JP3012902B2 - 光誘起相転移を用いたスイッチング素子及びメモリー素子 - Google Patents

光誘起相転移を用いたスイッチング素子及びメモリー素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、反強磁性絶縁体か
ら強磁性金属への相転移をを利用したスイッチング素子
およびメモリー素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】最近、銅酸化物における高温超伝導の発
見以来、遷移金属酸化物のスピンチャージ結合動力学に
注目が集まるようになり、その一つとして、負の巨大磁
気抵抗現象を示すペロブスカイト型マンガン酸化物材料
に対する研究が行われるようになった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
でに負の巨大磁気抵抗効果効果を示すペロブスカイト型
酸化物系材料としては、例えばPr1-xCaxMnO3
Pr1-x(Ca,Sr)xMnO3 ,Nd0.5Sr0.5Mn
3 (Physical Review Letter
s,第71巻,第2331ページ、Applied P
hysics Letters,第63巻,第1990
ページ、Science,第264巻,第413ペー
ジ)など多数知られているが、いずれにしても、それら
の負の巨大磁気抵抗現象はとりもなおさず外部磁場の印
加によって起きる絶縁体から金属への相転移であった。
【0004】本発明は、このような絶縁体から金属への
相転移を、磁場の印加以外の他の方法によって誘起でき
ないかを探索し、従来技術では見いだされていなかった
方法による絶縁体から金属への相転移を見いだすことを
目的としてなされたものである。
【0005】その結果、ペロブスカイト型酸化物系材料
においてレーザー等の光を照射する方法によっても、絶
縁体から金属への相転移が誘起されうることが初めて見
いだされたものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は従来の課題を解
決するものであり、化学式Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 で表
されるぺロブスカイト型マンガン酸化物材料における、
光によって誘起される反強磁性絶縁体から強磁性金属へ
の相転移を用いて光スイッチング素子を構成した、こと
を特徴とする光誘起相転移を用いたスイッチング素子を
提供するものである。
【0007】また、本発明は、化学式Pr 0.7 Ca 0.3
nO 3 で表されるぺロブスカイト型マンガン酸化物材料
における、光によって誘起される反強磁性絶縁体から強
磁性金属への相転移を用いて光メモリー素子を構成し
た、ことを特徴とする光相転移を用いたメモリー素子を
提供するものである。
【0008】
【発明の実施の形態】本願の発明者は、化学式R1-xx
MnO3 (R:希土類イオン、A:アルカリ土類イオ
ン)で表されるぺロブスカイト型マンガン酸化物系結晶
体について種々研究を重ね、このマンガン酸化物系結晶
体において、パルスレーザー光を照射することによって
反強磁性絶縁体から強磁性金属への相転移(以下、「絶
縁体金属転移」という)が起きることを発見するに至っ
た。
【0009】すなわち、本発明は、ペロブスカイト型酸
化物系材料において光を照射することによって金属状態
が誘起されることを初めて見いだしたものである。
【0010】そして、反強磁性絶縁体化したペロブスカ
イト型マンガン酸化物系結晶体は、例えば次のようにし
て製造することができる。
【0011】まず、通常のセラミック(焼結体)の製造
方法に従い、Pr等の希土類イオン、Ca,Sr等のア
ルカリ土類イオン、およびMnを酸化物、または酸化物
に交換可能な化合物の形で粉末状にして混合し原料混合
物を調製する。
【0012】この際、用いられる酸化物としては、例え
ばPr611 ,CaO,SrO,Mn34などが挙げら
れる。また加熱により酸化物に交換可能な化合物として
は、例えばPr2(CO33 ,CaCO3 ,SrC
3 ,Mn(CO3 )のような炭酸塩や、Pr(HCO
33,Ca(HCO32,Sr(HCO32,Mn(H
CO32のような酸性炭酸塩などが挙げられる。
【0013】これらの原料粉末は、一般式R1-xxMn
3 (R:希土類イオン、A:アルカリ土類イオン)に
なるような割合で混合される。この混合方式としては種
々の方法を用いることができるが、例えばアルコールや
ケトンのような揮発性有機溶媒を加えた湿式混合が有利
である。
【0014】次に、この原料混合物を空気中で1050
℃の温度において焼結した後、焼結体を微細に粉砕する
操作を複数回繰り返す。次いで、この粉末をプレス成形
などの方法で加圧成形により円柱状に成形し、空気中で
1100℃の温度で焼結した後、得られた焼結体をフロ
ーティングゾーン法を用いて溶融液状態から結晶成長さ
せる。
【0015】このフローティングゾーン法における結晶
成長雰囲気としては純粋な酸素が好ましく、成長速度は
3−7mm/h程度が適当である。なお、前記成形にお
いては、必要に応じてバインダーを用いることもでき
る。
【0016】このようにして得られたぺロブスカイト型
マンガン酸化物系結晶体については、X線回折、電子線
マイクロアナリシス、ICP質量分析および滴定分析に
より分析し、xの値を確認することができる。
【0017】本発明のぺロブスカイト型マンガン酸化物
系結晶体における光誘起相転移では、電気抵抗が光の照
射によって急峻に変化し、これは従来の磁場印加による
方法とは全く異なった光誘起による相転移であるので、
光誘起相転移に伴う抵抗変化を用いて光スイッチング素
子として構成することができ、また光を当てると選択的
に金属状態となるので、フォトリソグラフィーの材料や
方法としても利用することができる。
【0018】また、このぺロブスカイト型マンガン酸化
物系結晶体における光誘起相転移では、金属状態に転移
した後は、光照射を止めても金属状態が保持されるの
で、光メモリー素子として構成することもできる。
【0019】
【実施例】Pr611 CaCO3 およびMn34の各粉
末をPr:Ca:Mnの原子比が、0.7:0.3:1
になる割合(一般式:R1-xxMnO3 のx=0.3に
対応)で秤量し、これにエタノールを加えて、めのう乳
鉢で30分かきまぜた。
【0020】そして、この混合物を空気中にて1050
℃で24時間加熱し、粉砕したのち、再び混合し、さら
にもう一度焼成し、粉砕混合した。得られた粉末混合物
を2ton/cm2 の水圧プレスにより直径5mmで長
さ約80mmの円柱状ロッドに成形し、空気中にて11
00℃で48時間加熱し焼成した。
【0021】このようにして得たロッドを2個のハロゲ
ン白熱灯と半長円形状焦点鏡を備えたフローティングゾ
ーン炉を用いて結晶成長させた。この際、原材料ロッド
と種ロッドは逆方向に相対速度30−40rpmで回転
させ、結晶は100%酸素気流中、3−7mm/hの速
度で成長させた。
【0022】このようにして、化学式Pr0.7Ca0.3
nO3 で表されるペロブスカイト型マンガン酸化物材料
からなる結晶を作製した。そして、この結晶の中央部を
切断し、薄くスライスして表面を機械研磨した。この試
料1の研磨面に50μmの間隔で金電極1a,1aを真
空蒸着し、輸送特性を測定するための端子として、金ペ
ーストにより金線をこの電極に付けた。この過程では金
ペーストのバインダーを取り除くために300℃で加熱
保持し、試料に焼き付けた。
【0023】そして、図1に示されている要領で測定を
行った。光源にはYAG(イットリウム−アルミニウム
−ガーネット)レーザー3と反射鏡4を用いて試料1に
パルス状のレーザー光が照射されるように設定し、図示
されているように安定化電源2を用いて数Vのわずかな
直流電圧をバイアスしておく。光誘起相転移を調べるに
は、図に示されているように、シグナルアナライザー5
の一対の信号入力端子(図示せず)に電気的に並列に5
0Ωの抵抗6を挿着し、光誘起によって生じる電流を電
圧に変換して検出する。
【0024】なお、上記した電圧測定のトリガー信号を
得るためにYAGレーザー3と反射鏡4の間にビームス
プリッター7を配設し、フォトダイオード8を介して、
シグナルアナライザー5のトリガー端子(図示せず)に
トリガー信号を供給する。
【0025】先ず、図2は、レーザー3のパワーが非常
に小さい時の電圧変化である。レーザー3の照射光を当
てた直後の140nsから150nsの間に0.06V
程度の電圧変化が起きるがこれは図に示されているよう
に200ns,300ns,400nsと時間の経過に
従ってすみやかに減衰していく。
【0026】しかしながら、図3のようにレーザー3の
パワーを強くした場合では、140nsから150ns
の間の電圧変化が2V程度にまで大きくなり、減衰のし
かたも図1の場合に比べて遅くなり、寿命の長い電気伝
導が得られ始める。
【0027】図4及び図5は、この電圧変化のパルスレ
ーザーのパワー依存性を示す。図4,図5とパワーが増
加していくにともない、パルスを当てた直後の電圧変化
が大きくなり、またより長時間にわたって電圧変化が存
続するようになる。
【0028】図6は、レーザー3のパワーが100%の
ときの電圧変化を100μs以上まで測定したものであ
る。約20μsまでは電圧の減衰が見られているが、そ
れ以後は逆に電圧が増加し始め、もはや消滅しない。こ
れは、とりもなおさずレーザー光の照射によって試料1
が電気伝導を持つようになった、すなわち絶縁体金属転
移が起こったことを示しており、さらに長時間測定する
と、この電圧変化は約2.8Vになって落ちついた。し
たがって、レーザー照射による絶縁体から金属への相転
移が永続的に保持されることが分かった。
【0029】この図6では、直流バイアス電圧値は3V
でレーザーのスポットが約50×300μm2 であった
ので、試料に対し0.2μmの深さまで侵入すると仮定
すると試料の抵抗率は金属に典型的な大きさの10-3Ω
cm程度になる。すなわち、図6の結果からレーザー照
射によって絶縁体金属転移が起こったことが判明した。
【0030】このように、本発明の試料を図1に示す回
路中に実装し、レーザー光を照射すると、試料は反強磁
性絶縁体から強磁性金属へ相転移する。その相転移は、
シグナルアナライザー5での抵抗6における電圧変化と
して表れる。すなわち、レーザー光を照射する前は、電
圧は0であるが、レーザー光照射により電圧が発生す
る。したがって、この試料は、光信号を受けてそれを電
気信号に変換しスイッチングする光スイッチング素子と
して働いている。この光スイッチング素子としての応用
例には、レーザー光の検知器や測定器が挙げられる。
【0031】また、図1に示す回路構成において、本発
明の試料にレーザー光を照射すると、そのレーザー光を
受けて金属に転移した部分はレーザー照射を止めても永
続的に金属として保たれている。したがって、光信号を
記憶する光メモリー素子としても機能させることができ
る。
【0032】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のぺロブスカイト型マンガン酸化物材料における新規な
光誘起絶縁体金属転移は、従来から知られていた磁場に
よる相転移の誘起ではなく、光によっても同様の相転移
を起こせることを示したものである。
【0033】磁場の発生は、光や電場の発生程一般的で
はないことを考えると画期的で、光誘起相転移に伴う抵
抗変化を利用した光スイッチング素子として用いること
ができ、また光を当てるとその部分が選択的に金属状態
となるので、フォトリソグラフィーの材料や方法として
も利用することができる。
【0034】また、このぺロブスカイト型マンガン酸化
物材料における光誘起相転移では、金属状態に転移した
後は、光照射を止めても、金属状態が保持されるので、
その動作原理を光メモリー素子として利用することもで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例において、光誘起相転移を測定
する装置のブロック図である。
【図2】本発明の実施例の試料にパルスレーザーを照射
したときの電圧変化の時間依存性を示す特性図である。
【図3】本発明の実施例の試料にパルスレーザーを照射
したときの電圧変化の時間依存性を示す特性図である。
【図4】本発明の実施例の試料に様々な強さのパルスレ
ーザーを照射したときの電圧変化の時間依存性を示す特
性図である。
【図5】本発明の実施例の試料に様々な強さのパルスレ
ーザーを照射したときの電圧変化の時間依存性を示す特
性図である。
【図6】本発明の実施例の試料に様々な強さのパルスレ
ーザーを照射したときの電圧変化の時間依存性を示す特
性図である。
【符号の説明】
1 試料 1a 金電極 2 安定化電源 3 YAGレーザー 4 反射鏡 5 シグナルアナライザー 6 抵抗 7 ビームスプリッター 8 フォトダイオード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 剛人 茨城県つくば市東1−1−4 工業技術 院 産業技術融合領域研究所内 (72)発明者 十倉 好紀 茨城県つくば市東1−1−4 工業技術 院 産業技術融合領域研究所内 (72)発明者 富岡 泰秀 茨城県つくば市東1−1−4 工業技術 院 産業技術融合領域研究所内 審査官 和田 財太 (56)参考文献 特開 平8−133894(JP,A) 特開 平8−133895(JP,A) 特開 平8−259393(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G11C 13/00 C01G 45/00 C30B 29/22 H01H 36/00 H01L 43/08

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 化学式Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 で表され
    るぺロブスカイト型マンガン酸化物材料における、光に
    よって誘起される反強磁性絶縁体から強磁性金属への相
    転移を用いて光スイッチング素子を構成した、ことを特
    徴とする光誘起相転移を用いたスイッチング素子。
  2. 【請求項2】 化学式Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 で表され
    るぺロブスカイト型マンガン酸化物材料における、光に
    よって誘起される反強磁性絶縁体から強磁性金属への相
    転移を用いて光メモリー素子を構成した、ことを特徴と
    する光相転移を用いたメモリー素子。
JP9064000A 1997-03-16 1997-03-18 光誘起相転移を用いたスイッチング素子及びメモリー素子 Expired - Lifetime JP3012902B2 (ja)

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