JP4817148B2 - ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子 - Google Patents

Description

本発明は、磁気エネルギーを電気エネルギーに、電気エネルギーを磁気エネルギーに相互に変換するナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子に関する。

電子は、その本来的属性として電荷とスピンを有している。従来のエレクトロニクスは電子の電荷をもっぱら利用したものであるが、近年、電子のもう一つの属性であるスピンを利用したデバイスの開発が盛んである。例えば、電子のスピンを利用したロジックデバイスや、電子のスピンにより電気抵抗を制御する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子や磁気トンネル（ＴＭＲ）素子が作製されている（非特許文献１，２参照）。

ところで、磁性体において、電子のスピン流と磁性体の局在スピン間における角運動量の保存の帰結として、磁気エネルギーと電気エネルギーの変換が可能であることが知られている（非特許文献３，４参照）。以下にその原理を説明する。
図６は、電子伝導性の強磁性細線における磁壁及び磁壁の移動を示すもので、（ａ）は磁性細線に電流を流す前の磁壁の位置を示し、（ｂ）は電流をΔｔ時間加えた後の磁壁の位置を示す。なお、磁化は細線の軸方向（ｚ方向）に一様に磁化されるとし、磁性細線の断面積をＡとする。
磁性細線に電流密度ｊの電流を流すと、電流を担う伝導電子のスピン（大きさ１／２）は強磁性的相互作用により局在スピンＭ（大きさＳ）の向きと平行になる傾向があり、電流を担う伝導電子はスピン分極したスピン流を形成する。その分極率をｐとすると、スピン流ｊ_s （密度）は次式（１）で表される。
ここで、電子の電荷の単位をｅとした。

次に、図６（ａ）に示すように、磁性体の局在スピンＭが反転し磁壁Ｗが形成されている場合を考える。局在スピンＭの矢印は局在スピンＭによる磁化の向きを示す。伝導電子のスピンと磁壁Ｗの局在スピンとの間の角運動量の保存の帰結として、単位時間当たりに磁壁Ｗに流入するスピン流ｊ_s は、磁壁Ｗの局在スピンの変化量に等しくなり、磁壁Ｗの局在スピン量は保存されるので、磁壁Ｗは次式（２）に与えられる速度で電子の流れと同じ方向（電流と逆方向）に動く。
ここで、ｖ_c は単位胞の体積（＝ａ³ 、ａは原子間距離）である。

外部磁界Ｂを、図６（ａ）に示すように細線に平行に加え、磁界Ｂのもとで磁壁Ｗを移動させたときの磁気エネルギー変化を評価する。磁壁が時間Δｔの間に式（２）の速度で移動すると、ｖΔｔＡ／ｖ_c 個の局在スピンの向きが磁界Ｂの方向と反対の方向から磁界Ｂの方向へと変化するので、下記式（３）だけ磁気エネルギーが減少する。
ここで、ｇはg-因子、μ_B はボーア磁子である。磁気エネルギーの減少に相当するエネルギーは電流により散逸するので、下記式（４）が成り立つ。
ここでＶは細線の両端に生じる電位差である。（２）式と（３）式をあわせて（４）式に代入すると次式（５）を得る。
（５）式は磁気エネルギーＥ_magnetic( ＝ｇμ_B Ｂ）と電気エネルギーＥ_electric (＝ｅＶ）の関係を示している。すなわち、外部磁場Ｂが印加された一様な広さの細線中を電流を流すことによって磁壁Ｗが移動すれば、外部磁場Ｂに基づく磁気エネルギーを電気エネルギーに変換できることを示しており、実際、定量的な実証がなされている（非特許文献４参照）。また、磁気エネルギーと電気エネルギーの変換式は次式（６）で表されることが分かる。

前川禎通：固体物理第３２巻第４号３頁（１９９７年４月１５日，アグネ技術センター発行） スピンエレクトロニクス調査研究報告書II（平成１１年３月，日本電子工業振興協会発行） A.Yamaguchi et al.: Phs. Rev. Lett.92, 077205 (2004) J.Z.Sun et al.: FA-11, 49th MMM (2004)

上記に説明した磁気エネルギーと電気エネルギーとの変換原理は、単に外部磁場Ｂに基づく磁気エネルギーを電気エネルギーに変換できることを示しているのみであり、これだけでは、産業に利用できる有用な素子とはならないという課題がある。

本発明は上記課題に鑑み、ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子を提供することを目的としている。

本発明者らは、磁壁の取り得る磁気エネルギーが細線等のナノ構造体の位置によって異なるようにすることによって、電気エネルギーを磁気エネルギーに変換して蓄積でき、この蓄積した磁気エネルギーを必要なときに電気エネルギーとして取り出せるナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子に想到し、本発明に至った。

上記目的を達成するために、本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子は、電子伝導性を有する磁性体からなるナノ構造体を有し、ナノ構造体の両端部に接続される第１及び第２の電極と、ナノ構造体の中央部に接続される中央電極と、ナノ構造体の第１電極と上記中央電極との間には磁壁を保持できる第１の磁壁保持部と、ナノ構造体の第２電極と上記中央電極との間には磁壁を保持できる第２の磁壁保持部と、を備え、ナノ構造体は、細線の幅が広い第１の領域と、この第１の領域に連続する細線の幅がくさび状にくびれた第２の領域と、この第２の領域に連続する細線の幅が徐々に細くなる第３の領域と、この第３の領域に連続する細線の幅が広い第４の領域とからなり、第１の領域の幅をｄ _１ とし、第２の領域の最も細い幅をｄ _２ とし、第３の領域の、最も広い幅をｄ _３Ｍ とし最も細い幅をｄ _３ｍ とし、さらに、第４の領域の幅をｄ _４ とした場合に、ｄ _１ ＞ｄ _３Ｍ ＞ｄ _２ ＞ｄ _３ｍ 及びｄ _４ ＞ｄ _３ｍ の関係を満たすように構成されており、第１の領域に第１電極が設けられ、第３の領域の上記第２の領域側に中央電極が設けられ、第４の領域に第２電極が設けられており、第１の磁壁保持部及び第２の磁壁保持部の磁気エネルギーはナノ構造体の両端部側の磁気エネルギーよりも小さく、第１の磁壁保持部の磁気エネルギーは第２の磁壁保持部の磁気エネルギーよりも大きくなるように構成されており、第１電極と中央電極間に入力電圧又は電流を介して電気エネルギーを加えると共に、中央電極と第２電極間から出力電圧又は電流を介して増幅された出力電気エネルギーを取り出すことを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、第１電極と第２電極間に第１電極と中央電極への入力電力又は電流とは逆極性の電圧又は電流を印加して、磁気エネルギーを蓄える。

上記構成によれば、第１電極と中央電極間に入力電圧又は電流を介して電気エネルギーを加えて第１の磁壁保持部に存在する磁壁を第２の磁壁保持部に移動させ、これにより磁壁が移動すると共に、この磁壁の移動によって生ずる磁気エネルギーの減少分に相当する磁気エネルギーが電気エネルギーに変換され、この電気エネルギーを中央電極と第２電極間から出力電圧又は電流を介して取り出すことができる。磁気エネルギーの蓄積は、相当する電気エネルギーを第１電極と第２電極に電圧又は電流を介して印加し、第２の磁壁保持部に保持されている磁壁を、再度第１の磁壁保持部へ戻すことで行なうことができる。

上記構成において、磁壁の磁気エネルギーは細線の幅に比例しており、従って、第２の領域にある磁壁は、ｄ_3M−ｄ₂ に比例する磁気エネルギーを、第１電極と中央電極間に印加する入力電圧又は電流を介して受け取ることにより第３の領域に移動する。第３の領域は次第に幅が狭くなるため磁壁の取り得る磁気エネルギーも次第に小さくなるので、第３の領域に移動した磁壁は自発的に幅が狭くなる方向に移動すると共に、余分な磁気エネルギーを電気エネルギーとして散逸し電流に受け渡す。この余分な電気エネルギーは中央電極と第２電極間から出力電圧又は電流を介して電気エネルギーとして取り出すことができる。余分な電気エネルギーの総量はｄ_3M−ｄ_3mに比例しており、ｄ_3M＞ｄ₂ ＞ｄ_3m、すなわち、ｄ_3M−ｄ_3m＞ｄ_3M−ｄ₂ であるから、第２の領域にある磁壁を第３の領域に移動するために要した入力電気エネルギーよりも大きな出力電気エネルギーが得られ、例えば、電圧増幅素子として利用すれば、エネルギー利得を有する電圧増幅素子として動作する。この細線からなるナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子は、基板上に平面構造として構成することができる。

上記構成において、ナノ構造体は、好ましくは積層構造からなり、その両端部及び中央部は幅が広く、各端部と中央部との間には磁壁を保持できる幅の狭い第１及び第２の磁壁保持部が形成されている。ナノ構造体の材料は、パーマロイ、鉄、鉄−コバルト合金、鉄−白金合金、サマリウム−コバルト合金の何れかであれば好ましい。
ナノ構造体を積層構造とすることで、積層方向の厚さを平面構造のナノ構造体よりも小さくすることができるので、ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子内部抵抗を減少させることができる。また、その集積密度化にも有利である。

本発明において、ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子がマトリクス状に配設されていると、ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子を集積化することができる。

本発明によれば、ナノ構造体、例えば、磁性細線に設けた引き出し電極を介して電流を流すことにより、電気エネルギーを磁気エネルギーに変換して蓄え、蓄えられた磁気エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すことができる。従来の、電気エネルギーを磁気エネルギーに変換して蓄え、蓄えた磁気エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す装置は、例えば、強磁性体と強磁性体に巻き付けたコイルとからなり、強磁性体の磁化とコイルを流れる電流との相互作用で行うので、大きくかさばるコイルを必要とするの対して、本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子は、小型化、集積化できると共に、エネルギー効率を高くすることができる。

本発明の第１の実施形態に係るナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子の構成を示し、（ａ）は初期状態を、（ｂ）は入力電圧を印加した後の状態を示し、（ｃ）は細線の各部の幅を示す図である。 本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子の磁壁の位置と磁壁エネルギーとの関係を示す図であり、縦軸は磁壁エネルギー、横軸は磁壁の存在位置を示す。 本発明の第２の実施形態に係るナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子を模式的に示すもので、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。 本発明の第３の実施形態に係るナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子の構造を模式的に示しており、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。 本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子を用いた集積回路の構成を模式的に示す斜視図である。 電子伝導性の強磁性細線における磁壁及び磁壁の移動を示すもので、（ａ）は磁性細線に電流を流す前の磁壁の位置を、（ｂ）は電流をΔｔ時間加えた後の磁壁の位置を示す。

符号の説明

１，２０，３０：ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子
２：細線の幅が広い第１の領域
３：細線の幅がくさび状にくびれた第２の領域
４：細線の幅が徐々に細くなる第３の領域
５：細線の幅が広い第４の領域
６：磁壁
７：局在スピンの方向を示す矢印
８，２３Ａ：第１の磁壁保持部
９，２４Ａ：第２の磁壁保持部
１１，２６，４０：第１電極
１２，２８，４２：中央電極
１３，２７，４１：第２電極
２２：幅が広い第１の層
２３：第２の層
２４：第３の層
２５：第４の層
３４：第１の硬質磁性層
３５：第１の軟質磁性層
３６：第２の硬質磁性層
３７：第２の軟質磁性層
３８：第３の硬質磁性層
２６Ａ，２７Ａ，２８Ａ，４４，４５，４６，５２，５４，５６：電極配線
５０：ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子を用いた集積回路

以下、本発明を実施するための幾つかの最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子の構成を示し、（ａ）は初期状態を、（ｂ）は入力電圧を印加した後の状態を、（ｃ）は細線の各部の幅を示す図である。
本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子１は、電子伝導性を有しかつ磁性を有する細線からなるナノ構造体から構成されている。磁性を有する細線、即ち磁性細線（以下、適宜に、細線と呼ぶ）は、図１（ａ）に示すように、細線の幅が広い第１の領域２と、第１の領域２に連続する細線の幅がくさび状にくびれた第２の領域３と、第２の領域３に連続する細線の幅が徐々に細くなる第３の領域４と、第３の領域４に連続する細線の幅が広い第４の領域５とから構成される。

細線の各部の幅は、図１（ｃ）に示すように、第１の領域２の幅をｄ₁ 、第２の領域３の最も細い幅をｄ₂ 、第３の領域４の最も広い幅をｄ_3M及び最も細い幅をｄ_3m、そして、第４の領域５の幅をｄ₄ とした場合、ｄ₁ ＞ｄ_3M＞ｄ₂ ＞ｄ_3m、そしてｄ₄ ＞ｄ_3mの関係を満たすように構成されている。

また、第１の領域２に第１電極１１、第３の領域４の第２の領域３側に中央電極１２、第４の領域５に第２電極１３を有している。また、図１（ａ）に示すように、細線の各部を矢印７で示すように各々磁化して磁壁６を領域３に形成しておく。後述するように、磁壁は、第２の領域３の最も細い幅（ｄ _２ ）の領域又は第３の領域４の最も細い幅の領域（ｄ_3m）の領域に保持され得る。磁壁の保持に関して、第２の領域３の最も細い幅の領域を第１の磁壁保持部８と呼び、第３の領域４の最も細い幅の領域を第２の磁壁保持部９と呼ぶことにする。

本発明の磁性細線の幅及び膜厚は、ナノメータサイズであることが必要不可欠である。すなわち、磁性細線の幅及び膜厚が１μｍ以上になると磁壁は電流により一様に駆動されず、磁壁自体の構造が変化してしまうためである（非特許文献３参照）。

ここで、磁性細線の材料としては、パーマロイ、鉄、鉄とコバルトとからなる合金（以下、適宜に鉄−コバルト合金と呼ぶ）、鉄と白金とからなる合金（以下、適宜に鉄−白金合金と呼ぶ）、サマリウムとコバルトとからなる合金（以下、適宜にサマリウム−コバルト合金と呼ぶ）を用いることができる。

次に、本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子の作用を説明する。
図２は、本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子の磁壁の位置と磁壁エネルギーとの関係を示す図であり、縦軸は磁壁エネルギー、横軸は磁壁の存在位置を示す。磁壁の位置“１”は、図１の第２の領域３の細線幅が最も細い位置に対応する第１の磁壁保持部８である。磁壁の位置“０”は、図１の第３の領域４と第４の領域５の境界位置に対応する第２の磁壁保持部９である。Ｅ_a は磁壁６が“１”に示す位置に存在するときの磁壁エネルギーと“０”の位置に存在するときの磁壁エネルギーの差を示し、Ｅ_b は、磁壁６が中央電極１２の近傍位置に存在するときの磁壁エネルギーと“１”の位置に存在するときの磁壁エネルギーの差を示す。

図１（ａ）に示す磁性細線の各部における磁壁のエネルギーを説明する。磁性体の交換相互作用の大きさをＡ_ex（単位〔Ｊ／ｍ〕）、一軸磁気異方性定数をＫ_u （単位〔Ｊ／ｍ³ 〕）とするとき、単位断面積当りの磁壁６の持つエネルギーσ_w （単位〔Ｊ／ｍ² 〕は、式（７）で与えられる。
従って、磁壁６に蓄えられるエネルギーは、式（７）に細線の断面積を乗じたものとなる。図１（ａ）の細線において、“０”、“１”及び中央電極１２で示した位置における細線の断面積をそれぞれ、Ａ₀ 、Ａ₁ 及びＡ_b とすると、図２に示したエネルギー障壁Ｅ_a 、Ｅ_b は次の式（８）で与えられる。
ここで、細線の膜厚をｈとし、図１（ｃ）に示した各部の幅を用いれば、Ａ₀ ＝ｄ_3m×ｈ、Ａ₁ ＝ｄ₂ ×ｈ、Ａ_b ＝ｄ_3M×ｈ、また、ｄ_3M＞ｄ₂ ＞ｄ_3mであることから、Ａ_b ＞Ａ₁ ＞Ａ₀ であり、図２に示したように、Ｅ_a ＞Ｅ_b とすることができる。また、ｄ₁ ＞ｄ_3Mであるから、第１電極１１と中央電極１２を介して電気エネルギーを供給した場合に、第２の領域３にある磁壁６は第３の領域４側に励起される。また、ｄ₄ ＞ｄ_3mであることから、第３の領域４を移動する磁壁６は“０”の位置で停止する。

図１（ａ）の状態、すなわち、磁壁６が図２の“１”の位置にある時、第１電極１１と中央電極１２の間に電圧または電流パルスを加えることにより、式（２）に従って磁壁６が有限の速度を持ち、図２に示したエネルギー障壁Ｅ_b を越え、中央電極１２の位置まで移動する。これにより、磁壁６が第１の磁壁保持部８から第２の磁壁保持部９へ移動する。この際、外部電源により磁壁６に対して仕事Ｅ_b がなされている。
第３の領域４においては、細線の幅が勾配を有して細くなっており、磁壁の取り得る磁壁エネルギーはその勾配に従って減少するので、磁壁６は、第３の領域４の磁壁エネルギーの傾きに従って自発的に“０”の位置まで移動する、すなわち、図１（ｂ）の状態になると共に、余分の磁気エネルギーを放出し、この余分の磁気エネルギーは式（５）、式（６）に従って伝導電子に受け渡され、最終的に中央電極１２と第２電極１３の間につないだ回路において散逸する。
すなわち、第１電極１１と中央電極１２の間に加えた入力電気エネルギーＥ_b に対し、第２電極１３と中央電極１２の間に出力電気エネルギーとして、ｐ（Ｅ_a ＋Ｅ_b ）が取り出される。このときのエネルギー増幅率をＧとすると、式（８）を用いて、増幅率Ｇは次式（９）で表される。
細線形状を選択し、Ｅ_a をＥ_b より十分大きくすることができるから、増幅率Ｇ＝１を越えるエネルギー・ゲインが得られる。

磁壁６を“０”からに“１”に戻す、すなわち、素子に磁気エネルギーを蓄えるには、第２電極１３と第１電極１１の間に、第１電極１１と中央電極１２の間に印加する電圧または電流パルスと逆極性の電圧または電流を加えることにより可能である。これにより、磁壁６を、第２の磁壁保持部９から再び第１の磁壁保持部８へ移動させることができる。また、この操作は、本素子を電圧増幅素子として用いる場合の素子の初期化に相当する。

次に、具体的な磁性細線物質、素子形状に基づいて計算で求めた、本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子１の増幅率を示す。
具体的な磁性細線物質として、パーマロイ（ＦｅＮｉ合金）を考える。細線の厚みを５０ｎｍとし、図２において“０”の位置での断面積を１０^-15 ｍ² （幅２０ｎｍ）、“１”の位置での断面積を１．１×10^-14 ｍ² （幅２２０ｎｍ）、中央電極１２の位置での断面積を１．２×１０^-14 ｍ² （幅２４０ｎｍ）とする。この条件によれば、Ａ_ex＝１０^-11 Ｊ／ｍ、Ｋ_u ＝１０⁵ Ｊ／ｍ³ 及びｐ＝０．７となる。これらのパラメーターを用いると、式（７）、式（８）から、σ_w ＝１０^-3Ｊ／ｍ³ 、Ｅ_a ＝１０^-17 Ｊ、Ｅ_b ＝１０^-18 Ｊとなる。さらに式（９）により、この場合のエネルギー増幅率Ｇとして、式（１０）が得られる。

本発明の第２の実施形態に係るナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係るナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子２０を模式的に示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。図３に示すように、ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子２０はナノ構造体から構成されており、図１に示した細線１を−９０°回転した位置関係を有している。下から順に、幅が広い第１の層２２と、第１の層２２に連続し層の幅がくさび状にくびれた第２の層２３と、第２の層２３に連続し層の幅が徐々に細くなる第３の層２４と、第３の層２４に連続し層の幅が広い第４の層２５とから構成される。
ナノ構造体２０の各部の幅は、第１の層２２の幅をｄ₁ 、第２の層２３の最も細い幅をｄ₂ 、第３の層２４の最も広い幅をｄ_3M及び最も細い幅をｄ_3m、そして第４の層２５の幅をｄ₄ とし、ｄ₁ ＞ｄ_3M＞ｄ₂ ＞ｄ_3m、そしてｄ₄ ＞ｄ_3mの関係を満たすように構成されている。ナノ構造体２０は、積層方向（Ｙ軸方向）の厚さがＬであり、紙面垂直方向（Ｚ軸方向）の長さをＬ_z とする。

ナノ構造体の一端部２２と第２の層との間には、磁壁を保持するために、幅がｄ₂ である第１磁壁保持部２３Ａが形成されている。ナノ構造体の他端部２５と第４の層２５との間には、磁壁を保持するために、幅がｄ_3mである第２磁壁保持部２４Ａが形成されている。

ナノ構造体２０においては、その一端である第１の層２２に接続される第１電極２６と、その他端である第４の層２５に接続される第２電極２７と、中央部の第２の層２３及び第３の層２４との境界近傍に接続される中央電極２８と、が形成されている。従って、ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子２０において、電極２６，２７，２８の接続される箇所の断面積が大きく、これらの電極の間に配設される幅の狭い第１の磁壁保持部２３Ａ及び第２の磁壁保持部２４Ａの断面積が小さくなっている。この第１の磁壁保持部２３Ａの磁気エネルギーは第２の磁壁保持部の磁気エネルギー２４Ａよりも大きくなるようにその断面積が設定されている。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すナノ構造体の上部の一端部２５側から見た平面図であり、第１電極２６と第２電極２７と中央電極２８とには、それぞれ、電極配線２６Ａ，２７Ａ，２８Ａが形成されている。これらの電極配線２６Ａ，２７Ａ，２８Ａは互いに接触しないように、複数の層間絶縁層を介して形成することができる。なお、図示の場合には、第１及び第２の磁壁保持部２３Ａ，２４Ａは、端部側及び中央部側から直線的に徐々に寸法を変えて形成しているが、この傾斜線部は、図示のような直線ではなく、曲線、直線と曲線との組み合わせなどで形成してもよい。

このように、本発明の第２の実施形態に係るナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子において、ナノ構造体２０は、電子伝導性を有する磁性体からなり、このナノ構造体２０の両端部には第１及び第２の電極２６，２７が接続され、また、ナノ構造体の中央部には中央電極２８が接続されている。ナノ構造体２０の第１電極２６と中央電極２８との間には磁壁を保持できる第１の磁壁保持部２３Ａと、ナノ構造体２０の第２電極２７と中央電極２８との間には磁壁を保持できる第２の磁壁保持部２４Ａと、が設けられる。
ここで、第１の磁壁保持部及び第２の磁壁保持部２３Ａ，２４Ａの磁気エネルギーはナノ構造体２０の両端部側の磁気エネルギーよりも小さく、第１の磁壁保持部２３Ａの磁気エネルギーは第２の磁壁保持部の磁気エネルギー２４Ａよりも大きくなるように構成しておく。このように構成されるナノ構造体２０においては、細線からなるナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子１と同様に、第１電極２６と中央電極間２８に入力電圧又は電流を介して電気エネルギーを加えると共に、中央電極２８と第２電極２７間から出力電圧又は電流を介して増幅された出力電気エネルギーを取り出すことができる。

本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子２０は、薄膜形成技術とエッチングなどの加工方法で形成できるので、その垂直方向（図３のＹ方向）の厚さ制御が容易である。このため、ナノ構造体２０の垂直方向の長さＬを、平面構造のナノ構造体１の場合よりも小さくすることができるので、ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子２０の内部抵抗の減少及びその集積密度を挙げるために有利である。

本発明の第３の実施形態に係るナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子について説明する。
図４は、本発明の第３の実施形態に係るナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子３０の構造を模式的に示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
図４（Ａ）に示す磁気及び電気エネルギーの相互変換素子３０のナノ構造体は、紙面の下から上に積層される構造を有しており、下から順に第１の硬質磁性層３４と、第１の軟質磁性層３５と、第２の硬質磁性層３６と、第２の軟質磁性層３７と、第３の硬質磁性層３８と、が積層された５層構造を有している。

ナノ構造体３０において、その一端部となる第１の硬質磁性層３４には第１電極４０が接続され、その他端部となる第３の硬質磁性層３８には第２電極４１が接続され、第１の軟質磁性層３５と第２の硬質磁性層３６の境界近傍には中央電極４２が接続されている。強磁性体構造３３は、積層方向（Ｙ軸方向）の厚さがＬであり、その幅がＷ₁ である。

図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のナノ構造体３０をその上部の第３の硬質磁性層３８側から見た平面図であり、第１電極４０と第２電極４１と中央電極４２とには、それぞれ、電極配線４４，４５，４６が形成されている。これらの電極配線４４，４５，４６は互いに接触しないように、複数の層間絶縁層を介して形成することができる。

第１〜第３の硬質磁性層３４，３６，３８は、磁化の向きが変化し難い材料である硬質磁性材料からなり、鉄−白金合金などを使用することができる。この硬質磁性材料はハード磁性材料とも呼ばれる。第１及び第２の軟質磁性層３５，３７は、磁気モーメントの向きが極めて回転し易い材料である軟質磁性材料からなり、パーマロイなどを使用することができる。この軟質磁性材料はソフト磁性材料とも呼ばれる。

ナノ構造体３０においては、第１及び第２の硬質磁性層３４，３６の間に挿入される第１の軟質磁性層３５が磁壁を保持する安定な低エネルギー層となり、第１の磁壁保持部が形成される。第２及び第３の硬質磁性層３６，３８の間に挿入される第２の軟質磁性層３７が磁壁を保持する安定な低エネルギー層となり、第２の磁壁保持部となる。ここで、第１の磁壁保持部及び第２の磁壁保持部の磁気エネルギーはナノ構造体３０の両端部側の磁気エネルギーよりも小さく、第１の磁壁保持部の磁気エネルギーは第２の磁壁保持部の磁気エネルギーよりも大きくなるように構成しておく。上記の硬質磁性層と軟質磁性層との間に生じさせるエネルギーの勾配は、各硬質磁性層３４，３６，３８と、各軟質磁性層３５，３７との境界において、各磁性体の混合比を徐々に変えることで形成することができる。

上記ナノ構造体３０においては、硬質磁性層の単位面積当りの磁気エネルギーσ_w （ｈａｒｄ）が軟質磁性層の単位面積当りの磁気エネルギーσ_w （ｓｏｆｔ）よりも大きいことを利用して、第１及び第２の磁壁保持部の位置エネルギーの差を得ることができる。つまり、磁壁保持部の位置エネルギーは、単位面積当りの磁気エネルギーσ_w に断面積Ａを乗じた積、即ちσ_w ×Ａで与えられる。磁性体構造３３においては、断面積Ａが一定であるが、硬質磁性層と軟質磁性層の磁気エネルギーが異なることで磁壁保持部の位置エネルギー差を生じさせることができる。

軟質磁性層をパーマロイとした場合の単位面積当りの磁気エネルギーσ_w （ｓｏｆｔ）は上記したように、１０^-3Ｊ／ｍ² である。硬質磁性層として鉄−白金合金の場合の単位面積当りの磁気エネルギーσ_w （ｈａｒｄ）は、８×１０^-3Ｊ／ｍ² 程度となる。ここで、物質パラメータとして、交換相互作用の大きさをＡ_ex＝１０^-11 Ｊ／ｍとし、一軸磁気異方性定数Ｋ_u ＝７×１０⁶ Ｊ／ｍ³ とした。ナノ構造体３０が正四角形のパターンである場合には、その幅Ｗ₁ （図４のＸ軸方向の寸法）を３２ｎｍとすると、面積は１×１０^-15 ｍ² となる。この面積におけるパーマロイ及び鉄−白金合金の磁気エネルギーは、それぞれ、１×１０^-18 Ｊ，８×１０^-18 Ｊとなる。従って、この場合の軟質磁性層と硬質磁性層との磁気エネルギー障壁ΔＥは７×１０^-18 Ｊ（４３．７ｅＶ）と計算される。このエネルギー障壁ΔＥは十分に大きいので、本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子３０は、通常の使用温度で安定して動作させることができる。

ナノ構造体３０においては、軟質磁性層の積層方向の膜厚も変化させることで、位置エネルギーに差を設けることができる。下記にその理由を述べる。
磁壁の幅（図４（Ａ）のＹ軸方向）は、交換相互作用の大きさＡ_exを一軸磁気異方性定数Ｋ_u で割った値の平方根である（Ａ_ex／Ｋ_u ）^1/2 で与えられる。この磁壁の幅は１０ｎｍ程度である。すなわち、軟質磁性層を厚くした場合には、磁壁、即ち磁気モーメントが空間的に変化している部分が、殆ど軟質磁性層に重なるために、その磁気エネルギーは上記のσ_w （ｓｏｆｔ）となり、ナノ構造体３０の中で最も低いエネルギー状態が実現される。
一方、軟質磁性層を薄くし磁壁幅より小さくした場合には、実際には磁壁は隣り合う硬質磁性層とも重なり合いをもつため、磁壁のエネルギーは上記のσ_w （ｓｏｆｔ）とσ_w （ｈａｒｄ）との中間的な値によって与えられる。この場合の磁壁のエネルギーは上記の厚い軟質磁性層とした場合よりも高いエネルギー状態が得られる。もちろん、この場合のエネルギーは、軟質磁性層がない場合のσ_w （ｈａｒｄ）と比較して低エネルギーであるので磁壁保持部として十分な働きをする。従って、低エネルギー側の第２の磁気保持部となる軟質磁性層は磁壁幅より厚くし、高エネルギー側の第１の磁壁保持部となる軟質磁性層は磁壁幅より薄くすることが必要である。

本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子３０は、第１及び第２の軟質磁性層３５，３７を、それぞれ、第１及び第２の磁気保持部とすることにより、図１で示したナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子１と同様に動作させることができる。ナノ構造体３０の形成においては、ナノ構造体２０のように積層方向の所定箇所を幅の狭いＷ₂ という領域を形成する必要がないので、垂直方向に均一の幅Ｗ₁ とすれば良いことから製作が容易となる。このため、ナノ構造体３０の垂直方向の長さＬも、平面構造のナノ構造体１よりも小さくすることができるので、ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子３０の内部抵抗の減少及びその集積密度を挙げるために有利である。

本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子２０，３０の幅及び膜厚は、ナノメータサイズであることが必要不可欠である。すなわち、磁性細線の幅及び膜厚が１μｍ以上になると磁壁は電流により一様に駆動されず、磁壁自体の構造が変化してしまうためである（非特許文献３参照）。

次に、本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子の集積回路について説明する。 図５は、本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子を用いた集積回路の構成を模式的に示す斜視図である。
図５に示すように、ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子を用いた集積回路５０において、Ｘ方向の電極配線５２とＹ方向の電極配線５４とが交差する各位置に、マトリクス状にナノ構造体２０を配設した構成である。これらのマトリクス状に配列された各ナノ構造体２０の第１及び第２の電極層２６，２７には、それぞれ、Ｙ方向の電極配線５２とＸ方向の電極配線５４とが接続し、中央電極２８には電極配線５６が接続されている。ナノ構造体は、第２の実施形態であるナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子２０に限らず、第１の実施形態及び第３の実施形態のナノ構造体１，３０を用いてもよい。

本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子は集積化することにより、蓄える磁気エネルギーを大きくすることができる。このような集積回路５０を半導体装置からなる集積回路に内蔵させておけば、停電時の補助電源として利用することができる。

本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子は、以下のようにして製作することができる。
最初に、基板上に、ナノ構造体となる磁性体薄膜を所定の厚さで堆積する。磁性体材料としては、パーマロイ、鉄、鉄−コバルト合金、鉄−白金合金、サマリウム−コバルト合金などが使用できる。堆積方法としては、物理蒸着法であるスパッタ法などを用いることができる。この基板としては、ＭｇＯ基板や、絶縁層で被覆したＳｉ基板にＭｇＯを堆積した基板を用いることができる。
次に、マスク工程やエッチング工程により、磁性細線１や、ナノ構造体２０，３０のパターンを形成することで、ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子１，２０，３０を作製することができる。

本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子の各電極間の電圧や電流を制御する周辺回路を集積回路で形成する場合には、上記の工程で製作したナノ構造体１，２０，３０を含む基板全体をさらに絶縁膜で被覆し、ナノ構造体１，２０，３０の各電極だけに窓開けをした後に、各ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子メモリの配線を行なえばよい。また、本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子１，２０，３０の周辺回路をＳｉのＭＯＳトランジスタなどで形成する場合には、最初にＳｉの周辺回路を形成し、その後で、本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子１，２０，３０を形成してもよい。各材料の堆積には、スパッタ法以外には、ＣＶＤ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。また、所定の形状の電極や集積回路の配線を形成するためのマスク工程には、光露光やＥＢ露光などを用いることができる。

本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

上記説明から理解されるように、本発明のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子によれば、電気エネルギーを磁気エネルギーに変換して蓄え、蓄えられた磁気エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すことができる。例えば、蓄えた磁気エネルギーをエネルギー源として、電圧を増幅することができる。従来の磁気エネルギーの蓄積は、強磁性体を特定の方向に磁化することによって行われているが、磁化及び電気エネルギーの取り出しには大きくかさばるコイルを必要とする。一方、本発明の素子によれば、細線や積層構造に設けた引き出し電極に電圧又は電流を印加するだけで良く、従って、小型化、集積化できると共に、エネルギー効率が高い。電気エネルギーを磁気エネルギーに変換して蓄え、蓄えられた磁気エネルギーを電気エネルギーに変換することが必要な装置に用いれば、極めて有用である。

Claims (5)

1. 電子伝導性を有する磁性体からなるナノ構造体を有し、
   上記ナノ構造体の両端部に接続される第１及び第２の電極と、
   上記ナノ構造体の中央部に接続される中央電極と、
   上記ナノ構造体の第１電極と上記中央電極との間には磁壁を保持できる第１の磁壁保持部と、
   上記ナノ構造体の第２電極と上記中央電極との間には磁壁を保持できる第２の磁壁保持部と、を備え、
   上記ナノ構造体は、細線の幅が広い第１の領域と、この第１の領域に連続する細線の幅がくさび状にくびれた第２の領域と、この第２の領域に連続する細線の幅が徐々に細くなる第３の領域と、この第３の領域に連続する細線の幅が広い第４の領域とからなり、
   上記第１の領域の幅をｄ_１とし、上記第２の領域の最も細い幅をｄ_２とし、上記第３の領域の、最も広い幅をｄ_３Ｍとし最も細い幅をｄ_３ｍとし、さらに、上記第４の領域の幅をｄ_４とした場合に、ｄ_１＞ｄ_３Ｍ＞ｄ_２＞ｄ_３ｍ及びｄ_４＞ｄ_３ｍの関係を満たすように構成されており、
   上記第１の領域に第１電極が設けられ、上記第３の領域の上記第２の領域側に中央電極が設けられ、上記第４の領域に第２電極が設けられており、
   上記第１の磁壁保持部及び第２の磁壁保持部の磁気エネルギーは上記ナノ構造体の両端部側の磁気エネルギーよりも小さく、上記第１の磁壁保持部の磁気エネルギーは上記第２の磁壁保持部の磁気エネルギーよりも大きくなるように構成されており、
   上記第１電極と中央電極間に入力電圧又は電流を介して電気エネルギーを加えると共に、上記中央電極と第２電極間から出力電圧又は電流を介して増幅された出力電気エネルギーを取り出すことを特徴とする、ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子。
2. 前記第１電極と第２電極間に前記第１電極と中央電極間への入力電圧又は電流とは逆極性の電圧又は電流を印加して、磁気エネルギーを蓄えることを特徴とする、請求項１に記載のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子。
3. 前記ナノ構造体は積層構造からなり、その両端部及び中央部は幅が広く、各端部と中央部との間には磁壁を保持できる幅の狭い前記第１及び第２の磁壁保持部が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子。
4. 前記ナノ構造体の材料が、パーマロイ、鉄、鉄−コバルト合金、鉄−白金合金、サマリウム−コバルト合金の何れかであることを特徴とする、請求項１に記載のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子。
5. 前記ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子が、マトリクス状に配設されていることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載のナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子。