JPH10255481A - マンガン酸化物材料における電流及び電場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
マンガン酸化物材料における電流及び電場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Info
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Abstract
ンガン酸化物材料における電流及び電場誘起相転移を利
用したスイッチング素子及びメモりー素子を提供する。 【解決手段】MnO3 を母体とするマンガン酸化物材料
における物性制御を磁場以外の外部摂動によって制御す
る。具体的には、外部磁場の代わりに電流あるいは電場
によって制御する。
Description
するマンガン酸化物材料において、電流、あるいは電場
によって誘起される絶縁体−金属転移と、それにともな
う反強磁性−強磁性転移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。
機として、各種遷移金属を含む酸化物のスピン−電荷結
合動力学(spin−charge coupled
dynamics)が注目を集め、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
化物材料の研究が現在精力的に行われている。
列相の一種の磁場融解現象の現れとして、電気抵抗率の
変化が何桁にもおよぶ超巨大磁気抵抗(colossa
lmangnetoresistance,以下CMR
と記す)効果、および磁気抵抗効果の究極とも言うべき
磁場誘起反強磁性絶縁体−強磁性金属転移(field
−induced antiferromagneti
c insulator−to−ferromagne
tic metal transition)が発見さ
れるにおよんで、ますます研究に拍車がかかることとな
った。
でにCMR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-x Cax MnO3 ,Pr1-x (C
a,Sr)x MnO3 ,Nd0.5 Sr0.5 MnO3 など
多数知られているが、いずれにしても、それらのCMR
効果は(その定義からして)外部磁場による物性制御で
あった。
酸化物材料における上記の外部磁場による物性制御を磁
場以外の外部摂動によって制御し、エレクトロニクス関
連分野への応用可能性を拡張することを目的として行わ
れた。具体的には、上記の外部磁場による物性制御と本
質的に同様のことを、電流あるいは電場によって制御し
ようとする試みである。
決するものであり、MnO3 を母体とするマンガン酸化
物材料において、電流、あるいは電場によって誘起され
る絶縁体−金属転移と、それにともなう反強磁性−強磁
性転移を用いたスイッチング素子を提供するものであ
る。
ガン酸化物材料において、電流、あるいは電場によって
誘起される絶縁体−金属転移と、それにともなう反強磁
性−強磁性転移を用いたメモリー素子を提供するもので
ある。
り反強磁性絶縁体化したMnO3 を母体とするマンガン
酸化物系結晶体(一般式:R1-x Ax MnO3 、Rは希
土類イオン、Aはアルカリ土類イオン)を用いて、電流
−電圧(I−V)特性を測定し、本物質が特定のしきい
値電流、あるいはしきい値電場を加えると、高抵抗状態
から低抵抗状態へと可逆的、あるいは非可逆的にスイッ
チングを起こすことが見いだされた。すなわち、磁場を
印加することなく、電流あるいは電場によって反強磁性
絶縁体から強磁性金属への相転移が誘起できることを発
見した。
母体とする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。
方法に従い、Pr,Ca,Sr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。
ばPr6 O11 ,CaO,SrO,Mn3 O4 などが挙
げられ、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 (CO3 )3 ,CaCO3 ,SrC
O3 ,Mn(CO3 )のような炭酸塩やPr(HC
O3 )3 ,Ca(HCO3 )2 ,Sr(HCO3 )2 ,
Mn(HCO3 )2 のような酸性炭酸塩などが挙げられ
る。
nO3 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。
℃の温度において焼結した後、燒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℃の温度で燒結した後、得られた燒結体をフロ
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。
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。
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。
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-x Ax MnO3 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。
℃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。
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。
し、数ミリメートル角の直方体状に切り出し、これに焼
き付け銀ペーストを用いて電気抵抗測定のための4端子
電極を取り付ける(図1の挿入図参照)。
印加電圧を10V,300V,700Vと変えて測定し
た電気抵抗のゼロ磁場中での温度依存性を示す。挿入図
は測定回路である。過大電流から試料を保護するため、
回路中に直列に保護抵抗(1MΩ)を挿入してある。
試料は絶縁体的挙動を示すが、電圧が大きくなると、T
CA(スピン−キャント反強磁性転移温度)以下で抵抗
値が小さくなり、非線形電気伝導の効果が顕著になる。
下のノイズ的挙動は、時間的な電気抵抗値の高抵抗状態
と低抵抗状態の間のゆらぎである。十分に高い印加電圧
(700V)では、10Vの時と比べて少なくとも5桁
以上も抵抗値が減少していることがわかる。
おける印加電圧に対する抵抗値の変化を示す。高抵抗状
態では1010Ωであった抵抗値が、印加電圧とともに徐
々に減少し、あるしきい値電圧で低抵抗状態(105 Ω
程度)へスイッチングする。その後、印加電圧を減少さ
せると、斜線で示したヒステリシスを示したあとで正確
に元の抵抗状態へ再びスイッチングする。
によって容易に「融解」し、強磁性金属相へ転移するの
で、外部磁場を用いれば電荷整列相の「溶けやすさ」を
さらに制御することができ、したがって、電流あるいは
電場誘起絶縁体−金属転移のしきい電流またはしきい電
場を外部磁場によってコントロールすることが可能であ
る。
I−V特性を示す。外部磁場の印加によりしきい電圧が
徐々に減少し、またI−V特性も非可逆的、つまり電圧
を取り除いても低抵抗状態にとどまるようになる。すな
わち、メモリー素子として使用できることがわかる。
のマンガン酸化物系結晶体における電流および電場誘起
相転移では、電気抵抗が数桁にわたって変化するのみな
らず、同時に反強磁性−強磁性の磁性変化もゼロ磁場下
で誘起される。これは一種の「電磁石」(電流で磁場を
つくる)であり、その動作原理は完全に新規であって今
までに見出されなかったものである。また、動作磁場を
特には必要としないため、従来のエレクトロニクス回路
中に容易に組み込むことができるという利点もある。
グ素子、磁性変化を利用した反強磁性−強磁性メモリな
どに利用できることは容易に想像できる。更に、走査ト
ンネル顕微鏡(STM)の探針によって高電界を印加す
ることにより、反強磁性絶縁体母体中に強磁性金属の領
域を自由に書き込む、という一種の「リソグラフィー」
なども可能である。
MnO3 結晶の各印加電圧(10V,300V,700
V)の下でのゼロ磁場下の電気抵抗の温度依存性を示す
特性図である。
チング特性を示す特性図である。
における各印加磁場(0T,2T,3T,4T)での電
流−印加電圧の関係を示す特性図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 MnO3 を母体とするマンガン酸化物材
料において、電流、あるいは電場によって誘起される絶
縁体−金属転移と、それにともなう反強磁性−強磁性転
移を用いることを特徴とするスイッチング素子。 - 【請求項2】 本発明はMnO3 を母体とするマンガン
酸化物材料において、電流、あるいは電場によって誘起
される絶縁体−金属転移と、それにともなう反強磁性−
強磁性転移を用いることを特徴とするメモリー素子。
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