(57)【要約】  導電性からなる強磁性体粒子１０を含むマトリックス１２と、前記強磁性体粒子にキャリアを注入する注入部２０と、前記強磁性体粒子から前記キャリアを受容する受容部２２と、を具備し、磁場により前記強磁性体粒子の磁化状態が磁気トンネルし反転する際に、前記強磁性体粒子を介し前記注入部から前記受容部に前記キャリアがトンネル伝導する磁気電気エネルギー変換装置。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性からなる強磁性体粒子を含むマトリックスと、
前記強磁性体粒子にキャリアを注入する注入部と、
前記強磁性体粒子から前記キャリアを受容する受容部と、
を具備し、
磁場により前記強磁性体粒子の磁化状態が磁気トンネルし反転する際に、前記強磁性体粒子を介し前記注入部から前記受容部に前記キャリアがトンネル伝導する磁気電気エネルギー変換装置。
【請求項２】
前記マトリックスは、前記注入部と前記受容部との間に設けられている請求項１記載の磁気電気エネルギー変換装置。
【請求項３】
前記マトリックスと前記注入部との間と、前記マトリックスと前記受容部との間と、の少なくとも一方に、前記キャリアの障壁となり、かつ前記キャリアがトンネル可能な障壁層を具備する請求項２記載の磁気電気エネルギー変換装置。
【請求項４】
前記マトリックスと前記強磁性体粒子とは１つの単結晶である請求項１から３のいずれか一項記載の磁気電気エネルギー変換装置。
【請求項５】
前記マトリックスはＧａＡｓであり、前記強磁性体粒子は閃亜鉛鉱型ＭｎＡｓである請求項４記載の磁気電気エネルギー変換装置。
【請求項６】
前記注入部は、前記磁場と同じ方向にスピン偏極したキャリアを前記強磁性体粒子に注入する請求項１から５のいずれか一項記載の磁気電気エネルギー変換装置。
【請求項７】
前記強磁性体粒子はナノ粒子である請求項１から６のいずれか一項記載の磁気電気エネルギー変換装置。
【請求項８】
前記１から７のいずれか一項記載の磁気電気エネルギー変換装置を含み、前記注入部と前記受容部との間に生じる起電力により電力を供給する電源装置。
【請求項９】
前記１から７のいずれか一項記載の磁気電気エネルギー変換装置を含み、前記注入部と前記受容部との間に生じる起電力により前記磁場の強さを検知する磁気センサ。
【請求項１０】
前記１から７のいずれか一項記載の磁気電気エネルギー変換装置を含み、前記注入部と前記受容部との間の磁気抵抗により前記磁場の強さを検知する磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気電気エネルギー変換装置、電源装置および磁気センサに関し、例えば、磁場により起電力が発生することを用いた磁気電気エネルギー変換装置、電源装置および磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘導の法則では、磁場の時間的な変化により起電力が生じる。近年、静磁場の磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する変換素子が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開２００７／１５４７５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に係る変換素子では、静磁場の磁気エネルギーから電気エネルギーへの変換によって生じる起電力は極めて短時間である。また、起電力の大きさは１００μＶ／Ｔｅｓｌａと小さい。【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、長時間の起電力の発生を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、導電性からなる強磁性体粒子を含むマトリックスと、前記強磁性体粒子にキャリアを注入する注入部と、前記強磁性体粒子から前記キャリアを受容する受容部と、を具備し、磁場により前記強磁性体粒子のスピンが磁気トンネルし反転する際に、前記強磁性体粒子を介し前記注入部から前記受容部に前記キャリアがトンネル伝導する磁気電気エネルギー変換装置である。本発明によれば、磁場により強磁性体粒子の磁化状態が磁気トンネルし反転する際に、強磁性体粒子を介し注入部から受容部にキャリアがトンネル伝導することにより、長時間の起電力を発生させることができる。【０００７】
上記構成において、前記マトリックスは、前記注入部と前記受容部との間に設けられている構成とすることができる。【０００８】
上記構成において、前記マトリックスと前記注入部との間と、前記マトリックスと前記受容部との間と、の少なくとも一方に、前記キャリアの障壁となり、かつ前記キャリアがトンネル可能な障壁層を具備する構成とすることができる。【０００９】
上記構成において、前記マトリックスと前記強磁性体粒子とは１つの単結晶である構成とすることができる。【００１０】
上記構成において、前記マトリックスはＧａＡｓであり、前記強磁性体粒子は閃亜鉛鉱型ＭｎＡｓである構成とすることができる。【００１１】
上記構成において、前記注入部は、前記磁場と同じ方向にスピン偏極したキャリアを前記強磁性体粒子に注入する構成とすることができる。【００１２】
上記構成において、前記強磁性体粒子はナノ粒子である構成とすることができる。【００１３】
本発明は、上記磁気電気エネルギー変換装置を含み、前記注入部と前記受容部との間に生じる起電力により電力を供給する電源装置である。【００１４】
本発明は、上記磁気電気エネルギー変換装置を含み、前記注入部と前記受容部との間に生じる起電力により前記磁場の強さを検知する磁気センサである。【００１５】
本発明は、上記磁気電気エネルギー変換装置を含み、前記注入部と前記受容部との間の磁気抵抗により前記磁場の強さを検知する磁気センサである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、長時間の起電力の発生を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施形態に係る磁気電気エネルギー変換装置の断面模式図である。
【図２】図２は、強磁性体粒子のエネルギー状態を示す図である。
【図３】図３は、強磁性体粒子のスピンが−Ｓ状態からＳ状態に遷移した場合の電子の伝導を説明する図である。
【図４】図４は、スピン起電力の磁場依存性を示した模式図である。
【図５】図５は、実施例に係る磁気電気エネルギー変換装置の断面模式図である。
【図６】図６は、磁気電気エネルギー変換装置の断面を観察したＴＥＭ像である。
【図７】図７は、磁気電気エネルギー変換装置に電圧Ｖを印加したときの電流Ｉを示す図である。
【図８】図８は、起電力Ｖｅｍｆの時間依存を示した図である。
【図９】図９は、磁場Ｈに対する抵抗Ｒを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、実施形態に係る磁気電気エネルギー変換装置の断面模式図である。注入部２０と受容部２２との間に、それぞれトンネル障壁１４および１６を介しマトリックス１２が設けられている。マトリックス１２内には導電性の強磁性体粒子１０が形成されている。注入部２０は、電子等のキャリアを強磁性体粒子１０に注入する。受容部２２はキャリアを強磁性体粒子１０から受容する。注入部２０および受容部２２は、例えば、強磁性金属または非磁性金属、縮退した半導体等の導電体からなる層である。トンネル障壁１４は、注入部２０からキャリアが強磁性体粒子１０に伝導する際にトンネル障壁として機能する。トンネル障壁１６は、強磁性体粒子１０から受容部２２にキャリアが伝導する際にトンネル障壁として機能する。トンネル障壁１４および１６は、マトリックス１２よりバンドギャップの大きい層とすることができる。また、トンネル障壁１４および１６は、金属である強磁性体粒子１０と半導体であるマトリックス１２との間に生じるショットキー障壁でもよい。
【００１９】
マトリックス１２は、例えば半導体または絶縁体であり、少なくとも、注入部２０から受容部２２に強磁性体粒子１０を介さずキャリアが伝導しない程度の絶縁性を有する。また、注入部２０から強磁性体粒子１０、強磁性体粒子１０から受容部２２にキャリアがトンネル伝導可能なように、マトリックス１２の少なくとも強磁性体粒子１０の周囲は絶縁性であることが好ましい。強磁性体粒子１０としては、強磁性体であり導電性である強磁性金属または強磁性ハーフメタルを用いることができる。また強磁性体粒子は磁気異方性があることが好ましい。
【００２０】
注入部２０と強磁性体粒子１０との間隔は、注入部２０のキャリアが強磁性体粒子１０にトンネル伝導できる程度であることが好ましい。同様に、受容部２２と強磁性体粒子１０との間隔は、強磁性体粒子１０のキャリアが注入部２０にトンネル伝導できる程度であることが好ましい。また、強磁性体粒子１０の大きさは、強磁性体粒子１０の磁化状態が磁気トンネルできる程度であることが好ましい。例えば、強磁性体粒子１０は、ナノ粒子であることが好ましい。
【００２１】
図２は、強磁性体粒子１０のエネルギー状態を示す図である。図１のように、磁場Ｈを水平方向に印加した場合のエネルギー状態を示している。磁場Ｈが印加されると、強磁性体粒子１０内の磁化は、Ｓ状態と−Ｓ状態にスピン分離する。Ｓ状態は、磁場の方向とスピン方向が同じ場合であり、−Ｓ状態は磁場の方向とスピン方向が反対の場合である。Ｓ状態と−Ｓ状態のエネルギー差（ゼーマンエネルギー）は、２ｇμＢＳＨである。ここで、ｇはｇ因子、μＢは透磁率、Ｓは強磁性体粒子のスピンモーメント、Ｈは磁場である。強磁性体粒子１０は磁場Ｈを印加した方向の磁化が安定するような磁気異方性を有している。このため、Ｓ状態と−Ｓ状態との間にはＡＳ２の磁気障壁が生じる。ここで、Ａは一軸磁気異方性を表す係数である。
【００２２】
また、強磁性体粒子１０が直径数ナノメーター程度と非常に小さいため、磁化状態はＳ−１状態からＳ−４状態、−（Ｓ−１）状態から−（Ｓ−２）状態のように量子化されている。量子化された隣の準位とのエネルギー差（例えばＳ状態とＳ−１状態とのエネルギー差）は、２ｇμＢＳＨａである。ここで、Ｈａ＝Ａ／ｇμＢである。強磁性体粒子１０が非常に小さい場合、強磁性体粒子１０の磁化状態が−Ｓ状態からＳ状態に磁気障壁を磁気トンネルする。
【００２３】
図３は、強磁性体粒子１０の磁化が−Ｓ状態からＳ状態に遷移した場合の電子の伝導を説明する図である。なお、実際は、後述するように、Ｓ状態からＳ−１状態またはＳ−２状態等への遷移の場合もありうるが、ここでは、簡単のため、−Ｓ状態からＳ状態への遷移を例に説明する。強磁性体粒子１０のうち、強磁性体粒子１０ｂは磁場方向に磁化し、強磁性体粒子１０ａは磁場Ｈと反対方向に磁化している。つまり、強磁性体粒子１０ａの磁化は、図２の−Ｓ状態であり、強磁性体粒子１０ｂの磁化は、図２のＳ状態である。矢印３０のように、強磁性体粒子１０ａの磁化状態が−Ｓ状態からＳ状態に磁気トンネルする際、キャリアのトンネル障壁１４および１６を介したトンネル伝導を引き起こす。図３において、注入部２０内の磁場Ｈと同じ方向の磁気モーメントをもつスピン電子３４は、トンネル障壁１４をトンネルし強磁性体粒子１０ａに伝導する。さらに、トンネル障壁１６をトンネルし受容部２２に伝導する（矢印３２）。このとき、受容部２２に到達した電子３４のスピン磁気モーメントは反転し磁場と反対方向となる。強磁性体粒子１０ａの磁化が−Ｓ状態とＳ状態とのエネルギー差に相当する電位差が注入部２０と受容部２２との間に生じる。この電位差をスピン起電力という。
【００２４】
図４は、スピン起電力の磁場依存性を示した模式図である。磁場Ｈが小さい場合、−Ｓ状態はＳ−１状態よりエネルギーが低い。この場合、強磁性体粒子１０の磁化状態は、磁気トンネルにより、−Ｓ状態からＳ状態に遷移する。よって、２ｇμＢＳＨ／ｅのスピン起電力が生じる。磁場が大きくなり、−Ｓ状態のエネルギーがＳ−１状態とＳ−２状態との間の場合、強磁性体粒子１０の磁化状態は、磁気トンネルにより、−Ｓ状態からＳ−１状態に遷移する。よって、２ｇμＢＳ（Ｈ−Ｈａ）／ｅのスピン起電力が発生する。同様に、−Ｓ状態のエネルギーがＳ−１状態とＳ−２状態との間の場合（図３に相当する場合）、強磁性体粒子１０の磁化状態は、磁気トンネルにより、−Ｓ状態からＳ−２状態に遷移する。よって、２ｇμＢＳ（Ｈ−２Ｈａ）／ｅのスピン起電力が発生する。磁場Ｈが逆方向に印加された場合も同様である。このようにして、図４のように、スピン起電力は、磁場が大きくなると、別の枝に遷移するように振舞う。
【００２５】
以上のように、本実施形態によれば、磁場により強磁性体粒子１０の磁化状態が磁気トンネルし反転する際に、強磁性体粒子１０を介し注入部２０から受容部２２にキャリアがトンネル伝導する。これにより、静磁場の磁気エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。また、磁気トンネルの時定数を１００秒以上と長くすることができる。よって、特許文献１に比べ、静磁場によって生じた起電力を長時間保持することができる。また、起電力の大きさは特許文献１と比べてＳ倍大きくなる。例えば、Ｓが約２００のとき、起電力は２０ｍＶ／Ｔｅｓｌａに達する。
【００２６】
受容部２２に伝導したキャリアが注入部２０に戻らないように、マトリックス１２と注入部２０との間と、マトリックス１２と受容部２２との間と、の少なくとも一方に、キャリアの障壁となり、かつキャリアがトンネル可能な障壁層（例えば、トンネル障壁１４または１６）を有することが好ましい。また、キャリアが強磁性体粒子１０を介して注入部２０に戻らないように、クーロン・ブロックケード効果を利用するため、強磁性体粒子１０はナノ粒子であることが好ましい。強磁性体粒子１０のサイズ（例えば直径）は数ナノメートルであることが好ましい。
【００２７】
以下、本実施形態の実施例について説明する。
【実施例】
【００２８】
図５は、実施例に係る磁気電気エネルギー変換装置の断面模式図である。図５を参照し、基板温度を５８０℃とし、Ｐ型ＧａＡｓ基板４０の（００１）面上に、Ｂｅを添加したＰ型ＧａＡｓ層４２をＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用い形成した。Ｐ型ＧａＡｓ層４２の膜厚は２０ｎｍである。【００２９】
Ｐ型ＧａＡｓ層４２成長後、基板温度を２４０℃に降温し、Ｐ型ＧａＡｓ層４２上に膜厚が１０ｎｍのＧａ０．９４Ｍｎ０．０６Ａｓ層を形成した。Ｇａ０．９４Ｍｎ０．０６Ａｓ層上にＡｌＡｓ障壁層４８をＭＢＥ法を用い形成した。ＡｌＡｓ障壁層４８の膜厚は２．１ｎｍである。ＡｌＡｓ障壁層４８上にＧａＡｓスペーサ層５０をＭＢＥ法を用い形成した。ＧａＡｓスペーサ層５０の膜厚は１ｎｍである。その後、ＭＢＥチャンバ内で基板温度を４８０℃とし、２０分間熱処理した。これにより、Ｇａ０．９４Ｍｎ０．０６Ａｓ層からＭｎＡｓ強磁性体粒子４６を含むＧａＡｓマトリックス層４４が形成された。ＧａＡｓマトリックス層４４の膜厚は１０ｎｍである。強磁性体粒子４６は、閃亜鉛鉱型結晶構造のＭｎＡｓであり、直径は約２〜３ｎｍである。【００３０】
ＧａＡｓスペーサ層５０上にＭＢＥ法を用いＭｎＡｓ強磁性体層５２を形成した。ＭｎＡｓ強磁性体層５２の膜厚は２０ｎｍであり、ＮｉＡｓ型六方晶結晶構造を有している。ＭｎＡｓ強磁性体層５２上にＡｕ電極を形成した。Ａｕ電極５４からＰ型ＧａＡｓ層４２までは円柱状のメサ形状を有しており、円柱の半径は１００μｍである。メサの側面は絶縁膜で覆われている。【００３１】
図５において、実施形態の注入部２０には、例えば、ＭｎＡｓ強磁性体層５２とＡｕ電極５４とが対応する。実施形態のトンネル障壁１４には、例えば、ＡｌＡｓ障壁層４８が対応する。実施形態のトンネル障壁１６には、例えば、ＭｎＡｓ強磁性体粒子４６とＧａＡｓマトリックス層４４とのショットキー障壁が対応する。実施形態の注入部２０には、例えば、ＧａＡｓ基板４０とＰ型ＧａＡｓ層４２とが対応する。【００３２】
４８０℃の熱処理を５５０℃以上で行うと、ＭｎＡｓ強磁性体粒子４６はＮｉＡｓ型結晶構造となり、閃亜鉛鉱型結晶構造とはならない。また、ＧａＡｓスペーサ層５０は、ＭｎＡｓ強磁性体層５２の膜質向上のため設けることが好ましい。【００３３】
図６は、磁気電気エネルギー変換装置の断面を観察したＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）像である。ＧａＡｓマトリックス層４４内にＭｎＡｓ強磁性体粒子４６が観測される。ＧａＡｓマトリックス層４４とＭｎＡｓ強磁性体粒子４６とは同じ単結晶となっており、閃亜鉛鉱型結晶構造を有している。ＭｎＡｓ強磁性体粒子４６の直径は２〜３ｎｍである。【００３４】
図７は、磁気電気エネルギー変換装置に電圧Ｖを印加したときの電流Ｉを示す図である。図５のように、Ａｕ電極５４とＧａＡｓ基板４０との間に電圧Ｖを印加した。図７中、破線は磁場Ｈが０Ｇのとき、実線はＨ＝１０ｋＧのときの電流電圧特性を示している。測定した温度は３Ｋである。磁場を印加しない場合、電圧Ｖが０Ｖ付近では、電流はほとんど流れず、素子抵抗が非常に大きい。これは、強磁性体粒子４６が非常に小さいため、電子がトンネル伝導で強磁性体粒子４６に入ると、電子が連続的にトンネル伝導し難くなるというクーロン・ブロッケード効果に起因するものである。連続的に電子のトンネル伝導するためには、例えば強磁性体粒子４６の直径が２ｎｍの場合、５０ｍｅＶ程度のエネルギーが必要となる。電圧が５０ｍＶ程度となると、電流Ｉは非常に大きくなる。つまり抵抗が非常に小さくなる。【００３５】
図７において、磁場Ｈ＝１０ｋＧの場合、電流Ｉが０となる電圧Ｖｅｍｆが２１ｍＶとなる。Ｖｅｍｆが上記原理により生じたスピン起電力である。Ｖｅｍｆ＝２ｇμＢＳＨ／ｅとすると、強磁性体粒子４６の磁気モーメントＳは約２００である。【００３６】
図８は、起電力Ｖｅｍｆの時間依存を示した図である。静磁場Ｈ＝１０ｋＧを印加してからのスピン起電力Ｖｅｍｆを示している。測定した温度は３Ｋである。実線は、Ａｕ電極５４とＧａＡｓ基板４０との間を開放した場合を示し、破線は、Ａｕ電極５４と基板４０との間に２００ｋΩの負荷抵抗を接続した場合を示している。図８のように、電極間を開放した場合も、負荷抵抗を接続した場合も１０分以上起電力が維持されている。【００３７】
図９は、磁場Ｈに対する抵抗Ｒを示した図である。印加される電圧Ｖは−１ｍＶである。測定した温度は３Ｋである。磁場が０Ｇ付近では、前述のクーロン・ブロッケード効果により抵抗が非常に大きい。一方、磁場Ｈを印加すると、図７のように起電力Ｖｅｍｆが生じるため、電圧が０付近の抵抗は小さくなる。このため、図９のように、磁場Ｈが１０ｋＧと０Ｇとの抵抗比ＭＲは１０００程度となる。なお、矢印の磁場Ｈにおいて抵抗Ｒのステップ構造が観測される。これは、図２において、−Ｓ状態からＳ−ｎ状態、またはＳ状態から−（Ｓ−ｎ）状態への磁気トンネルに対応したステップである。【００３８】
実施例によれば、マトリックス層４４と強磁性体粒子４６とが１つの単結晶である。例えば、単一の閃亜鉛鉱型結晶である。これにより、スピン系と電子系の結合が強く、図３で説明したような、スピン状態の磁気トンネルとキャリアのトンネルが同時に起きるコトンネル現象が生じ易く、磁気エネルギーが電気エネルギーに変換されやすい。仮に、スピン系と電子系の結合が弱いと、磁気エネルギーは熱エネルギーに変換されてしまう。【００３９】
特に、マトリックス層４４および強磁性体粒子４６は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体であることが好ましい。これにより、マトリックス層４４と強磁性体粒子４６とを単結晶として形成しやすくなる。さらに、マトリックス層４４をＧａＡｓ、強磁性体粒子４６をＭｎＡｓとすることにより、強磁性体粒子４６を簡単に形成することができる。マトリックス層としては、例えば、ＡｌＧａＡｓ等の化合物半導体またはＳｉもしくはＧｅ等の元素半導体を用いることができる。強磁性体粒子４６としてはＣｒＡｓ、ＦｅもしくはＣｏ等の金属または化合物強磁性体を用いることもできる。【００４０】
クーロン・ブロッケード効果を生じさせるため、強磁性体粒子１０はナノ粒子であることが好ましい。強磁性体粒子１０の直径は、１０ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは３ｎｍ以下である。【００４１】
注入部２０としてＭａＡｓ以外にもＦｅまたはＣｏ等を含む強磁性体層とすることができる。さらに、図１において説明したように、注入部２０は非磁性体でもよい。【００４２】
実施例によれば、Ａｕ電極５４とＧａＡｓ基板４０との間（すなわち実施形態における注入部２０と受容部２２との間）に生じる起電力Ｖｅｍｆにより電力を供給する電源装置を提供することができる。これにより、静磁場から電力を供給することができる。【００４３】
また、磁場Ｈの大きさにより起電力Ｖｅｍｆの大きさが定まるため、Ａｕ電極５４とＧａＡｓ基板４０との間に生じる起電力Ｖｅｍｆにより磁場の強さを検知する磁気センサを提供することができる。これにより、ホール素子のように、外部電源を用いて電流を流すことなく磁場の強さを検知する磁気センサを提供することができる。【００４４】
さらに、図９のように、Ａｕ電極５４とＧａＡｓ基板４０との間の磁気抵抗により、磁場の強さを検知する磁気センサを提供することができる。これにより、非常に大きな磁気抵抗比を有する磁気センサが実現できる。【００４５】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の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された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１０        強磁性体粒子
１２        マトリックス
１４、１６  トンネル障壁
２０        注入部
２２        受容部
４０        基板
４２        Ｐ型ＧａＡｓ層
４４        マトリックス層
４６        強磁性体粒子
４８        障壁層
５０        スペーサ層
５２        強磁性体層
５４        Ａｕ電極
【図１】
2010101251.tif 000003
【図２】
2010101251.tif 000004
【図３】
2010101251.tif 000005
【図４】
2010101251.tif 000006
【図５】
2010101251.tif 000007
【図６】
2010101251.tif 000008
【図７】
2010101251.tif 000009
【図８】
2010101251.tif 000010
【図９】
2010101251.tif 000011
【国際調査報告】
2010101251.tif 000012
2010101251.tif 000013