JP2023178103A

JP2023178103A - 室温高スピン偏極のホイスラー合金、並びにこれを用いた膜面垂直電流巨大磁気抵抗素子、トンネル磁気抵抗素子、及びこれらを用いた磁気デバイス、並びにこれを用いた半導体スピン注入素子及びこれを用いた発光素子

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Publication number: JP2023178103A
Application number: JP2022091171A
Authority: JP
Inventors: イヴァンクルニアワン; Kurniawan Ivan; 良雄三浦; Yoshio Miura; 和博宝野; Kazuhiro Hono
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2022-06-03
Filing date: 2022-06-03
Publication date: 2023-12-14

Abstract

【課題】室温における高いスピン偏極率が保持されている室温高スピン偏極ホイスラー合金を提供すること。【解決手段】ホイスラー合金Ａ２ＢＣのＡサイトにＣｏ、ＢサイトにＭｎまたはＦｅ、ＣサイトにＡｓとＡｌまたはＡｓとＧａを配置し、室温においてスピン偏極率が７５％以上となるホイスラー合金。好ましくは、前記ホイスラー合金は、Ｃｏ２ＭｎＡｌｙＡｓ１－ｙ（ｙ＝０．１０～０．７０）、Ｃｏ２ＭｎＧａｙＡｓ１－ｙ（ｙ＝０．１０～０．７０）、Ｃｏ２ＦｅＡｌｙＳｎ１－ｙ（ｙ＝０．２０～０．９９）、又はＣｏ２ＦｅＧａｙＩｎ１－ｙ（ｙ＝０．００～０．９９）の組成である。【選択図】図１

Description

本発明は、室温高スピン偏極のホイスラー合金に関する。
また、本発明は、室温高スピン偏極のホイスラー合金を用いた膜面垂直電流巨大磁気抵抗素子、トンネル磁気抵抗素子、及びこれらを用いた磁気デバイスに関する。
更に、本発明は、室温高スピン偏極のホイスラー合金を用いた半導体スピン注入素子、及びこれを用いた発光素子に関する。

磁気抵抗素子は、高密度ハードディスクドライブの磁気ヘッド、高感度磁気センサー、およびスピントルク高周波発振器などの次世代高性能磁気デバイスを実現するために必要不可欠な技術である。膜面垂直電流型巨大磁気抵抗（ＣＰＰ－ＧＭＲ；ＣｕｒｒｅｎｔＰｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ－ｔｏ－ＰｌａｎｅＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子は強磁性層／非磁性スペーサ層／強磁性層の積層構造及びトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ；ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子は、強磁性層／非磁性絶縁体層／強磁性層の積層構造を有し、直径サブミクロン以下のサイズのピラー形状に加工することで作製されて、２つの強磁性層の相対的な磁化配置の変化（平行か反平行）に伴う磁気抵抗（ＭＲ；ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の変化によって機能を発現する。

特許文献１では、ＧＭＲ効果またはＴＭＲ効果に基づいて、ハードディスク・ドライブ上で高い記録密度（最大８ギガビット／ｃｍ^２）を達成することができる入手可能な材料として、半金属強磁性体であるホイスラー相を有する材料を提案している。「ホイスラー相」は、一般式Ｘ_２ＹＺを有する金属間化合物であり、結晶してＢｉＦ_２タイプの構造になる。
特許文献２では、磁気デバイスにおいて使用可能な磁気接合を提案する。その磁気接合は、ピンド層と、非磁性スペーサ層と、自由層とを含む。自由層及びピンド層のうち少なくとも一方は少なくとも一つの半金属を含むものであり、半金属は非常に高いスピン偏極（１００％近く）を有する強磁性体であり、一方のスピン配向において金属であり、他方のスピン配向において絶縁性である。スピン偏極（Ｐ）は、フェルミ準位における強磁性体のアップ（ダウン）スピンのパーセンテージからダウン（アップ）スピンのパーセンテージを引いたものとして定義可能である。

従来技術においては、特にＣＰＰ－ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子の性能指標となるＭＲ比（平行磁化の抵抗Ｒ_Ｐと反平行磁化の抵抗Ｒ_ＡＰの差の比、ＭＲ＝（Ｒ_ＡＰ－Ｒ_Ｐ）／Ｒ_Ｐ×１００）を向上させるため、高いバルクのスピン偏極率（Ｐ）を有するホイスラー合金が強磁性層の材料として用いられてきた。例えば、非特許文献１、２では、ホイスラー合金の極低温（絶対零度）での電子構造を元に、その高スピン偏極率が実証されていた。そして、ホイスラー合金Ｃｏ_２ＭｎＳｉと酸化マグネシウムＭｇＯを用いたＴＭＲ素子では、低温（４Ｋ）で最高２６００％のＭＲが得られている。
しかし、室温（３００Ｋ）付近では４００％と大きく下がってしまうことが問題となっている［非特許文献３参照］。ＣＰＰ－ＧＭＲ素子でも同様に低温と室温のＭＲ比の減少が大きいことが報告されている［非非特許文献４参照］。

特許第４２８５６３２号特開２０１３－２１３２８号

Ｉ．Ｇａｌａｎａｋｉｓ，ｅｔａｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ６６，１７４４２９（２００２）．Ｘ．Ｈｕ，ｅｔａｌ．，Ｊ．Ｐｈｙｓ．：Ｃｏｎｄｅｎｓ．Ｍａｔｔｅｒ３２，２０５９０１（２０２０）．Ｈ．Ｌｉｕ，ｅｔａｌ．，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４８（２０１５）１６４００１Ｙ．Ｓａｋｕｒａｂａｅｔａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０１，２５２４０８（２０１２）．

磁気抵抗素子は室温付近で動作すべきデバイスであるため、ＭＲ比の温度依存性はできる限り抑制する必要がある。他方で、ホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子やＣＰＰ－ＧＭＲ素子では、低温（４Ｋ）では非常に大きなＭＲ比（ＴＭＲ素子で１０００％、ＣＰＰ－ＧＭＲ素子で１００％）が得られているがデバイスの動作環境温度である室温（３００Ｋ）付近ではＭＲ比が大きく減少してしまう（ＴＭＲ素子で５００％以下、ＣＰＰ－ＧＭＲ素子で１００％以下になる）という課題がある。
この課題を解決するために、既存の高スピン偏極ホイスラー合金だけでなく、新たな材料系を探索する必要がある。

本発明はこのような課題を解決するもので、室温においてスピン偏極率が７５％以上となるホイスラー合金Ａ_２ＢＣを新たに提案する。特に、Ａ_２ＢＣのＡサイトにＣｏ、ＢサイトにＭｎまたはＦｅ、ＣサイトにＡｓとＡｌまたはＡｓとＧａを配置することにより広い組成範囲で室温においてスピン偏極率が７５％以上となる材料を提案した。
従来のホイスラー合金は、ＢサイトおよびＣサイトに２種類以上の元素を混晶させる場合は、周期表の隣り合う元素間の混晶（Ｆｅ－Ｍｎ、Ａｌ－Ｓｉ、Ｇａ－Ｇｅなど）が主であった。今回の提案ではホイスラー合金のＣサイトにおいて、Ａｓ－Ａｌ、Ａｓ－ＧａやＳｎ－Ａｌ、Ｉｎ－Ｇａなど広い組成範囲にわたる室温高スピン偏極材料を提案する。具体的にはＣｏ_２ＭｎＡｌ_ｙＡｓ_１－ｙ（ｙ＝０．１０～０．７０）、Ｃｏ_２ＭｎＧａ_ｙＡｓ_１－ｙ（ｙ＝０．１０～０．７０）、およびＣｏ_２ＦｅＡｌ_ｙＳｎ_１－ｙ（ｙ＝０．２０～０．９９）、Ｃｏ_２ＦｅＧａ_１－ｘＩｎ_１－ｙ（ｙ＝０．００～０．９９）の組成である。これらの材料をＴＭＲ素子やＣＰＰ－ＧＭＲ素子、および半導体へのスピン注入源として用いることで、デバイスの動作環境温度で高いスピン分極特性を得ることが可能となる。

本発明者は、有限温度でのスピン偏極率を機械学習と電子構造計算から予測すれば、室温付近で７５％以上のｓｐ状態のスピン偏極率を有する新たな材料候補の組成を探索できるのではないかと考えて、本発明を想到するに至った。具体的には、古典統計モデルの範囲内で有限温度におけるスピン揺らぎを平均場近似として取り入れた密度汎関数理論に基づく第一原理計算を実行し、室温付近でも高いスピン偏極率が維持される材料を計算により合理的に期待できる材料を探索して、本発明の室温高スピン偏極ホイスラー合金を想到するに至った。

〔１〕本発明の室温高スピン偏極ホイスラー合金は、例えば図５Ａに示すように、ホイスラー合金Ａ_２ＢＣのＡサイトにＣｏ、ＢサイトにＭｎ、ＣサイトにＡｓとＡｌまたはＡｓとＧａを配置し、若しくはホイスラー合金Ａ_２ＢＣのＡサイトにＣｏ、ＢサイトにＦｅ、ＣサイトにＡｌ及びＳｎまたはＧａ及びＩｎを配置し、室温においてスピン偏極率が７５％以上となるホイスラー合金である。
〔２〕本発明の室温高スピン偏極ホイスラー合金〔１〕において、好ましくは、前記ホイスラー合金は、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ_ｙＡｓ_１－ｙ（ｙ＝０．１０～０．７０）、又はＣｏ_２ＭｎＧａ_ｙＡｓ_１－ｙ（ｙ＝０．１０～０．７０）であるとよい。
〔３〕本発明の室温高スピン偏極ホイスラー合金〔１〕において、好ましくは、前記ホイスラー合金は、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_ｙＳｎ_１－ｙ（ｙ＝０．２０～０．９９）、又はＣｏ_２ＦｅＧａ_ｙＩｎ_１－ｙ（ｙ＝０．００～０．９９）の組成であるとよい。Ｃｏ_２ＦｅＧａ_ｙＩｎ_１－ｙについては、さらに好ましくは、（ｙ＝０．０１～０．９９）の組成であるとよく、最も好ましくは（ｙ＝０．１０～０．９０）の組成であるとよい。

〔４〕本発明の膜面垂直電流巨大磁気抵抗（ＣＰＰ－ＧＭＲ）素子は、例えば図６に示すように、〔１〕～〔３〕の何れかに記載のホイスラー合金が強磁性金属層として含まれるものである。
〔５〕本発明のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子は、例えば図７に示すように、〔１〕～〔３〕の何れかに記載のホイスラー合金が強磁性金属層として含まれるものである。
〔６〕本発明の磁気デバイスは、〔４〕に記載の膜面垂直電流巨大磁気抵抗（ＣＰＰ－ＧＭＲ）素子、又は〔５〕に記載のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を有するものである。

〔７〕本発明の半導体スピン注入素子は、例えば図８に示すように、〔１〕～〔３〕の何れかに記載のホイスラー合金が強磁性金属層として含まれるものである。
〔８〕本発明の発光素子は、〔７〕に記載の半導体スピン注入素子を有するものである。

本発明の室温高スピン偏極ホイスラー合金によれば、室温における高いスピン偏極率が保持されているので、ＴＭＲ素子やＣＰＰ－ＧＭＲ素子において、高いＭＲ比を室温付近で実現する強磁性電極材料となり得る。また、スピンフィルター素子としても応用できるため半導体へのスピン注入源としての応用も期待できる。

本発明の一実施例を示すＣｏ_２ＭｎＡｌ_ｙＡｓ_１－ｙにおける（Ａ）各組成ｙにおけるｓｐ状態のスピン偏極率Ｐ_ｓｐの温度依存性を示す図、（Ｂ）フェルミエネルギーＥ＝０（ｅＶ）付近のｓｐ状態の状態密度を示す図、（Ｃ）Ｐ_ｓｐのフェルミエネルギー付近でのエネルギー依存性を示す図である。本発明の一実施例を示すＣｏ_２ＭｎＧａ_ｙＡｓ_１－ｙにおける（Ａ）各組成ｙにおけるｓｐ状態のスピン偏極率Ｐ_ｓｐの温度依存性を示す図、（Ｂ）フェルミエネルギーＥ＝０（ｅＶ）付近のｓｐ状態の状態密度を示す図、（Ｃ）Ｐ_ｓｐのフェルミエネルギー付近でのエネルギー依存性を説明する図である。本発明の一実施例を示すＣｏ_２ＦｅＡｌ_ｙＳｎ_１－ｙにおける（Ａ）各組成ｙにおけるｓｐ状態のスピン偏極率Ｐ_ｓｐの温度依存性を示す図、（Ｂ）フェルミエネルギーＥ＝０（ｅＶ）付近のｓｐ状態の状態密度を示す図、（Ｃ）Ｐ_ｓｐのフェルミエネルギー付近でのエネルギー依存性を示す図である。本発明の一実施例を示すＣｏ_２ＦｅＧａ_ｙＩｎ_１－ｙにおける（Ａ）各組成ｙにおけるｓｐ状態のスピン偏極率Ｐ_ｓｐの温度依存性を示す図、（Ｂ）フェルミエネルギーＥ＝０（ｅＶ）付近のｓｐ状態の状態密度を示す図、（Ｃ）Ｐ_ｓｐのＦｅｒｍｉ準位付近でのエネルギー依存性を示す図である。本発明の一実施例において、ホイスラー合金の結晶構造と材料探索で考慮した元素の種類を説明する図である。本発明の一実施例である、機械学習の１つであるベイズ最適化の手順を示す機能ブロック図である。本発明の一実施例である、有限温度第一原理計算の模式図とスピン偏極率の定義を説明する図である。膜面垂直電流巨大磁気抵抗（ＣＰＰ－ＧＭＲ）素子１０の三層積層構造の説明図である。トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子２０の三層積層構造の説明図である。半導体スピン注入素子の積層構造の説明図で、（Ａ）は二層構造、（Ｂ）は三層構造を示している。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、詳細に説明する。
なお、範囲を示す『～』の上下限値に関しては、特に別段の表現を用いない限り、境界値を含むものとする。即ち、例えば『〇〇～△△』であれば、〇〇以上△△以下を表している。
実施例のシミュレーションは、密度汎関数理論における有効ポテンシャルによる電子の多重散乱の効果をグリーン関数によって取り入れた第一原理計算手法であるＫＫＲ（Ｋｏｒｉｇａ－Ｋｏｈｎ－Ｒｏｓｔｋｅｒ）法を用いて行った。ＫＫＲ法に関しては、以下の文献に説明があり、本明細書の記載として援用する。
［１］Ｊ．Ｋｏｒｒｉｎｇａ，ＯｎｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｏｆａＢｌｏｃｈｗａｖｅｉｎａｍｅｔａｌ，Ｐｈｙｓｉｃａ１３（１９４７）３９２-４００，ｄｏｉ：１０．１０１６／００３１－８９１４（４７）９００１３－Ｘ．
［２］Ｗ．Ｋｏｈｎ，Ｎ．Ｒｏｓｔｏｋｅｒ，Ｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｃｈｒoｄｉｎｇｅｒｅｑｕａｔｉｏｎｉｎｐｅｒｉｏｄｉｃｌａｔｔｉｃｅｓｗｉｔｈａｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｍｅｔａｌｌｉｃｌｉｔｈｉｕｍ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．９４（１９５４）１１１１-１１２０，ｄｏｉ：１０．１１０３／ＰｈｙｓＲｅｖ．９４．１１１１．
［３］Ｍ．Ｄａｎｅ，Ｍ．Ｌｕｄｅｒｓ，Ａ．Ｅｒｎｓｔ，Ｄ．Ｋｏｄｄｅｒｉｔｚｓｃｈ，Ｗ．Ｍ．Ｔｅｍｍｅｒｍａｎ，Ｚ．Ｓｚｏｔｅｋ，Ｗ．Ｈｅｒｇｅｒｔ，Ｓｅｌｆ－ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｉｎｍｕｌｔｉｐｌｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｔｈｅｏｒｙ：ａｐｐｌｉｃａ－ｔｉｏｎｔｏｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｅｔａｌｏｘｉｄｅｓ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｏｎｄｅｎｓ．Ｍａｔｔｅｒ．２１（２００９）０４５６０４，ｄｏｉ：１０．１０８８／０９５３－８９８４／２１／４／０４５６０４．
［４］赤井久純， “ Ｋｏｒｒｉｎｇａ-Ｋｏｈｎ-ＲｏｓｔｏｋｅｒＭｅｔｈｏｄ”（２０００年３月１７日），ｈｔｔｐ：／／ｋｋｒ．ｉｓｓｐ．ｕ－ｔｏｋｙｏ．ａｃ．ｊｐ／ｄｏｃｕｍｅｎｔ／ｋｋｒｎｏｔｅ．ｐｄｆ

Ｌ２_１構造のフルホイスラー合金Ａ_２ＢＣに対してＡサイトにＣｏ、ＢサイトにＭｎまたはＦｅ、ＣサイトにＡｓとＡｌ、ＡｓとＧａ、ＳｎとＡｌまたはＩｎとＧａを配置させて、その間の組成をＣＰＡ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ－Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ－Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）法によって一様に混ぜることで電子状態計算を実行した。格子定数はＣサイトで原子が混ざっていない組成での格子定数から線形補間によって中間組成での格子定数を決定した。ＣＰＡ法に関しては、以下の文献に説明があり、本明細書の記載として援用する。
［５］Ｐ．Ｓｏｖｅｎ，Ｃｏｈｅｒｅｎｔ－ＰｏｔｅｎｔｉａｌＭｏｄｅｌｏｆＳｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｌＤｉｓｏｒｄｅｒｅｄＡｌｌｏｙｓ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．１５６，（１９６７）８０９，ｄｏｉ：１０．１１０３／ＰｈｙｓＲｅｖ．１５６．８０９．
［６］ＦｕｍｉｋｏＹｏｎｅｚａｗａ，ＫａｚｕｏＭｏｒｉｇａｋｉ， “ＣｏｈｅｒｅｎｔＰｏｔｅｎｔｉａｌＡｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ．Ｂａｓｉｃｃｏｎｃｅｐｔｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，ＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓＳｕｐｐｌｅｍｅｎｔ，Ｖｏｌｕｍｅ５３，Ｊａｎｕａｒｙ１９７３，Ｐａｇｅｓ１-７６，ｄｏｉ：１０．１１４３／ＰＴＰＳ．５３．１
ＣＰＡ法に関しては、東京大学物性研究所を中核機関として実施している「計算物質科学ソフトウェアの開発技術の振興」に関連する、ソフトウェアが以下のホームページに開示されている。
ｈｔｔｐｓ：／／ｍａ．ｉｓｓｐ．ｕ－ｔｏｋｙｏ．ａｃ．ｊｐ／ａｐｐ－ｃａｔｅｇｏｒｙ／ａｌｇｏｒｉｔｈｍ１１？ａｐｏ＝２＆ｏｒｄｅｒ＝ＡＳＣ

また、交換相関項にはＬＳＤＡ（Ｌｏｃａｌｓｐｉｎｄｅｎｓｉｔｙａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）法を用いた。ｋ点数は第一ブリュアンゾーン内に８０００点を考慮した。ＬＳＤＡ法に関しては、以下の文献に説明があり、本明細書の記載として援用する。
［７］Ｊ．Ｐ．ＰｅｒｄｅｗａｎｄＹ．Ｗａｎｇ，Ａｃｃｕｒａｔｅａｎｄｓｉｍｐｌｅａｎａｌｙｔｉｃｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎ－ｇａｓｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ４５，（１９９２）１３２４４，ｄｏｉ：１０．１１０３／ＰｈｙｓＲｅｖＢ．４５．１３２４４．

また、有限温度の計算は、ＤＬＭ（ＤｉｓｏｒｄｅｒｅｄＬｏｃａｌＭｏｍｅｎｔ）法を用いて行った。ＤＬＭ法では古典統計力学に基づいて、各温度で自由エネルギーを最小にする内部磁場をセルフコンシステントに決定し、内部磁場と温度を平均場近似で対応づけることで有限温度での電子構造を決定する。ＤＬＭ法に関しては、以下の文献に説明があり、本明細書の記載として援用する。
［８］Ｂ．Ｌ．Ｇｙｏｒｆｆｙ，Ａ．Ｊ．Ｐｉｎｄｏｒ，Ｊ．Ｓｔａｕｎｔｏｎ，Ｇ．Ｍ．Ｓｔｏｃｋｓ，Ｈ．Ｗｉｎｔｅｒ，Ａｆｉｒｓｔ－ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｔｈｅｏｒｙｏｆｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｐｈａｓｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓｉｎｍｅｔａｌｓ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．ＦＭｅｔ．Ｐｈｙｓ．１５（１９８５）１３３７-１３８６，ｄｏｉ：１０．１０８８／０３０５－４６０８／１５／６／０１８．
［９］Ｍ．Ｌｅｚａｉｃ，Ｐｈ．Ｍａｖｒｏｐｏｕｌｏｓ，Ｊ．Ｅｎｋｏｖａａｒａ，Ｇ．Ｂｉｈｌｍａｙｅｒ，Ｓ．Ｂｌｕｇｅｌ，Ｔｈｅｒｍａｌｃｏｌ－ｌａｐｓｅｏｆｓｐｉｎｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｉｎｈａｌｆ－ｍｅｔａｌｌｉｃｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｓ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９７（２００６）０２６４０４，ｄｏｉ：１０．１１０３／ＰｈｙｓＲｅｖＬｅｔｔ．９７．０２６４０４．
［１０］Ｊ．Ｄ．Ａｌｄｏｕｓ，Ｃ．Ｗ．Ｂｕｒｒｏｗｓ，Ａ．Ｍ．Ｓａｎｃｈｅｚ，Ｒ．Ｂｅａｎｌａｎｄ，Ｉ．Ｍａｓｋｅｒｙ，Ｍ．Ｋ．Ｂｒａｄｌｅｙ，Ｍ．ｄｏｓＳａｎｔｏｓＤｉａｓ，Ｊ．Ｂ．Ｓｔａｕｎｔｏｎ，Ｇ．Ｒ．Ｂｅｌｌ，ＣｕｂｉｃＭｎＳｂ，Ｅｐｉｔａｘｉａｌｇｒｏｗｔｈｏｆａｐｒｅｄｉｃｔｅｄｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｈａｌｆ－ｍｅｔａｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．８５（２０１２）０６０４０３，ｄｏｉ：１０．１１０３／ＰｈｙｓＲｅｖＢ．８５．０６０４０３．

次に、図５Ａ～Ｃを用いて本発明の一実施例におけるシミュレーション手順を説明する。図５Ａは、本発明の一実施例において、ホイスラー合金の結晶構造と材料探索で考慮した元素の種類を説明する図である。図５Ａの結晶構造を持つホイスラー合金は、Ａ_２（Ｂ_ｙＢ’_１－ｙ）（Ｃ_ｘＣ'_１－ｘ）（Ａ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｒｈ）、（Ｂ、Ｂ’＝Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ）、（Ｃ、Ｃ’＝Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ）である。

図５Ｂは、本発明の一実施例である、機械学習の１つであるベイズ最適化の手順を示す機能ブロック図である。ランダムに選択した初期候補合金５０、高スピン偏極材料モデル部５２、スピン偏極率演算部５４、予測候補合金５６を備えている。
ランダムに選択した初期候補合金５０としては、図５Ａの結晶構造を持つホイスラー合金Ａ_２（Ｂ_ｙＢ’_１－ｙ）（Ｃ_ｘＣ’_１－ｘ）（Ａ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｒｈ）、（Ｂ、Ｂ’＝Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ）、（Ｃ、Ｃ’＝Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ）、（ｙ＝０．０～１．０、０．２刻み）、（ｘ＝０．０～１．０、０．２刻み）を対象としている。候補材料組成の総数は７３４４０個である。

高スピン偏極材料モデル部５２は、スピン偏極率演算部５４で演算対象となる合金組成を一時記憶すると共に、ベイズ最適化によって解析する機能を有する。
スピン偏極率演算部５４は、有限温度第一原理計算を用いて、スピン偏極率Ｐ_ｓｐを演算するもので、例えば次の式を用いている。
ここで、Ｄは状態密度で、↑は多数スピン状態、↓は少数スピン状態を意味する。ｈは温度Ｔと対応する内部磁場を示している。
予測候補合金５６では、高スピン偏極材料モデル部５２の合金組成に対して、スピン偏極率演算部５４で予測された合金組成を一時記憶すると共に、高スピン偏極材料モデル部５２の合金組成に対してベイズ最適化により、最終的な予測合金組成として記憶している。

図５Ｃは、本発明の一実施例である、スピン偏極率の定義を説明する図で、ワイス場ｈを示している。図５Ｃにおいて、Ｔ_ｃは強磁性転移温度（Ｋ）である。温度Ｔが絶対零度と等しい極低温状態では、各原子のスピンは揃っているので、ワイス場ｈは高い値を有している。他方、温度Ｔが強磁性転移温度（Ｋ）とほぼ等しい高温状態では、各原子のスピンは区々となっているので、ワイス場ｈは低い値を有している。温度Ｔが絶対零度と強磁性転移温度（Ｋ）の間の温度領域では、各原子のスピン方向は例えば１０°～３０°の範囲で大略揃っているものの、厳密には区々の方向となっているので、ワイス場ｈは中間の値を有している。

このように構成された装置においては、高スピン偏極材料モデル部５２では、ランダムに選択した初期候補合金５０からスピン偏極率演算部５４でスピン偏極率Ｐ_ｓｐを演算して、予測候補合金５６に一旦格納する。そして、予測候補合金５６を高スピン偏極材料モデル部５２に帰還入力して、スピン偏極率演算部５４でのスピン偏極率Ｐ_ｓｐを演算結果が収束するまで、予測候補合金５６の合金組成の予測を繰り返す。
具体的なベイズ最適化の演算では、まず、ランダムに初期物質の組成を２０個選び、それらの候補材料に対して有限温度第一原理計算を行う。得られた結果をベイズ最適化によって解析することにより、次の候補物質の組成を２０個導出する。そして、それらの候補材料に対して同様に有限温度第一原理計算を行う。以上の手順を繰り返すことにより、室温付近でより高いスピン偏極率を有するホイスラー合金を探索する。

次の実施例では、磁気抵抗効果を最も反映すると考えられている各原子軌道ｓ軌道およびｐ軌道（ｓｐ）状態に対するフェルミエネルギーでのスピン偏極率Ｐ_ｓｐを計算し、高スピン偏極材料として有望な材料の判定を行っている。ここでフェルミエネルギーは電子の最高占有準位のエネルギーで、そのエネルギーでの電子構造が実際の電流に寄与する。

図１は、有望な材料候補のなかから、特にＣｏ_２Ｍｎ_１Ａｌ_ｙＡｓ_１－ｙのスピン偏極率の温度依存性と状態密度、およびスピン偏極率のエネルギー依存性を示している。組成範囲ｙ＝０．１０～０．７０に対して室温３００Ｋ付近で７５％以上の高いｓｐ状態のスピン偏極率が得られている。

図２は、有望な材料候補のなかから、特にＣｏ_２ＭｎＧａ_ｙＡｓ_１－ｙのスピン偏極率の温度依存性と状態密度、およびスピン偏極率のエネルギー依存性を示している。組成範囲ｙ＝０．１０～０．７０に対して室温３００Ｋ付近で７５％以上の高いｓｐ状態のスピン偏極率が得られている。

図３は、有望な材料候補のなかから、特にＣｏ_２ＦｅＡｌ_ｙＳｎ_１－ｙのスピン偏極率の温度依存性と状態密度、およびスピン偏極率のエネルギー依存性を示している。組成範囲ｙ＝０．２０～０．９９に対して室温３００Ｋ付近で７５％以上の高いｓｐ状態のスピン偏極率が得られている。

図４は、有望な材料候補のなかから、特にＣｏ_２ＦｅＧａ_ｙＩｎ_１－ｙのスピン偏極率の温度依存性と状態密度、およびスピン偏極率のエネルギー依存性を示している。組成範囲ｙ＝０．００～０．９９に対して室温３００Ｋ付近で７５％以上の高いｓｐ状態のスピン偏極率が得られている。

続いて、本発明の室温高スピン偏極のホイスラー合金を用いた膜面垂直電流巨大磁気抵抗素子、トンネル磁気抵抗素子、及びこれらを用いた磁気デバイスについて説明する。
図６は、膜面垂直電流巨大磁気抵抗（ＣＰＰ－ＧＭＲ）素子１０の三層積層構造の説明図である。
膜面垂直電流巨大磁気抵抗（ＣＰＰ－ＧＭＲ）素子１０は、強磁性金属１１、非磁性金属１２、及び強磁性金属１３の三層構造になっている。強磁性金属１１、１３には、本願発明のホイスラー合金（Ｃｏ_２ＭｎＡｌＡｓ，Ｃｏ_２ＭｎＧａＡｓ，Ｃｏ_２ＦｅＧａＩｎ，Ｃｏ_２ＦｅＡｌＳｎ）が用いられる。非磁性金属１２は、Ａｇ，Ｃｕ，Ｃｒ及びそれらの合金などが用いられる。
膜面垂直電流巨大磁気抵抗（ＣＰＰ－ＧＭＲ）素子１０は、強磁性金属１１がピンド層磁化を有するピンド層として作用し、非磁性金属１２が非磁性スペーサ層として作用し、強磁性金属１３は磁化容易軸を有する自由層とを備える磁気接合を有する磁気デバイスとして使用される。
このように構成された磁気接合を有する磁気デバイスにおいては、前記磁気接合が、書き込み電流が前記磁気接合に流された際に前記自由層が複数の安定磁気状態の間でスイッチング可能であるように構成されている。

図７は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子２０の三層積層構造の説明図である。
トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子２０は、強磁性金属２１、非磁性絶縁体２２、及び強磁性金属２３の三層構造になっている。強磁性金属２１、２３には、本願発明のホイスラー合金（Ｃｏ_２ＭｎＡｌＡｓ，Ｃｏ_２ＭｎＧａＡｓ，Ｃｏ_２ＦｅＧａＩｎ，Ｃｏ_２ＦｅＡｌＳｎ）が用いられる。非磁性絶縁体２２には、ＭｇＯ，ＭｇＡｌ_２Ｏ_４などが用いられる。
膜面垂直電流巨大磁気抵抗（ＣＰＰ－ＧＭＲ）素子１０と、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子２０は、磁気センサー又は磁気メモリに使用される。

次に、本発明の室温高スピン偏極のホイスラー合金を用いた半導体スピン注入素子、及びこれを用いた発光素子について説明する。
図８は、半導体スピン注入素子の積層構造の説明図で、（Ａ）は二層構造、（Ｂ）は三層構造を示している。二層構造の半導体スピン注入素子３０は、強磁性金属３１、非磁性半導体３２の二層構造になっている。三層構造の半導体スピン注入素子３５は、強磁性金属３６、非磁性絶縁体３７、及び非磁性半導体３８の三層構造になっている。強磁性金属３１、３６には、本願発明のホイスラー合金（Ｃｏ_２ＭｎＡｌＡｓ，Ｃｏ_２ＭｎＧａＡｓ，Ｃｏ_２ＦｅＧａＩｎ，Ｃｏ_２ＦｅＡｌＳｎ）が用いられる。非磁性絶縁体３７には、ＭｇＯ，ＭｇＡｌ_２Ｏ_４などが用いられる。非磁性半導体３２、３８には、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，Ｓｉ，Ｇｅなどが用いられる。
半導体スピン注入素子３０、３５は、円偏光半導体レーザのような発光素子に使用される。

なお、膜面垂直電流巨大磁気抵抗（ＣＰＰ－ＧＭＲ）素子、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子の磁気デバイスへの使用や、半導体スピン注入素子の発光素子への使用に関しては、以下の文献に説明があり、本明細書の記載として援用する。
［１１］周逸凱、朝日一、『半導体ナノスピントロニクス・デバイス』、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．Ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．１２，（２００６）

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

５０初期候補合金
５２高スピン偏極材料モデル部（ベイズ最適化）
５４スピン偏極率演算部
５６予測候補合金

Claims

ホイスラー合金Ａ_２ＢＣのＡサイトにＣｏ、ＢサイトにＭｎ、ＣサイトにＡｓ及びＡｌまたはＡｓ及びＧａを配置し、若しくはホイスラー合金Ａ_２ＢＣのＡサイトにＣｏ、ＢサイトにＦｅ、ＣサイトにＡｌ及びＳｎまたはＧａ及びＩｎを配置し、
室温においてスピン偏極率が７５％以上となるホイスラー合金。
前記ホイスラー合金は、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ_ｙＡｓ_１－ｙ（ｙ＝０．１０～０．７０）、又はＣｏ_２ＭｎＧａ_ｙＡｓ_１－ｙ（ｙ＝０．１０～０．７０）である請求項１に記載のホイスラー合金。
前記ホイスラー合金は、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_ｙＳｎ_１－ｙ（ｙ＝０．２０～０．９９）、又はＣｏ_２ＦｅＧａ_ｙＩｎ_１－ｙ（ｙ＝０．００～０．９９）の組成である請求項１に記載のホイスラー合金。
請求項１乃至３の何れかに記載のホイスラー合金が強磁性金属層として含まれる、膜面垂直電流巨大磁気抵抗（ＣＰＰ－ＧＭＲ）素子。
請求項１乃至３の何れかに記載のホイスラー合金が強磁性金属層として含まれる、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
請求項４に記載の膜面垂直電流巨大磁気抵抗（ＣＰＰ－ＧＭＲ）素子、又は請求項５に記載のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を有する磁気デバイス。
請求項１乃至３の何れかに記載のホイスラー合金が強磁性金属層として含まれる、半導体スピン注入素子。
請求項７に記載の半導体スピン注入素子を有する発光素子。