(57)【要約】  磁場もしくは電場により固体材料の電気分極もしくは磁化の方向を制御することができ、かつ構成が単純なマルチフェロイック素子を提供する。  強誘電性と、スピンの向きが円錐（円錐の頂点の開き角度αは０度＜α≦９０の範囲）の外側を沿うように回転しているスピン構造を有する強磁性を合わせ持つマルチフェロイック固体材料に、外部磁場の向き３１を印加することにより、前記外部磁場とほぼ直交した電気分極の向き３２を制御する。または、前記マルチフェロイック固体材料に外部電場の向き３２を印加することにより、前記外部電場とほぼ直交した磁化の向き３１を制御する。
2007135817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電性と、スピンの向きが円錐（円錐の頂点の開き角度αは０度＜α≦９０度の範囲）の外側を沿うように回転しているスピン構造を有する強磁性を合わせ持つマルチフェロイック固体材料に、外部磁場を印加することにより、前記外部磁場とほぼ直交した電気分極の向きを制御することを特徴とするマルチフェロイック素子。
【請求項２】
強誘電性と、スピンの向きが円錐（円錐の頂点の開き角度αは０度＜α≦９０度の範囲）の外側を沿うように回転しているスピン構造を有する強磁性を合わせ持つマルチフェロイック固体材料に、外部電場を印加することにより、前記外部電場とほぼ直交した磁化の向きを制御することを特徴とするマルチフェロイック素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載のマルチフェロイック素子において、前記マルチフェロイック固体材料は、ＭＣｒ2Ｏ4（Ｍ＝Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）化合物であるクロム酸化物からなることを特徴とするマルチフェロイック素子。
【請求項４】
請求項３記載のマルチフェロイック素子において、前記ＭＣｒ2Ｏ4（Ｍ＝Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）化合物は、浮遊溶融帯単結晶育成方式で、２気圧以上１１気圧未満の高圧ガス雰囲気下で製造された単結晶であることを特徴とするマルチフェロイック素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチフェロイック素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、強誘電性と強磁性を合わせ持つマルチフェロイック素子に係り、特に、磁化によって記憶された情報を読み出すのに好適な磁気センサーに利用される。また、更に、このマルチフェロイック素子はメモリ素子に応用できる。【０００３】
従来、磁場により固体材料の電気分極の方向を反転させることは出来なかった。また、逆に電場により固体材料の磁化の方向を反転させることは出来なかった。これらの作用が固体中で可能になれば、この効果を用いてさまざまな技術的展開が可能である。本発明は、従来にない新しい機能を持つマルチフェロイック素子に関するものである。このマルチフェロイック素子は磁気センサー素子に適用できる。このマルチフェロイック素子機能を使えば、複雑な装置（例えば、磁気光学効果を用いた磁気センサーや大きなピックアップコイルなどの装置）を用いることなく、磁化の方向に埋め込まれた情報を読み出すことが可能となる。逆に、電場を印加して、その固体材料の磁化の向きを制御できることから、これによってマルチフェロイック素子はメモリ素子にも適用できる。これによって各社製造業が、現在その開発にしのぎを削っている先端メモリ素子であるＭＲＡＭ素子をこのマルチフェロイック素子に置き換えることができる。このマルチフェロイック素子は、電場で制御可能であるから、現在開発されているＭＲＡＭ素子の欠点である消費電力を小さくすることができる〔非特許文献１参照〕。
【非特許文献１】三宅常之、日経マイクロデバイス、７２（２００３）
【非特許文献２】Ｋ．Ｔｏｍｉｙａｓｕ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ  ７０，２１４４３４（２００４）
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、上記問題点に鑑みて、磁場もしくは電場を印加することにより固体材料の電気分極もしくは磁化の向きを制御することができ、かつ構成が単純なマルチフェロイック素子を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明は、上記目的を達成するために、
強誘電性と、スピンの向きが円錐（円錐の頂点の開き角度αは０度＜α≦９０度の範囲）の外側を沿うように回転しているスピン構造を持つ強磁性を合わせ持つマルチフェロイック固体材料に、外部磁場を印加することにより、前記外部磁場とほぼ直交した電気分極の向きを制御することを用いたマルチフェロイック素子を提供した（請求項１）。
【０００６】
また、強誘電性と、スピンの向きが円錐（円錐の頂点の開き角度αは０度＜α≦９０度の範囲）の外側を沿うように回転しているスピン構造を有する強磁性を合わせ持つマルチフェロイック固体材料に、外部電場を印加することにより、前記外部電場とほぼ直交した磁化の向きを制御することを用いたマルチフェロイック素子を提供した（請求項２）。
【０００７】
上記した請求項１、２におけるマルチフェロイック固体材料は、ＭＣｒ2Ｏ4（Ｍ＝Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）化合物であるクロム酸化物からなることを特徴とするマルチフェロイック素子であってもよい（請求項３）。
【０００８】
上記した請求項３記載のＭＣｒ2Ｏ4（Ｍ＝Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）化合物は、浮遊溶融帯単結晶育成方式で、２気圧以上１１気圧未満の高圧ガス雰囲気下で製造された単結晶であることを特徴とするマルチフェロイック素子であってもよい（請求項４）。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明にかかるマルチフェロイック磁気センサー素子の基本構成を示す模式図である。
【図２】本発明にかかるマルチフェロイックメモリ素子の基本構成を示す模式図である。
【図３】本発明にかかるマルチフェロイック磁気センサー機能を確認した実験の配置図である。
【図４】本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＣｏＣｒ2Ｏ4の結晶を示す図面代用の写真である。
【図５】本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＣｏＣｒ2Ｏ4の磁化の温度依存性を示す図である。
【図６】本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＣｏＣｒ2Ｏ4のスピン構造を示す図である。
【図７】本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＣｏＣｒ2Ｏ4の電気分極の温度依存性を示す図である。
【図８】本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＣｏＣｒ2Ｏ4の磁化反転にともなう電気分極の反転を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
マルチフェロイック磁気センサー素子の構造（図１）は、二つの金属電極に挟まれたマルチフェロイック固体材料からなる構造を有し、情報に対応した磁化の漏れ磁場により発生した磁場により、その磁場にほぼ垂直な方向に発生した電気分極を電圧計にて検知する構造とすればよい。【００１１】
また、マルチフェロイックメモリ素子（図２)は、二つの金属電極に挟まれたマルチフェロイック固体材料からなる。特定の選択されたビット線とワード線との間に電圧を印加することにより、この選択された線に挟まれた単一メモリ素子に特定方向に磁化を発生させる。発生した磁化はメモリ機能を有する。メモリ素子間は非磁性体固体材料中に埋め込まれた構造とする。【００１２】
以下、本発明の実施の形態について説明する。【００１３】
図１は本発明にかかるマルチフェロイック磁気センサー素子の基本構成を示す模式図である。【００１４】
この図において、１は垂直磁気記録材料（垂直磁気記録膜）、２はマルチフェロイック固体材料、３，４はそのマルチフェロイック固体材料２を挟むように形成される電極、５は電極３，４に接続され、誘起された電気分極により発生したマルチフェロイック固体材料２の電極３，４の表面に生じる電荷を計測する電圧計である。【００１５】
この磁気センサー素子は、磁気センサー部と電気分極発生部が同一固体材料からなり、特殊な形状を有することなく、単純に構成することができる。【００１６】
このように構成することにより、磁気センサー素子の構造が単純となり、大幅なコストダウンを図ることができる。また、磁気センサー素子の微小化も可能であることから、情報の記憶を担う磁化領域の微小化に対応可能な磁気センサーとなる。一方、電場による磁化の反転機能によりメモリ素子となる。【００１７】
図２は本発明にかかるマルチフェロイックメモリ素子の基本構成を示す模式図である。【００１８】
この図において、１１はマルチフェロイック固体材料、１２，１３はマルチフェロイック固体材料１１を挟むように形成される電極である。この単位で最小メモリセル１０を構成する。メモリ素子を構成するにはこの最小単位のメモリセル１０を平面的に並べればよい。書き込み動作は、特定のビット線１４と特定のワード線１５を選択し、正の電圧を印加する。誘起される磁化Ｍは手前への向きとなる。次のメモリ素子に負の電圧を印加すれば、後方への磁化Ｍが発生し、情報が記憶されることになる。読み出しは、選択したメモリ素子の電荷（電圧）の符号を取り出せばよい。以上のようにメモリ素子構造は至って単純である。また、読み出し信号は正負で発生する。【００１９】
現在開発中のＭＲＡＭ素子は電流誘起による磁界を利用したメモリ制御方式である。これに対して、上記したマルチフェロイックメモリ素子は、電場誘起による磁化の反転を用いる。電流誘起磁界と異なり、電場誘起であるので大幅な電流消費を抑えることが可能となる。このことから、現状のＭＲＡＭ素子の特徴である消費電力が大きいという欠点を解消し、低消費電力化が可能となる。また、読み出し信号は正負信号であることからＭＲＡＭ素子が抵抗の大小で信号レベルを区別するのに対しノイズに強い。ＭＦＭ素子はＭＲＡＭ素子と同様に不揮発性メモリ素子となる。【００２０】
図３は本発明にかかるマルチフェロイック磁気センサー機能を確認した実験の配置図である。【００２１】
この図において、２１はマルチフェロイック固体材料、２２，２３はマルチフェロイック固体材料２１を挟む上下の電極、２４は外部からマルチフェロイック固体材料２１に印加した磁場、２５はマルチフェロイック固体材料２１に発生した電気分極の方向（外部磁場とほぼ直交）、２６は誘起された電気分極により発生したマルチフェロイック固体材料２１の上下電極２２，２３表面に生じる電荷を計測する電圧計である。２７はマルチフェロイック固体材料２１の結晶方位の配置（詳細は後述）を示している。【００２２】
ここで、電極２２，２３の材料としては銀ペーストを用いたが、その他アルミニウム、金などの金属を用いても問題はない。【００２３】
マルチフェロイック固体材料２１として、同じスピン配置を持つクロム酸化物のうち、ＣｏＣｒ2Ｏ4を用いた場合の結晶方位の配置２７が示されている。この単結晶としては浮遊溶融帯単結晶育成方式で、２気圧以上１１気圧未満の高圧ガス雰囲気下で製造された単結晶を用いた。このような単結晶は、従来、フラックス法でしか得られなかった。この従来のフラックス法の場合、１−２ｍｍ程度以下の単結晶しか得られず、今回のような実験配置構成する上でふさわしくない。そこで数ｍｍ以上に大きくできる浮遊溶融帯単結晶育成方式で、２気圧以上１１気圧未満の高圧ガス雰囲気下で、大型単結晶を得ることに成功した。【００２４】
図４は本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＣｏＣｒ2Ｏ4の結晶を示す図面代用の写真である。【００２５】
まず、原料はＣｏＯとＣｒ2Ｏ3を化学量論比で混合し、１２００℃、１２時間で固相反応させる。その後、ロッド状にプレス成型し、１３００℃、１２時間アルゴンガス中で焼結する。浮遊溶融帯単結晶育成方式は共焦点楕円体を用いたランプ加熱方式を用いた。ランプはキセノンランプである。蒸発を抑えるために１０気圧のアルゴンガス雰囲気下とした。結晶成長速度は４０ｍｍ／時間である。２×２ｍｍ2の大きな〔１１０〕面が得られた。【００２６】
図５は本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＣｏＣｒ2Ｏ4の磁化の温度依存性を示す図である。【００２７】
室温から低温に下げると、温度９３Ｋでフェリ磁性に転移する（非特許文献２参照) 。さらに温度２６Ｋでスピンの向きが円錐の外側を沿うように回転しているスピン構造を持つ。【００２８】
図６は本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＣｏＣｒ2Ｏ4のスピン構造を示す図である。温度２６Ｋ以下でのスピン構造を示す。スピンの向きが円錐（円錐の頂点の開き角度αは０度＜α≦９０度の範囲）の外側を沿うように回転している構造は、方向〔００１〕に平均的な磁化を持つ。このとき、各スピンの先端は〔００１〕軸を中心軸として反時計まわりに回転しながら、各スピンの配置は、〔１１０〕方向に進む。【００２９】
このようなスピンの向きが円錐（円錐の頂点の開き角度αは０度＜α≦９０度の範囲）の外側を沿うように回転しているスピン構造を固体材料が持つと、電気分極が発生する。このとき発生する電気分極の向き３２は、〔−１１０〕軸の方向である。なお、３１は磁化の方向である。【００３０】
図７は本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＣｏＣｒ2Ｏ4の電気分極の温度依存性を示す図である。【００３１】
この図において、温度２６Ｋ付近の温度から電気分極が発生することが分かる。温度５Ｋ付近では２μＣ／ｍ2 程度の大きさを持つ。このとき、磁化と垂直な方向に電気分極が発現する（図６)。【００３２】
このようにスピンの向きが円錐の外側を沿うように回転しているスピン構造を持つ場合、磁化と電気分極が同時に共存するマルチフェロイック材料となることが分かる。【００３３】
図８は本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＣｏＣｒ2Ｏ4の磁化反転に伴う電気分極の反転を示す図である。【００３４】
図８に示すように、〔００１〕方向に平行な磁場の向きを、周期的に振幅（−０．２Ｔ〜０．２Ｔ，０．０１Ｈｚ程度)を反転させたとき電気分極も同じ周期で反転追随する。すなわち、外部磁場の向きによってＣｏＣｒ2Ｏ4の電気分極の向きを制御したことになる。【００３５】
このようにスピンの向きが円錐（円錐の頂点の開き角度αは０度＜α≦９０度の範囲）の外側を沿うように回転しているスピン構造を持つマルチフェロイック材料の場合、外部磁場でその電気分極の向きを制御することが可能であることを初めて実証した。【００３６】
現在の実施例は、２６Ｋ以下の温度領域で極低温領域であるが、上に示したスピンの向きが円錐の外側を沿うように回転しているスピン構造は既に多くのスピネル固体材料で見出されている。この構造を持つマルチフェロイック材料を探索すれば、室温で同様な現象を発現することは可能である。【００３７】
強磁性と強誘電性を合わせ持つマルチフェロイック固体材料ＣｏＣｒ2Ｏ4で、磁場で電極分極を制御することを実施例で示したことから、逆の過程である電場により磁化の向きを制御できることも分かる。強誘電体において、電気分極の方向は電場で制御できる。このとき電気分極の反転が起きれば、スピンの向きが円錐の外側を沿うように回転しているスピン構造を持つマルチフェロイック材料においては、同時に磁化の反転が起きることは相反定理（ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ  ｏｆ  ｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙ）より自明である。【００３８】
なお、上記ではマルチフェロイック固体材料ＣｏＣｒ2Ｏ4について説明してきたが、マルチフェロイック固体材料としてはＭＣｒ2Ｏ4（Ｍ＝Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）化合物であるクロム酸化物であれば、同じように用いることができる。【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。  本発明によれば、
（１）強誘電性と、スピンの向きが円錐（円錐の頂点の開き角度αは０度＜α≦９０度の範囲）の外側を沿うように回転しているスピン構造を有する強磁性を合わせ持つマルチフェロイック固体材料に、外部磁場を印加することにより、前記外部磁場とほぼ直交した電気分極の向きを制御することができる。【００４０】
（２）強誘電性と、スピンの向きが円錐（円錐の頂点の開き角度αは０度＜α≦９０度の範囲）の外側を沿うように回転しているスピン構造を有する強磁性を合わせ持つマルチフェロイック固体材料に、外部電場を印加することにより、前記外部電場とほぼ直交した磁化の向きを制御することができる。【００４１】
このように構成することにより、例えば、磁気センサー素子の構造が単純となり、大幅なコスト低減を図ることができる。また、磁気センサー素子の微小化も可能であることから、情報の記憶を担う磁化領域の微小化に対応可能な磁気センサーとなる。一方、電場による磁化の反転機能によりメモリ素子となる。従来の電流誘起磁界により磁化の向きを制御するのと異なり、電場誘起であるので大幅な電流消費を抑えることが可能となる。このことから現状のＭＲＡＭ素子の特徴である消費電力が大きいという欠点を解消し、低消費電力化が可能となる。さらに、電場で誘起された磁化はヒステリシスを有するから、不揮発性メモリ素子となる。少ない層構成はプロセスコストを飛躍的に低減する。新しい低消費電力、高集積、低製造コストのマルチフェロイック不揮発性メモリ素子（ＭＦＭ素子）を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明のマルチフェロイック素子は、例えば、単純な構造の磁気センサー素子を提供する。また、本発明のマルチフェロイック素子は低コストのメモリ素子を提供する。
【図１】
2007135817.tif 000003
【図２】
2007135817.tif 000004
【図３】
2007135817.tif 000005
【図５】
2007135817.tif 000006
【図６】
2007135817.tif 000007
【図７】
2007135817.tif 000008
【図８】
2007135817.tif 000009
【図４】
2007135817.tif 000010
【国際調査報告】
2007135817.tif 000011
2007135817.tif 000012
2007135817.tif 000013
2007135817.tif 000014