WO2021192128A1 - ワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質および磁気抵抗素子 - Google Patents

ワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質および磁気抵抗素子 Download PDF

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宏 入江
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山本　秀樹
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Definitions

  • the present invention relates to a substance and a magnetoresistive element that exhibit a transport phenomenon of Weilfermions.
  • SrRuO 3 (perovskite structure), Curie temperature (T C) is a ferromagnetic metal up to 160K.
  • this SrRuO 3 has high chemical stability and high electrical conductivity, and has high consistency with perovskite oxides such as SrTIO 3. From these characteristics, SrRuO 3 is a promising substance for electronics applications such as MOSFETs and LEDs using oxides (Non-Patent Document 1).
  • SrRuO 3 is a substance that exhibits a tunnel magnetoresistive effect (Non-Patent Document 2) and can control a current in the magnetization direction by spin transfer torque (Non-Patent Document 3). Therefore, SrRuO 3 is a promising substance for spin electronics applications such as magnetoresistive memory (MRAM) and spin MOSFET (Non-Patent Document 4).
  • MRAM magnetoresistive memory
  • Non-Patent Document 5 the maximum value of the magnetic resistance ratio in SrRuO 3 so far is 65% (Non-Patent Document 5), and there is a problem that the magnetic field detection sensitivity is small in order to use it as a magnetic sensor.
  • Non-Patent Document 6 a Weilfermion having a linear band dispersion with zero mass is known in a substance (Non-Patent Document 6).
  • Weylfermions have high mobility as transport properties in substances. Therefore, Weilfermion is expected to be applied to devices such as transistors that operate at high speed and with low power consumption. Furthermore, Weilfermion is also promising for application to a highly sensitive magnetic field sensor utilizing the huge positive magnetoresistive effect derived from it and the chiral anomalous magnetoresistive effect, which is a large negative magnetoresistive effect.
  • Non-Patent Document 7 SrRuO 3 that transports Weil fermions and exhibits the transport phenomenon of Weil fermions, which has high mobility, a huge positive magnetoresistive effect, and a large negative chiral magnetoresistive effect, has not been obtained.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to obtain SrRuO 3 that exhibits a transport phenomenon of Weilfermions.
  • the substance exhibiting the transport phenomenon of Weilfermion according to the present invention is composed of SrRuO 3 , and the ratio of the resistivity at 300K to the resistivity at 4K is 20 or more.
  • the magnetoresistive element according to the present invention is composed of SrRuO 3 and is composed of a substance exhibiting a transport phenomenon of Weilfermion in which the ratio of the resistivity at 300K to the resistivity at 4K is 20 or more.
  • a storage layer and a first electrode and a second electrode connected to the storage layer are provided.
  • the ratio of the resistivity and resistivity at 4K at 300K has as being 20 or more, is SrRuO 3 expressing transport phenomena Weyl fermions can get.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the crystal structure of SrRuO 3.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which the SrRuO 3 layer 202 is formed on the growth substrate 201 made of SrTiO 3 (001).
  • FIG. 3 is a photograph showing a high-angle scattering annular dark-field scanning transmission microscope image of the SrRuO 3 layer 202.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing the temperature dependence of the resistivity of the SrRuO 3 thin film.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing the magnetic field dependence of the Hall resistivity of the SrRuO 3 thin film at 2K.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing a change in the magnetic resistivity at 2K of the SrRuO 3 thin film to which a magnetic field and an electric field are applied in parallel.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram showing a change in the magnetic resistivity at 2K of the SrRuO 3 thin film to which a magnetic field and an electric field are vertically applied.
  • FIG. 8 is a characteristic diagram showing the change in the magnetoresistivity at 14T of the SrRuO 3 thin film in which the angle ⁇ between the magnetic field and the electric field is changed by 360 degrees.
  • FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of the Hall element used for measuring the change in the magnetic reluctance of the SrRuO 3 thin film.
  • FIG. 10 shows the RRR dependence of the magnetic resistance ratio ⁇ xx (9T) ⁇ xx (0T) ⁇ / ⁇ xx (0T) of the SrRuO 3 thin film at 2K and 9T when a magnetic field and an electric field are applied vertically. It is a characteristic diagram which shows.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of the magnetoresistive element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of another magnetoresistive element according to the embodiment of the present invention.
  • the substance that expresses this transport phenomenon of Weilfermion is composed of SrRuO 3 , and the ratio of the resistivity ⁇ at 300K and the resistivity ⁇ at 4K [residual resistivity RRR ⁇ (300K) / ⁇ (4K)). ] Is 20 or more.
  • This substance can be assumed to have a stoichiometric composition of substantially SrRuO 3 .
  • the composition of each element of SrRuO 3 is within ⁇ 5%, the RRR can be 20 or more, the mobility exceeds 1000 cm 2 / Vs, and the reluctance ratio exceeds -10%.
  • a transport phenomenon of Weilfermions showing chiral anomalous magnetoresistance can be obtained.
  • the above-mentioned substance may be Sr 1-X A X RuO 3 in which a part of Sr is replaced with an alkali metal atom or an alkaline earth metal atom (A).
  • the range is X ⁇ 0.05, a transport phenomenon of Weilfermion showing a chiral anomalous magnetoresistance having a high mobility exceeding 1000 cm 2 / Vs and a magnetoresistive ratio of more than -10% can be obtained. Be done.
  • the substance may be a Sr 1-X A X Ru 1 -Y B Y O 3 obtained by substituting a part of Ru in the transition metal atom (B).
  • the range of Y ⁇ 0.05 the transport phenomenon of Weilfermion having a high mobility exceeding 1000 cm 2 / Vs and exhibiting a chiral anomalous magnetoresistance having a magnetoresistive ratio of more than -10% can be obtained.
  • SrRuO 3 has a cubic crystal structure in which strontium atom Sr, ruthenium atom Ru, and oxygen atom O are arranged at lattice points.
  • the substance (SrRuO 3 ) according to the embodiment has a residual resistivity ratio RRR ⁇ (300K), which is the ratio of the resistivity ⁇ (300K) at 300K and the resistivity ⁇ (4K) at 4K, which are the physical property values of this substance.
  • ) / ⁇ (4K) is 20 or more, and the transport phenomenon of Weilfermion is realized.
  • the substance according to the embodiment has a perovskite structure
  • a conventional well having no perovskite structure such as TaAs (Non-Patent Document 6), NbP (Reference 1), Co 3 Sn 2 S 2 (Reference 2), etc. It also has the advantage of being easier to incorporate into oxide epitaxial heterostructures than substances that exhibit fermion transport phenomena.
  • the substance (SrRuO 3 ) that exhibits the transport phenomenon of Weilfermions according to the embodiment can be used, for example, by forming it as a thin film on a predetermined substrate.
  • the residual resistivity ratio RRR ⁇ (300K) / ⁇ which is the ratio of the resistivity ⁇ (300K) at room temperature (300K) and the resistivity ⁇ (4K) at 4K). 4K is widely used.
  • SrRuO 3 As the above-mentioned growth method of SrRuO 3 , for example, there is a well-known molecular beam epitaxy method. Further, as a growth method other than the molecular beam epitaxy method, for example, SrRuO 3 capable of transporting Weilfermion can be produced by using sputtering or pulse laser ablation.
  • the shape of SrRuO 3 is not limited to the thin film formed on the substrate, but may be a powder shape or a bulk shape obtained by bulk synthesis technology.
  • a layer of SrRuO 3 was prepared. As shown in FIG. 2, on a growth substrate 201 made of SrTiO 3 (001) for growth, growing SrRuO 3 by well known molecular beam epitaxy, form a SrRuO 3 layer 202 made of SrRuO 3 bottom.
  • the growth substrate can also be made of a material such as MgO (001), (La 0.3 Sr 0.7 ) (Al 0.65 Ta 0.35 ) O 3 (001).
  • the substrate temperature was first set to 780 ° C. Further, the inside of the treatment tank having an ultra-high vacuum was set to an active oxygen atmosphere of about 0.0001333 Pa (10 -6 Torr). Under these conditions, SrRuO 3 was grown on the growth substrate 201 by supplying atomic rays of the alkaline earth metal Sr and the 4d transition metal Ru so as to have a predetermined composition ratio. The SrRuO 3 layer 202 was formed (grown) to a layer thickness of 63 nm.
  • FIG. 3 is an image obtained by injecting an electron beam into the SrRuO 3 layer 202 from the [110] direction.
  • the SrRuO 3 layer 202 is a single crystal in which Sr atoms and Ru atoms are arranged in a high order and has a perovskite-type structure, and is epitaxially single on a growth substrate 201 made of SrTiO 3. It can be seen that the crystal is growing.
  • FIG. 4 shows the temperature dependence of the resistance of the SrRuO 3 thin film.
  • the RRR value of the SrRuO 3 thin film is 81. Bending of electrical resistance, which indicates a transition from paramagnetism to ferromagnetism, is seen at 150K and the Curie temperature is 150K.
  • FIG. 5 shows the magnetic field dependence of the Hall resistivity of the SrRuO 3 thin film at 2K.
  • the mobility of the Weilfermion, which behaves as an electron, is 1516 cm 2 / Vs
  • the mobility of the Weilfermion, which behaves as a hole is 4917 cm 2 / Vs, which is estimated from the fitting by the multicarrier model to the hole resistance.
  • FIG. 6 shows the change in the reluctance of the SrRuO 3 thin film when a magnetic field and an electric field are applied in parallel at 2K.
  • extremely linear negative reluctance that is, chiral reluctance
  • the reluctance ratio ⁇ xx (14T) - ⁇ xx (0T) ⁇ / ⁇ xx (0T) at 14T is 16%.
  • ⁇ xx (0T) represents the resistance value at 0T.
  • ⁇ xx (14T) represents the resistance value at 14T.
  • the result is a very linear reluctance above 8T.
  • FIG. 7 shows the change in the reluctance of the SrRuO 3 thin film when a magnetic field and an electric field are applied vertically at 2K.
  • linear positive reluctance is observed, and the reluctance ratio ⁇ xx (14T) - ⁇ xx (0T) ⁇ / ⁇ xx (0T) at 14T is 108%.
  • the result is a reluctance with very good linearity.
  • FIG. 8 shows the change in the reluctance of the SrRuO 3 thin film when the angle ⁇ between the magnetic field and the electric field is changed by 360 degrees at 14T.
  • the angle ⁇ was changed in front of the Hall element surface.
  • the negative reluctance is minimized.
  • the reluctance ratio ⁇ xx (14T) ⁇ xx (0T) ⁇ / ⁇ xx (0T) is ⁇ 16%.
  • FIG. 10 shows the RRR dependence of the magnetic resistance ratio ⁇ xx (9T) ⁇ xx (0T) ⁇ / ⁇ xx (0T) of the SrRuO 3 thin film at 2K and 9T when a magnetic field and an electric field are applied vertically. ..
  • the RRR is 20 or more, the positive reluctance in which the magnetic field and the electric field are parallel, which is a feature of the transport phenomenon of Weilfermion, is obtained, and it can be seen that the transport phenomenon of Weilfermion is realized.
  • the present invention enables device applications that utilize the high mobility of Weilfermions and large positive or negative magnetoresistive ratios.
  • This magnetoresistive element includes a storage layer 301 composed of a substance (SrRuO 3 ) that exhibits the above-mentioned Weilfermion transport phenomenon, and a first electrode 302 and a second electrode 303 connected to the storage layer 301.
  • the storage layer 301 is formed on the conductive substrate 304.
  • the substrate 304 can be composed of, for example, Nb: SrTiO 3.
  • the first electrode 302 is formed on the storage layer 301 formed on the main surface of the substrate 304.
  • the second electrode 303 is formed on the back surface of the substrate 304.
  • a conductive layer composed of Nb: SrTIO 3 is formed on the insulating substrate, a layer of SrRuO 3 according to the present invention is formed as a storage layer on the conductive layer, and the conductive layer is insulating from the storage layer. It is also possible to separate it from the substrate and sandwich it between the first electrode and the second electrode.
  • the magnetoresistive element may also have the configuration shown in FIG.
  • This magnetoresistive element also includes a storage layer 311 composed of a substance (SrRuO 3 ) that exhibits a transport phenomenon of Weilfermions, and a first electrode 312 and a second electrode 313 connected to the storage layer 311.
  • the storage layer 311 is formed on the insulating substrate 314.
  • the substrate 314 can be composed of, for example, SrTIO 3.
  • the first electrode 312 and the second electrode 313 are formed on the same surface of the storage layer 301 so as to be separated from each other.
  • the resistance value of the above-mentioned reluctance element changes linearly due to the external magnetic field.
  • a positive reluctance (1000000% at 14T) is observed, and when it is horizontal, a negative reluctance (-100,000% at 14T) is observed.
  • the reluctance ratio takes the minimum value when the external magnetic field and the current are completely parallel, the direction of the external magnetic field can be determined by rotating this reluctance element.
  • this magnetoresistive element can be operated as a magnetic sensor that can detect not only the magnitude of the external magnetic field but also the direction of the external magnetic field.
  • This magnetoresistive element can be used as a memory such as an MRAM in addition to the magnetic sensor.

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Abstract

ワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質は、ＳｒＲｕＯ3から構成され、３００Ｋでの抵抗率ρと４Ｋでの抵抗率ρとの比［残留抵抗比ＲＲＲ≡ρ（３００Ｋ）／ρ（４Ｋ）］が２０以上とされている。従って、この物質（ＳｒＲｕＯ3）をＲＲＲが２０以上となる成長条件で作製すれば、ワイルフェルミオンの輸送現象が実現する。

Description

ワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質および磁気抵抗素子
　本発明は、ワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質および磁気抵抗素子に関する。
　ＳｒＲｕＯ3(ペロブスカイト構造)は、キュリー温度（ＴC）が最大１６０Ｋの強磁性金属である。また、このＳｒＲｕＯ3は、高い化学的安定性、高い電気伝導度を持ち、ＳｒＴｉＯ3などのペロブスカイト酸化物との間に高い整合性を備えている。これらの特徴から、ＳｒＲｕＯ3は、酸化物を利用したＭＯＳＦＥＴやＬＥＤなどのエレクトロニクス応用へ向けて有望な物質である（非特許文献１）。
　また、ＳｒＲｕＯ3は、トンネル磁気抵抗効果（非特許文献２）を示し、スピントランスファートルクによる磁化方向の電流制御（非特許文献３）が可能な物質である。このため、ＳｒＲｕＯ3は、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）やスピンＭＯＳＦＥＴなどのスピンエレクトロニクス応用へ向けても有望な物質である（非特許文献４）。ただし、これまでのＳｒＲｕＯ3における磁気抵抗比の最大値は６５％であり（非特許文献５）、磁気センサーとして利用するためには磁場検出感度が小さいという問題があった。
　ここで、物質中において、質量ゼロの線形なバンド分散を持つワイルフェルミオンが知られている（非特許文献６）。ワイルフェルミオンは、物質中における輸送特性として高い移動度を持つ。このため、ワイルフェルミオンは、高速かつ低消費電力で動作するトランジスタなどのデバイスへの応用が期待される。さらに、ワイルフェルミオンは、これに由来する巨大な正の磁気抵抗効果や、大きな負の磁気抵抗効果であるカイラル異常磁気抵抗を利用した高感度な磁場センサーなどへの応用にも有望である。
H. Y. Hwang et al., "Emergent phenomena at oxide interfaces", Nature Materials, vol. 11, pp. 103-113, 2012. D. C. Worledge and T. H. Geballe, "Negative Spin-Polarization of SrRuO3", PHYSICAL Review Letters, vol. 85, no. Negative Spin-Polarization of SrRuO3, pp. 5182-5185, 2000. L. Liu et al., "Current-induced magnetization switching in all-oxide heterostructures", Nature Nanotechnology, vol. 14, pp. 939-944, 2019. S. Sugahara and M. Tanaka, "A spin metal-oxide-semiconductor field-effect transistor using half-metallic-ferromagnet contacts for the source and drain", Applied Physics Letters, vol. 84, no. 13, pp. 2307-2309, 2004. A. P. Mackenzie et al., "Observation of quantum oscillations in the electrical resistivity of SrRuO3", Physical Review B, vol. 58, no. 20, R13318, 1998. X. Huang et al., "Observation of the Chiral-Anomaly-Induced Negative Magnetoresistance in 3D Weyl Semimetal TaAs", Physical Review X, vol. 5, no. 3, 031023, 2015. Y. Chen et al., "Weyl fermions and the anomalous Hall effect in metallic ferromagnets", Physical Review B, vol. 88, no. 12, 125110, 2013.
　ＳｒＲｕＯ3におけるワイルフェルミオンの存在は理論的に予測されている（非特許文献７）。しかしながら、ワイルフェルミオンを輸送し、高い移動度、巨大な正の磁気抵抗効果や、大きな負のカイラル異常磁気抵抗を備えた、ワイルフェルミオンの輸送現象を発現するＳｒＲｕＯ3が得られていない。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ワイルフェルミオンの輸送現象を発現するＳｒＲｕＯ3を得ることを目的とする。
　本発明に係るワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質は、ＳｒＲｕＯ3から構成され、３００Ｋでの抵抗率と４Ｋでの抵抗率との比が２０以上とされている。
　本発明に係る磁気抵抗素子は、ＳｒＲｕＯ3から構成され、３００Ｋでの抵抗率と４Ｋでの抵抗率との比が２０以上とされているワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質から構成された記憶層と、記憶層に接続する第１電極および第２電極とを備える。
　以上説明したように、本発明によれば、３００Ｋでの抵抗率と４Ｋでの抵抗率との比が２０以上とされているようにしたので、ワイルフェルミオンの輸送現象を発現するＳｒＲｕＯ3が得られる。
図１は、ＳｒＲｕＯ3の結晶構造を示す斜視図である。 図２は、ＳｒＴｉＯ3（００１）からなる成長基板２０１の上にＳｒＲｕＯ3層２０２を作製した状態を示す断面図である。 図３は、ＳｒＲｕＯ3層２０２の高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡像を示す写真である。 図４は、ＳｒＲｕＯ3薄膜の抵抗率の温度依存性を示す特性図である。 図５は、２ＫにおけるＳｒＲｕＯ3薄膜のホール抵抗率の磁場依存性を示す特性図である。 図６は、磁場と電場を平行に印加したＳｒＲｕＯ3薄膜の、２Ｋにおける磁気抵抗率の変化を示す特性図である。 図７は、磁場と電場を垂直に印加したＳｒＲｕＯ3薄膜の、２Ｋにおける磁気抵抗率の変化を示す特性図である。 図８は、磁場と電場の間の角度αを３６０度変化させたＳｒＲｕＯ3薄膜の、１４Ｔにおける磁気抵抗率の変化を示す特性図である。 図９は、ＳｒＲｕＯ3薄膜の磁気抵抗率変化の測定に用いたホール素子の構成を示す斜視図である。 図１０は、磁場と電場を垂直に印加した際の、２Ｋ、９ＴにおけるＳｒＲｕＯ3薄膜の磁気抵抗比｛ρxx（９Ｔ）－ρxx（０Ｔ）｝／ρxx（０Ｔ）のＲＲＲ依存性を示す特性図である。 図１１は、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。 図１２は、本発明の実施の形態に係る他の磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。
　以下、本発明の実施の形態に係るワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質について説明する。このワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質は、ＳｒＲｕＯ3から構成され、３００Ｋでの抵抗率ρと４Ｋでの抵抗率ρとの比［残留抵抗比ＲＲＲ≡ρ（３００Ｋ）／ρ（４Ｋ）］が２０以上とされている。
　この物質は、化学量論組成が、実質的にＳｒＲｕＯ3とされているものとすることができる。例えば、ＳｒＲｕＯ3の各元素の組成は、±５％以内であれば、ＲＲＲを２０以上とすることができ、１０００ｃｍ2／Ｖｓを超える高い移動度を持ち、－１０％を超える磁気抵抗比を持つカイラル異常磁気抵抗を示すワイルフェルミオンの輸送現象が得られる。
　また、上記物質は、Ｓｒの一部をアルカリ金属原子またはアルカリ土類金属原子（Ａ）で置換したＳｒ1-XＡXＲｕＯ3とすることもできる。この場合、Ｘ＜０．０５の範囲であれば、１０００ｃｍ2／Ｖｓを超える高い移動度を持ち、－１０％を超える磁気抵抗比を持つカイラル異常磁気抵抗を示すワイルフェルミオンの輸送現象が得られる。
　また、上記物質は、Ｒｕの一部を遷移金属原子（Ｂ）で置換したＳｒ1-XＡXＲｕ1-YＢYＯ3とすることもできる。Ｙ＜０．０５の範囲であれば、１０００ｃｍ2／Ｖｓを超える高い移動度を持ち、－１０％を超える磁気抵抗比を持つカイラル異常磁気抵抗を示すワイルフェルミオンの輸送現象が得られる。
　ＳｒＲｕＯ3は、図１に示すように、ストロンチウム原子Ｓｒ、ルテニウム原子Ｒｕ、酸素原子Ｏが、格子点に配置された立方晶系の結晶構造とされている。実施の形態に係る物質（ＳｒＲｕＯ3）は、本物質の物性値である３００Ｋでの抵抗率ρ（３００Ｋ）と４Ｋでの抵抗率ρ（４Ｋ）の比である残留抵抗比ＲＲＲ≡ρ（３００Ｋ）／ρ（４Ｋ）が、２０以上となる条件で作製すれば、ワイルフェルミオンの輸送現象が実現する。実施の形態に係る物質は、ペロブスカイト構造を持つため、ＴａＡｓ（非特許文献６）、ＮｂＰ（参考文献１）、Ｃｏ3Ｓｎ2Ｓ2（参考文献２）などのペロブスカイト構造を持たない従来のワイルフェルミオンの輸送現象を示す物質に比べ、酸化物エピタキシャルヘテロ構造に組み込みやすいという利点も持つ。
　実施の形態に係るワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質（ＳｒＲｕＯ3）は、例えば、所定の基板の上に薄膜として形成して用いることができる。ここで、ＳｒＲｕＯ3薄膜の品質の指標として、室温（３００Ｋ）での抵抗率ρ（３００Ｋ）と４Ｋでの抵抗率ρ（４Ｋ）の比である残留抵抗比ＲＲＲ≡ρ（３００Ｋ）／ρ（４Ｋ）が、広く用いられている。
　Ｒｕ欠損やＲｕＯ2析出物などが少ない高品質なＳｒＲｕＯ3薄膜ほど、ρ(４Ｋ）が小さく、ＲＲＲを大きくできる。ＳｒＲｕＯ3において、ワイルフェルミオンの輸送特性である高い移動度、カイラル異常磁気抵抗を発現するには、ＲＲＲが２０を超える結晶成長条件においてＳｒＲｕＯ3を作製することが重要となる。ＲＲＲが２０を超えるＳｒＲｕＯ3であれば、成長方法に関係なくワイルフェルミオンの輸送が実現できる。
　上述したＳｒＲｕＯ3の成長方法としては、例えば、よく知られた分子線エピタキシー法がある。また、分子線エピタキシー法以外の成長方法としては、例えば、スパッタリングやパルスレーザーアブレーションを用いてもワイルフェルミオンの輸送ができるＳｒＲｕＯ3の作製が実現できる。ＳｒＲｕＯ3の形状は、基板上に形成した薄膜に限るものではなく、バルク合成技術により得られる粉末形状やバルク形状とすることもできる。
　以下、実験の結果を用いてより詳細に説明する。
　まず、実験では、ＳｒＲｕＯ3の層を作製した。図２に示すように、成長のためのＳｒＴｉＯ3（００１）からなる成長基板２０１の上に、よく知られた分子線エピタキシー法によりＳｒＲｕＯ3を成長し、ＳｒＲｕＯ3からなるＳｒＲｕＯ3層２０２を形成した。なお、成長基板は、ＭｇＯ（００１）、（Ｌａ0.3Ｓｒ0.7）（Ａｌ0.65Ｔａ0.35）Ｏ3（００１）などの材料から構成することもできる。
　分子線エピタキシーによるＳｒＲｕＯ3層２０２の形成では、まず、基板温度７８０℃の条件とした。また、超高真空とした処理槽内を、０．０００１３３３Ｐａ（１０-6Ｔｏｒｒ）程度の活性酸素雰囲気下とした。これらの条件下で、アルカリ土類金属Ｓｒ、４ｄ遷移金属Ｒｕの原子線を、所定の組成比となるように供給することにより、成長基板２０１の上にＳｒＲｕＯ3を成長した。ＳｒＲｕＯ3層２０２は、層厚６３ｎｍに形成（成長）した。
　作製したＳｒＲｕＯ3層２０２を、高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡（ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ）により観察した結果（顕微鏡像）について、図３を用いて説明する。図３は、ＳｒＲｕＯ3層２０２に、［１１０］方向から電子線を入射して取得した像である。
　図３に示すように、ＳｒＲｕＯ3層２０２は、Ｓｒ原子とＲｕ原子が高秩序に配列しており、ペロブスカイト型構造を有する単結晶であり、ＳｒＴｉＯ3からなる成長基板２０１の上にエピタキシャルに単結晶成長していることがわかる。
　図４に、ＳｒＲｕＯ3薄膜の抵抗の温度依存性を示す。ＳｒＲｕＯ3薄膜のＲＲＲの値は８１である。常磁性から強磁性への転移を示す電気抵抗の折れ曲がりが１５０Ｋで見られ、キュリー温度は１５０Ｋである。
　図５に、２ＫにおけるＳｒＲｕＯ3薄膜のホール抵抗率の磁場依存性を示す。ホール抵抗に対するマルチキャリアモデルによるフィッティングから見積もられた、電子として振る舞うワイルフェルミオンの移動度は、１５１６ｃｍ2／Ｖｓ、ホールとして振る舞うワイルフェルミオンの移動度は、４９１７ｃｍ2／Ｖｓである。
　図６に、２Ｋにおける、磁場と電場を平行に印加した際の、ＳｒＲｕＯ3薄膜の磁気抵抗の変化を示す。８Ｔ以上において、極めて線形な負の磁気抵抗、即ちカイラル異常磁気抵抗が見られ、１４Ｔにおける磁気抵抗比｛ρxx（１４Ｔ）－ρxx（０Ｔ）｝／ρxx（０Ｔ）は１６％となっている。ここで、ρxx（０Ｔ）は０Ｔにおける抵抗値を表す。また、ρxx（１４Ｔ）は、１４Ｔにおける抵抗値を表す。この結果は、８Ｔ以上において極めて線形な磁気抵抗である。
　図７に、２Ｋにおける、磁場と電場を垂直に印加した際の、ＳｒＲｕＯ3薄膜の磁気抵抗の変化を示す。４Ｔ以上において、線形な正の磁気抵抗が見られ、１４Ｔにおける磁気抵抗比｛ρxx（１４Ｔ）－ρxx（０Ｔ）｝／ρxx（０Ｔ）は１０８％となっている。この結果は、非常に良い線形性を持った磁気抵抗である。
　図８に、１４Ｔにおいて、磁場と電場の間の角度αを３６０度変化させた際の、ＳｒＲｕＯ3薄膜の磁気抵抗の変化を示す。ここで、図９に示すようにホール素子面直において角度αを変化させた。外部磁場が磁気抵抗素子に流している電流に対して水平の場合（α＝０度または１８０度）に負の磁気抵抗が最小になる。このとき、１４Ｔで、磁気抵抗比｛ρxx（１４Ｔ）－ρxx（０Ｔ）｝／ρxx（０Ｔ）が－１６％である。
　図１０に、磁場と電場を垂直に印加した際の２Ｋ、９ＴにおけるＳｒＲｕＯ3薄膜の磁気抵抗比｛ρxx（９Ｔ）－ρxx（０Ｔ）｝／ρxx（０Ｔ）のＲＲＲ依存性を示す。ＲＲＲが２０以上において、ワイルフェルミオンの輸送現象の特徴である、磁場と電場が平行での正の磁気抵抗が得られ、ワイルフェルミオンの輸送現象が実現していることが分かる。
　ワイルフェルミオンの移動度および磁気抵抗比の大きさは、ＲＲＲが大きいほど大きな値が得られ、上述した実験の結果では、ＲＲＲ＝２００においては１００００００ｃｍ2／Ｖｓを超える高い移動度、１００００００％を超える線形な正の磁気抵抗、－１０００００％を超える負のカイラル異常磁気抵抗が得られた。
　このような、ＳｒＲｕＯ3におけるワイルフェルミオンの輸送現象の報告例はなく、今回初めて実現されたものである。本発明により、ワイルフェルミオンの高い移動度や大きな正または負の磁気抵抗比を利用したデバイス応用が可能になる。
　次に、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗素子について、図１１を参照して説明する。この磁気抵抗素子は、上述したワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質（ＳｒＲｕＯ3）から構成された記憶層３０１と、記憶層３０１に接続する第１電極３０２および第２電極３０３とを備える。この例では、記憶層３０１は、導電性の基板３０４の上に形成されている。基板３０４は、例えば、Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ3から構成することができる。また、第１電極３０２は、基板３０４の主表面の上に形成された記憶層３０１の上に形成されている。一方、第２電極３０３は、基板３０４の裏面に形成されている。なお、絶縁性の基板の上に、Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ3から構成した導電層を形成し、この上に、本発明に係るＳｒＲｕＯ3の層を記憶層として形成し、導電層を記憶層と絶縁性基板から分離し、これら第１電極と第２電極とではさむ構成とすることもできる。
　磁気抵抗素子は、図１２に示す構成とすることもできる。この磁気抵抗素子も、ワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質（ＳｒＲｕＯ3）から構成された記憶層３１１と、記憶層３１１に接続する第１電極３１２および第２電極３１３とを備える。この例では、絶縁性の基板３１４の上に、記憶層３１１が形成されている。基板３１４は、例えば、ＳｒＴｉＯ3から構成することができる。また、第１電極３１２および第２電極３１３は、記憶層３０１の同じ面上に互いに離間して形成されている。
　上述した磁気抵抗素子は、外部磁場によって、抵抗値が線形に変化する。ここで、外部磁場が磁気抵抗素子に流している電流に対して垂直の場合は、正の磁気抵抗（１４Ｔで１００００００％）、水平の場合は負の磁気抵抗（１４Ｔで－１０００００％）が観測される。外部磁場と電流が、完全に平行の場合に磁気抵抗比は最小値を取るため、この磁気抵抗素子を回転させることで、外部磁場の方向を決定できる。このように、この磁気抵抗素子は、外部磁場の大きさだけでなく、外磁場の方向も検出できる磁気センサーとして動作させることができる。この磁気抵抗素子は、磁気センサー以外にもＭＲＡＭなどのメモリとして使用することが可能である。
　以上に説明したように、本発明によれば、３００Ｋでの抵抗率と４Ｋでの抵抗率との比を２０以上とするので、ワイルフェルミオンの輸送現象を発現するＳｒＲｕＯ3を得ることができる。
　なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
［参考文献１］C. Shekhar et al., "Extremely large magnetoresistance and ultrahigh mobility in the topological Weyl semimetal candidate NbP", Nature Physics, vol. 11, pp. 645-649, 2015.
［参考文献２］D. F. Liu et al., "Magnetic Weyl semimetal phase in a Kagome crystal", Science, vol. 365, pp. 1282-1285, 2019.
　２０１…成長基板、２０２…ＳｒＲｕＯ3層、３０１…記憶層、３０２…第１電極、３０３…第２電極、３０４…基板、３１１…記憶層、３１２…第１電極、３１３…第２電極、３１４…基板。

Claims (4)

  1. 　ＳｒＲｕＯ3から構成され、３００Ｋでの抵抗率と４Ｋでの抵抗率との比が２０以上とされているワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質。
  2. 　ＳｒＲｕＯ3から構成され、３００Ｋでの抵抗率と４Ｋでの抵抗率との比が２０以上とされているワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質から構成された記憶層と、
    　前記記憶層に接続する第１電極および第２電極と
    　を備える磁気抵抗素子。
  3. 　請求項２記載の磁気抵抗素子において、
    　前記記憶層が形成された導電性の基板を備え、
    　前記第１電極は、前記基板の主表面の上に形成された前記記憶層の上に形成され、
    　前記第２電極は、前記基板の裏面に形成されている
    　ことを特徴とする磁気抵抗素子。
  4. 　請求項２記載の磁気抵抗素子において、
    　前記第１電極および前記第２電極は、前記記憶層の同じ面上に互いに離間して形成されていることを特徴とする磁気抵抗素子。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004179219A (ja) * 2002-11-25 2004-06-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 磁気デバイスおよびこれを用いた磁気メモリ
JP2006013430A (ja) * 2004-05-28 2006-01-12 Fujitsu Ltd 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置
JP2006237304A (ja) * 2005-02-25 2006-09-07 Osaka Industrial Promotion Organization 強磁性伝導体材料およびその製造方法、並びに磁気抵抗素子、電界効果トランジスタ
WO2011093363A1 (ja) * 2010-01-29 2011-08-04 株式会社アルバック 記憶素子及び記憶方法
JP2013195593A (ja) * 2012-03-17 2013-09-30 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> 光変調素子および空間光変調器

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8003511B2 (en) 2008-12-19 2011-08-23 Unity Semiconductor Corporation Memory cell formation using ion implant isolated conductive metal oxide
JP2007027493A (ja) 2005-07-19 2007-02-01 Nec Corp 磁気抵抗効果素子およびその製造方法
JP4846816B2 (ja) 2009-03-19 2011-12-28 株式会社東芝 抵抗変化型メモリ

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004179219A (ja) * 2002-11-25 2004-06-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 磁気デバイスおよびこれを用いた磁気メモリ
JP2006013430A (ja) * 2004-05-28 2006-01-12 Fujitsu Ltd 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置
JP2006237304A (ja) * 2005-02-25 2006-09-07 Osaka Industrial Promotion Organization 強磁性伝導体材料およびその製造方法、並びに磁気抵抗素子、電界効果トランジスタ
WO2011093363A1 (ja) * 2010-01-29 2011-08-04 株式会社アルバック 記憶素子及び記憶方法
JP2013195593A (ja) * 2012-03-17 2013-09-30 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> 光変調素子および空間光変調器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GREBINSKIJ S, MASYS Š, MICKEVIČIUS S, LISAUSKAS V, JONAUSKAS V: "Ab initio and photoemission study of correlation effects in SrRuO3 thin films", PHYSICAL REVIEW B, AMERICAN PHYSICAL SOCIETY, US, vol. 87, no. 3, 4 January 2013 (2013-01-04), US , pages 035106-1 - 035106-11, XP055863407, ISSN: 1098-0121, DOI: 10.1103/PhysRevB.87.035106 *

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