JP5322209B2 - Co基ホイスラー合金 - Google Patents
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Description
上記の文献における理論計算では状態密度の差でスピン偏極率を予測している。ところが、実際のTMRやGMRデバイスの強磁性電極として用いる高スピン偏極材料を探索するためには、第一原理による状態密度のスピン偏極率予測よりも、点接触アンドレーフ反射法(PCAR法)による伝導電子のスピン偏極率測定が適しているといえる。
しかし、コバルト基ホイスラー合金はハーフメタル材料(P=1)の候補として期待されているが、点接触アンドレーフ反射法(PCAR法)により測定されたスピン偏極率はいずれもハーフメタルの値(P=1)よりずっと低いP=0.6程度である。
<式1>
<式2>
ここでP1P2は上下の強磁性層のスピン偏極率
M. Julliere, Phys. Lett., 54A, (1976), 225-226 S.G. Tan et al, J. Appl.Phys., 101, 09J502 (2007). K. Ozdogan et al. Physical Review B, 74, 172412 (2006) FIG. 1 I. Galanakis et al., Appl. Phys. Lett., 89, 042502 (2006).
Co2MnSnとCo2MnGaのスピン偏極率が0.6、Co2MnSn0.5Ga0.5合金のスピン偏極率が0.72であることは実験的に証明されている。Co2MnSnのSnの価電子数はGaよりも1つ多いので、SnをGaで置換していくとフェルミレベルは低エネルギー側へとシフトする。Co2MnGaのフェルミレベルより少し上に状態密度の山が存在するので、0<X<1の範囲ではスピン偏極率が0.6以上になることがわかる。
また非特許文献3によると、Co2MnSiとCo2MnGeのフェルミレベル付近の状態はCo2MnSnに非常に似ており、かつ価電子数はCo2MnSnと同じである。このことからCo2MnSnのSnをSiやGeとしてもGaで置換することによりスピン偏極率が増加することがわかる。
本発明ではPCAR法を用いてCPP-GMR素子やTMR素子で伝導するであろうと予測される伝導電子のスピン偏極率を測定することにより、実用的により現実的なスピン偏極材料を探索した。これまでのPCAR法によるホイスラー合金の伝導電子のスピン偏極率の値は0.6程度であったのに、本発明で探索した合金では伝導電子の分極率が0.72と、従来のホイスラー合金に比較して、極めて高いスピン偏極を起こしていることが見いだされた。本発明ではこのような背景から、スピン偏極率が理論的に高いと予測されるCo基ホイスラー合金を作製し、それらの伝導電子のスピン偏極率をPCARによって直接測定し、伝導電子が高い偏極率を持つ材料を発明した。
非特許文献3ではCo2MnZ合金においてZを様々な元素とすることによる、状態密度曲線の変化について示している。しかし、これらの合金では、PCAR法による伝導電子のスピン偏極率測定ではP=0.6と低い値であり、状態密度のスピン偏極率が理論的に高くても、実際には高い偏極度の伝導電子が磁気抵抗素子でえられないことが分かる。
ただし、下記実施例では、以下の理論でスピン偏極率の向上を図った物である。
スピン偏極率は、P=(D↑-D↓)/(D↑+D↓) (D↑, D↓はそれぞれフェルミエネルギーにおけるアップおよびダウンスピン電子の状態密度)によって定義される。ここからわかるようにD↑の値を大きくすることによってもスピン偏極率を増加させることができる。Co2MnSnのSnをGaで置換することによりフェルミレベル付近の↑スピンの状態を増加させるという発想で、スピン偏極率を0.73に増加させ、低いスピン偏極率という問題を克服した。
この理論は、単にCo2MnSn合金に限ることではなく、非特許文献3のFig.1に記載の状態密度曲線の計算結果を持ってして、実験No.2の合金について、出発材のCo2MnSn合金を、Co2MnGe合金、Co2MnAl合金又はCo2MnSi合金とし、このGe、Al、SiをGaに一部置換することにより、以下の実施例と同様にスピン偏極率を向上することとなることは容易に類推できる。非特許文献3のFig.1によるとCo2MnGe合金、Co2MnAl合金又はCo2MnSi合金のいずれもフェルミレベル付近の状態密度曲線はCo2MnSn合金と同様である。またGe、Al、Siの価電子数はGaよりも1つ多いためこれらをGaで置換していくとフェルミレベルはCo2MnGaの状態密度の山に向かってシフトすることがわかる。ゆえに、Co2MnGe合金、Co2MnAl合金又はCo2MnSi合金においてもGe、Al、SiをGaに一部置換することによりスピン偏極率が増加することがわかる。
非特許文献3のFig.1に記載の状態密度曲線の計算結果から、Co2MnSn1-xGaxのxの広い範囲で高いスピン偏極率が得られる。Co2MnSnとCo2MnGaのスピン偏極率が0.6、Co2MnSn0.5Ga0.5合金のスピン偏極率が0.73であることは表に示すとおりである。Co2MnSnのSnの価電子数はGaよりも1つ多いので、SnをGaで置換していくとフェルミレベルは低エネルギー側へとシフトする。
Co2MnGaのフェルミレベルより少し上に状態密度の山が存在するので、0<X<1の範囲ではスピン偏極率が0.6以上になることがわかる。
具体的には、下記実施例からすれば、X=0.1のとき及びX=0.9のときは、いずれもスピン偏極率は0.62と予測できる。
実験No.1ではGaを実験No.3ではSnをそれぞれゼロにして上記のようにして創製した。
Claims (1)
- 組成式 Co2MnW1−XGaX(ただし、0<X<1、W:Si,Ge又はSnのいずれかの元素)であることを特徴とするCo基ホイスラー合金。
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