダブルペロブスカイト構造を有する強磁性絶縁体は、代表的な酸化物エレクトロニクス材料であるＳｒＴｉＯ3（ペロブスカイト構造）との整合性が高いため、酸化物を利用したスピンエレクトロニクス応用[磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）やスピンＭＯＳＦＥＴなど]へ向けて有望である（非特許文献１）。
表１に既存の代表的な強磁性絶縁体のＴC、飽和磁化、結晶形を示す（非特許文献２）。従来の最高のＴCは、スピネル型構造を有するＬｉＦｅ5Ｏ8における９４３Ｋである。また、ダブルペロブスカイト構造を有する強磁性絶縁体としては、Ｓｒ2ＣｒＯｓＯ6におけるＴC＝７２５Ｋが最高値である。
S. Sugahara, and M. Tanaka, "A spin metal-oxide-semiconductor field-effect transistor using half-metallic-ferromagnet contacts for the source and drain", Applied Physics Letters, vol. 84, no. 13, pp. 2307-2309, 2004.
P. D. BABA, et al., "Fabrication and Properties of Microwave Lithium Ferrites", IEEE Transactions on Magnetics, vol. MAG-8, no. 1, pp. 83-94, 1972.
しかしながら、上述した従来の強磁性絶縁体では、スピントロニクスデバイスとして、高い熱安定性を備えるために要求されている値より、キュリー温度が低いという問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、キュリー温度がより高い磁性材料が実現できるようにすることを目的とする。
本発明に係る磁性材料は、Ｓｒ3-xＡxＯｓ1-yＢyＯ6（−０．５≦ｘ≦０．５，−０．５≦ｙ≦０．５，Ａ：アルカリ金属またはアルカリ土類金属原子、Ｂ:遷移金属原子，アルカリ金属原子，またはアルカリ土類金属原子）からなり、強磁性またはフェリ磁性を有するダブルペロブスカイト構造の絶縁体から構成され、Ｓｒの原子組成百分率が２５〜３５ａｔ％とされている。
上記磁性材料において、絶縁体は、Ｓｒ3ＯｓＯ6から構成されている。
上記磁性材料において、絶縁体は、立方晶系の結晶構造とされている。
本発明に係る磁性素子は、上述した強磁性材料からなる磁性層と、磁性層を挟んで形成された第１電極および第２電極とを備える。
以上説明したように、本発明によれば、Ｓｒ3-xＡxＯｓ1-yＢyＯ6からなる絶縁体を用いるようにしたので、キュリー温度がより高い磁性材料が実現できるという優れた効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態おける磁性材料について説明する。この磁性材料は、Ｓｒ3-xＡxＯｓ1-yＢyＯ6（−０．５≦ｘ≦０．５，−０．５≦ｙ≦０．５，Ａ：アルカリ金属またはアルカリ土類金属原子、Ｂ:遷移金属原子，アルカリ金属原子，またはアルカリ土類金属原子）からなり、強磁性またはフェリ磁性を有するダブルペロブスカイト構造の絶縁体から構成されている。また、この磁性材料は、Ｓｒの原子組成百分率が２５〜３５ａｔ％とされている。ここで、上述した絶縁体は、ｘ＝ｙ＝０としたＳｒ3ＯｓＯ6であればよい。
また、実施の形態における磁性体を構成するＳｒ3ＯｓＯ6は、図１に示すように、ストロンチウム原子１０１、オスミウム原子１０２、酸素原子１０３が、格子点の配置された立方晶系の結晶構造とされている。最も簡単な組成であるＳｒ3ＯｓＯ6から構成した磁性材料は、３構成元素（Ｓｒ，Ｏｓ，Ｏ）のみから作製可能なため、表１に記載した従来の４元素から構成されるダブルペロブスカイト構造の強磁性絶縁体に比べ、組成を制御しやすいという利点も持つ。Ｓｒ3ＯｓＯ6から構成した実施の形態における磁性材料は、キュリー温度ＴC＝１０６０Ｋである。なお、立方晶系に限らず、斜方晶形（直方晶系）、正方晶系であってもよい。
以下、実験の結果を用いてより詳細に説明する。
まず、実験では、Ｓｒ3ＯｓＯ6による磁性材料を作製した。図２に示すように、成長のためのＳｒＴｉＯ3（００１）からなる成長基板２０１の上に、よく知られた分子線エピタキシー法によりＳｒ3ＯｓＯ6を成長し、磁性材料層２０２を形成した。なお、成長基板は、ＭｇＯ（００１）、（Ｌａ0.3Ｓｒ0.7）（Ａｌ0.65Ｔａ0.35）Ｏ3（００１）などの材料を用いてもよい。
分子線エピタキシーによる磁性材料層２０２の形成では、超高真空とした処理槽内で、基板温度６５０℃の条件で、アルカリ土類金属Ｓｒ、５ｄ遷移金属Ｏｓの原子線を所定の組成比となるように１０-6Ｔｏｒｒ程度の活性酸素雰囲気下で供給することによりＳｒ3ＯｓＯ6を成長した。磁性材料層２０２は、層厚３００ｎｍに形成した。
作製した磁性材料層２０２について、高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ）により観察した結果（顕微鏡像）について、図３を用いて説明する。図３の（ａ）は、磁性材料層２０２に、［１００］方向から電子線を入射して取得した像である。また、図３の（ｂ）は、磁性材料層２０２に、［１１０］方向から電子線を入射して取得した像である。
図３に示すように、磁性材料層２０２は、ＳｒとＯｓ原子が高秩序に配列しており、立方晶のダブルペロブスカイト型構造を有する単結晶であることがわかる。酸素原子の配列は、環状明視野走査透過顕微鏡（ＡＢＦ−ＳＴＥＭ）像によって確かめられた。また、作製した磁性材料層２０２が、立方晶のダブルペロブスカイト構造を有していることは、分子線エピタキシー装置内における真空一貫での反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）測定、分子線エピタキシー装置外の大気中でのＸ線回折（ＸＲＤ）θ−２θ測定からも確かめられた。
図４に、成長基板２０１と磁性材料層２０２との界面における透過型電子顕微鏡像を示す。磁性材料層２０２が、成長基板２０１からエピタキシャルに単結晶成長していることが分かる。磁性材料層２０２と成長基板２０１の結晶方位関係は、Ｓｒ3ＯｓＯ6[００１]//ＳｒＴｉＯ3[００１]ならびにＳｒ3ＯｓＯ6［１００］／／ＳｒＴｉＯ3［１００］である。
図５に２０００Ｏｅの磁場中における磁性材料層２０２の磁化の温度依存性を示す。１０００Ｋにおいても５ｅｍｕ／ｃｃ以上の磁化が残っており、１０００Ｋ以上のＴCを有している。また、磁性材料層２０２の１．９Ｋにおける７００００Ｏｅ磁場中での飽和磁化は４９ｅｍｕ／ｃｃであり、表１に示した代表的な強磁性絶縁体（またはフェリ磁性絶縁体）と比較して小さな値を持つ。磁性材料層２０２の１．９Ｋにおける保磁力は１００Ｏｅであった。また、磁性材料層２０２の自発磁化は、７００Ｋにおいて消失した。なお、磁性材料層２０２の各元素の組成は、原子組成百分率のずれが±５％以内であれば１０００Ｋ以上の高いＴCが得られる。
図６に磁性材料層２０２の比抵抗（ρ）の温度依存性を示す。室温付近の３００Ｋにおいて、比抵抗は７５Ωｃｍであり、比抵抗は温度低下と共に指数関数的に上昇する典型的な絶縁体の電気特性を有している。この結果よりわかるように、磁性材料層２０２は、室温において１０Ωｃｍ以上の高い比抵抗を持つ絶縁体である。なお、比抵抗と温度（Ｔ）はＩｎ（ρ）∝Ｔ-1/4の関係を持っていることから、電気伝導は、バリアブルレンジホッピング（Variable-Range-Hopping）により起こっている。
ところで、上述では、Ｓｒ3ＯｓＯ6を例にして説明したが、Ｓｒの一部をアルカリ原子またはアルカリ土類原子（Ａ）で置換したＳｒ3-XＡXＯｓＯ6においても、−０．５＜Ｘ＜０．５の範囲であれば、１０００Ｋ以上の高いＴCが得られる。また、Ｏｓの一部を遷移金属原子（Ｂ）で置換したＳｒ3-XＡXＯｓ1-YＢYＯ6においても、−０．５＜Ｙ＜０．５の範囲であれば、１０００Ｋ以上の高いＴCが得られる。このように、磁性材料は、Ｓｒ3-xＡxＯｓ1-yＢyＯ6（−０．５≦ｘ≦０．５，−０．５≦ｙ≦０．５，Ａ：アルカリ金属またはアルカリ土類金属原子、Ｂ:遷移金属原子，アルカリ金属原子，またはアルカリ土類金属原子）からなるダブルペロブスカイト構造の絶縁体から構成されていれば、上述同様に、１０００Ｋ以上の高いＴCが得られるものと考えられる。
なお、Ｓｒ3ＯｓＯ6の特性は、成長方法に依存しない。例えば、スパッタリングやパルスレーザーアブレーションを用いて磁性材料の層を形成しても同様の結果が得られる。
このような１０００Ｋ以上のＴCを持つ強磁性絶縁体の報告例はなく、今回初めて合成されたものである。本発明により、熱安定性の良い強磁性絶縁体を用いたデバイス応用が可能になる。
次に、本発明の実施の形態における磁性素子について図７を参照して説明する。この磁性素子は、上述した強磁性材料からなる磁性層３０１と、磁性層３０１を挟んで形成された第１電極３０２および第２電極３０３とを備える。この磁性素子は、例えば、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子である。第１電極３０２は、例えば、Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ3のような導電性の酸化物基板である。また、第２電極３０３は、例えば、ＦｅやＣｏのような強磁性金属から構成すればよい。第２電極３０３は、スパッタ法、電子ビーム蒸着法などの成膜法により作製すればよい。第２電極３０３は、厚さ２０−３０ｎｍ程度に形成すればよい。作製した磁性素子に５ｍＶの電圧を印加した際のトンネル磁気抵抗比は、室温（３００Ｋ）において５００％以上であり、磁性材料層２０２を用いた磁性素子は、非常に大きなトンネル磁気抵抗比を示す。
以上に説明したように、本発明によれば、Ｓｒ3-xＡxＯｓ1-yＢyＯ6（−０．５≦ｘ≦０．５，−０．５≦ｙ≦０．５，Ａ：アルカリ金属またはアルカリ土類金属原子、Ｂ:遷移金属原子，アルカリ金属原子，またはアルカリ土類金属原子）から磁性材料を構成したので、キュリー温度がより高い磁性材料が実現できる。
極めて高いＴC（すべての酸化物および絶縁体において最高値）を持つ本発明の磁性材料は、熱安定性が良く、高温での動作にも耐えうる。また、この磁性材料を用いることで、熱安定性が良く、高温での動作にも耐えうる磁性素子が作製できる。
また、Ｓｒ3ＯｓＯ6から構成した磁性材料は、飽和磁化が４９ｅｍｕ／ｃｃと小さいため、磁性材料からの漏洩磁場は小さく、この磁性材料を用いた磁性素子を高集積化した際の素子間の磁気的干渉が低減される。また、小さな飽和磁化は、低消費電力でのスピン注入磁化反転を可能にする。
また、本発明の磁性材料は、例えば、酸化物基板の上に単結晶エピタキシャル成長させることが容易であり、酸化物を用いた他の電子素子と非常に整合性の高い材料である。また、例えば、Ｓｒ3ＯｓＯ6からなる磁性材料による磁性層を用いたＴＭＲ素子は、室温において５００％以上の大きな磁気抵抗比が得られ、上述した各特徴とあわせて、スピンエレクトロニクス素子として非常に有望である。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
１０１…ストロンチウム原子、１０２…オスミウム原子、１０３…酸素原子、２０１…成長基板、２０２…磁性材料層、３０１…磁性層、３０２…第１電極、３０３…第２電極。
Claims (4)
- Ｓｒ3-xＡxＯｓ1-yＢyＯ6（−０．５≦ｘ≦０．５，−０．５≦ｙ≦０．５，Ａ：アルカリ金属またはアルカリ土類金属原子、Ｂ:遷移金属原子，アルカリ金属原子，またはアルカリ土類金属原子）からなり、強磁性またはフェリ磁性を有するダブルペロブスカイト構造の絶縁体から構成され、
Ｓｒの原子組成百分率が２５〜３５ａｔ％とされている
ことを特徴とする磁性材料。 - 請求項１記載の磁性材料において、
前記絶縁体は、Ｓｒ3ＯｓＯ6から構成されていることを特徴とする磁性材料。 - 請求項１または２記載の磁性材料において、
前記絶縁体は、立方晶系の結晶構造とされていることを特徴とする磁性材料。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の強磁性材料からなる磁性層と、
前記磁性層を挟んで形成された第１電極および第２電極と
を備えることを特徴とする磁性素子。
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