(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ2（Ｍｎ1-yＣｒy）Ｚ
（Ｘは、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ及びＲｈからなる群から選択された１種の元素と、当該元素を除いた遷移元素のうちから選択された元素とを含む２種類以上の元素の組み合わせであり、
Ｚは、ＩＩＩＢ族元素、ＩＶＢ族元素及びＶＢ族元素からなる群から選択された少なくとも１種の元素であり、
ｙは０以上１以下であり、
（Ｃｏ1/2Ｒｈ1/2）2ＭｎＳｉを除く。）
を含有することを特徴とするスピントロニクス材料。
【請求項２】
スピン分極率が実質的に６０％以上であることを特徴とする請求項１に記載のスピントロニクス材料。
【請求項３】
Ｚが、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＳｂからなる群から選択された少なくとも１種であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピントロニクス材料。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピントロニクス材料からなる２つの強磁性層と、
前記２つの強磁性層の間に挟みこまれた非磁性層と、
を有することを特徴とするＴＭＲ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハーフメタル等のスピントロニクス材料及びそれを用いたＴＭＲ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質の電気伝導性に注目すると、電気を通すもの（導体）、絶縁体、低温では電気を通さないが高温では通す半導体や、抵抗がない超伝導体等がある。このような性質のメカニズムはナノレベルの世界での電子の振る舞いを調べると解明できることが多い。
【０００３】
電子は負の電荷と共に、上向き（ｕｐ）スピン又は下向き（ｄｏｗｎ）スピンの磁気モーメントを担っている。即ち、電子は上向き又は下向きの磁石となっている。それ故、上向き又は下向きスピンが同数でない原子や物質は、スピン分極して磁石になる。近時、このようなスピン分極を利用した「スピントロニクス」という新たな分野が開拓され、発展している。即ち、従来のデバイスは電荷を制御して利用しているが、電荷以外にスピンをも制御する新しい素子の開発に関する分野である。完全にスピン分極した電流が得られれば、例えば、上向きスピンの電子だけが流れる電流が得られれば、これまでのデバイスとはまったく異なる機能を具えたデバイスが得られ、広い分野での応用が期待できる。
【０００４】
そして、このことを可能にするハーフメタル（完全にスピン分極した電流が流れる）が発見され、新たな機能材料として注目されている。ハーフメタルに対して、期待されている典型的な応用例は、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）である。このＭＲＡＭは、ＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）素子を使用し、磁気によってデータを記録する次世代メモリであり、世界中でその開発にしのぎが削られている。２つのハーフメタル薄膜で絶縁体の薄膜を挟み込むと、静電エネルギーを得するために２つのハーフメタル薄膜のスピンは互いに逆向きになるため、ＴＭＲ素子として格好のものになる。また、量子計算機への応用等も期待されている。
［０００５］
近年、ホイスラー合金Ｘ２ＹＺ（Ｌ２１型）及びハーフホイスラー合金ＸＹＺ（Ｃ１ｂ型）の中にハーフメタルが存在すると理論的に予測され、実験的検証が盛んに行われようになっている。しかし、ハーフメタルの性質は原子配列の乱れに弱く、ハーフメタルであるか否かを実験的に検証することは困難である。このため、ハーフメタルであることが検証された例は極めて少ない。また、高いスピン分極率のスピントロニクス材料の報告も十分とはいえない。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−２１８４２８号公報
【特許文献２】
特開平１１−２８９１１５号公報
【発明の開示】
［０００７］
本発明は、原子の乱れに強く高いスピン分極率が得られるスピントロニクス材料及びそれを用いたＴＭＲ素子を提供することを目的とする。
［０００８］
本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【０００９】
本願発明に係るスピントロニクス材料は、Ｘ2（Ｍｎ1-yＣｒy）Ｚを含有することを特徴とする。但し、Ｘは、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ及びＲｈからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、当該元素を除いた遷移元素のうちから選択された元素とを含む２種類以上の元素の組み合わせであり、Ｚは、ＩＩＩＢ族元素、ＩＶＢ族元素及びＶＢ族元素からなる群から選択された少なくとも１種の元素であり、ｙは０以上１以下である。また、（Ｃｏ1/2Ｒｈ1/2）2ＭｎＳｉは除かれる。
［００１０］
本願発明に係るＴＭＲ素子は、上記のスピントロニクス材料からなる２つの強磁性層と、前記２つの強磁性層の間に挟みこまれた非磁性層と、を有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、Ｃｏ2ＭｎＳｉのｕｐ−ｓｐｉｎのＥ（ｋ）曲線を示すグラフである。
【図１Ｂ】図１Ｂは、Ｃｏ2ＭｎＳｉのｄｏｗｎ−ｓｐｉｎのＥ（ｋ）曲線を示すグラフである。
【図１Ｃ】図１Ｃは、Ｃｏ2ＭｎＳｉの状態密度曲線を示すグラフである。
【図２Ａ】図２Ａは、Ｒｕ2ＣｒＳｉの状態密度を示すグラフである。
【図２Ｂ】図２Ｂは、（Ｒｕ15/16Ｃｒ1/16）2（Ｃｒ7/8Ｒｕ1/8）Ｓｉの状態密度を示すグラフである。
【図２Ｃ】図２Ｃは、（Ｒｕ13/16Ｃｒ3/16）2（Ｃｒ5/8Ｒｕ3/8）Ｓｉの状態密度を示すグラフである。
【図３Ａ】図３Ａは、（Ｒｕ7/8Ｃｒ1/8）2（Ｃｒ3/4Ｒｕ1/4）Ｓｉの状態密度を示すグラフである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、Ｒｕ2（Ｃｒ3/4Ｓｉ1/4）（Ｓｉ3/4Ｃｒ1/4）の状態密度を示すグラフである。
【図３Ｃ】図３Ｃは、（Ｒｕ7/8Ｓｉ1/8）2Ｃｒ（Ｓｉ3/4Ｒｕ1/4）の状態密度を示すグラフである。
【図４Ａ】図４Ａは、強磁性状態でのＲｕ2ＣｒＳｉの状態密度を示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、強磁性状態でのＲｕ2ＣｒＧｅの状態密度を示すグラフである。
【図４Ｃ】図４Ｃは、強磁性状態でのＲｕ2ＣｒＳｎの状態密度を示すグラフである。
【図５Ａ】図５Ａは、強磁性状態でのＦｅ2ＣｒＳｉの状態密度を示すグラフである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、強磁性状態でのＦｅ2ＣｒＧｅの状態密度を示すグラフである。
【図５Ｃ】図５Ｃは、強磁性状態でのＦｅ2ＣｒＳｎの状態密度を示すグラフである。
【図６Ａ】図６Ａは、（Ｆｅ15/16Ｃｒ1/16）2（Ｃｒ7/8Ｆｅ1/8）Ｓｎの状態密度を示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、Ｆｅ2（Ｃｒ7/8Ｓｎ1/8）（Ｓｎ7/8Ｃｒ1/8）の状態密度を示すグラフである。
【図６Ｃ】図６Ｃは、（Ｆｅ15/16Ｓｎ1/16）2Ｃｒ（Ｓｎ7/8Ｆｅ1/8）の状態密度を示すグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、（Ｆｅ15/16Ｃｒ1/16）2（Ｃｒ7/8Ｆｅ1/8）Ｓｉの状態密度を示すグラフである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、Ｆｅ2（Ｃｒ7/8Ｓｉ1/8）（Ｓｉ7/8Ｃｒ1/8）の状態密度を示すグラフである。
【図７Ｃ】図７Ｃは、（Ｆｅ15/16Ｓｉ1/16）2Ｃｒ（Ｓｉ7/8Ｆｅ1/8）の状態密度を示すグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは、強磁性状態でのＯｓ2ＣｒＳｉの状態密度を示すグラフである。
【図８Ｂ】図８Ｂは、強磁性状態でのＯｓ2ＣｒＧｅの状態密度を示すグラフである。
【図８Ｃ】図８Ｃは、強磁性状態でのＯｓ2ＣｒＳｎの状態密度を示すグラフである。
【図９Ａ】図９Ａは、Ｆｅ2ＣｒＰの状態密度を示すグラフである。
【図９Ｂ】図９Ｂは、Ｒｕ2ＣｒＰの状態密度を示すグラフである。
【図９Ｃ】図９Ｃは、Ｏｓ2ＣｒＰの状態密度を示すグラフである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、Ｆｅ2ＣｒＳｉの強磁性状態及び反強磁性状態における格子定数と全エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、Ｒｕ2ＣｒＳｉの強磁性状態及び反強磁性状態における格子定数と全エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図１１Ａ】図１１Ａは、（Ｆｅ1/4Ｒｕ3/4）2ＣｒＳｉの状態密度を示すグラフである。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、（Ｆｅ1/2Ｒｕ1/2）2ＣｒＳｉの状態密度を示すグラフである。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、（Ｆｅ3/4Ｒｕ1/4）2ＣｒＳｉの状態密度を示すグラフである。
【図１２】図１２は、（ＦｅxＲｕ1-x）2ＣｒＳｉの強磁性状態（ｆ）と２つの反強磁性状態（ａｆ１，ａｆ２）の全エネルギー差（△Ｅ）とＦｅの濃度（ｘ）との関係を示すグラフである。
【図１３Ａ】図１３Ａは、（Ｆｅ1/2Ｒｕ1/2）2ＣｒＳｉの状態密度を示すグラフである。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、（Ｆｅ1/2Ｒｕ1/2）2ＣｒＧｅの状態密度を示すグラフである。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、（Ｆｅ1/2Ｒｕ1/2）2ＣｒＳｎの状態密度を示すグラフである。
【図１４】図１４は、（ＦｅxＲｕ1-x）2ＣｒＳｉにおけるｘの値と格子定数との関係を示すグラフである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、（Ｆｅ1/2Ｏｓ1/2）2ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、（Ｆｅ1/2Ｃｏ1/2）2ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、（Ｒｕ1/2Ｏｓ1/2）2ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図１５Ｄ】図１５Ｄは、（Ｒｕ1/2Ｃｏ1/2）2ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図１６Ａ】図１６Ａは、（Ｆｅ1/2Ｒｕ1/2）2ＭｎＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、（Ｆｅ1/2Ｃｏ1/2）2ＭｎＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、（Ｃｏ1/2Ｒｈ1/2）2ＭｎＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図１６Ｄ】図１６Ｄは、（Ｒｕ1/2Ｒｈ1/2）2ＭｎＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図１７Ａ】図１７Ａは、Ｆｅ2ＭｎＳｉの強磁性状態の状態密度を示すグラフである。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、Ｒｕ2ＭｎＳｉの強磁性状態の状態密度を示すグラフである。
【図１８Ａ】図１８Ａは、Ｆｅ2（Ｃｒ1/2Ｍｎ1/2）Ｓｉの強磁性状態の状態密度を示すグラフである。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、Ｒｕ2（Ｃｒ1/2Ｍｎ1/2）Ｓｉの強磁性状態の状態密度を示すグラフである。
【図１９Ａ】図１９Ａは、原子が規則配列したＦｅ2ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、原子が規則配列した（Ｆｅ1/2Ｒｕ1/2）2ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、原子が規則配列したＦｅ2ＣｒＳｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図１９Ｄ】図１９Ｄは、原子が規則配列したＣｏ2ＭｎＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２０Ａ】図２０Ａは、原子が不規則配列したＦｅ2ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、原子が不規則配列した（Ｆｅ1/2Ｒｕ1/2）2ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、原子が不規則配列したＦｅ2ＣｒＳｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２０Ｄ】図２０Ｄは、原子が不規則配列したＣｏ2ＭｎＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２１】図２１は、５種類の合金におけるＣｒ又はＭｎの乱れの割合ｙとスピン分極率Ｐとの関係を示すグラフである。
【図２２Ａ】図２２Ａは、原子が規則配列した（Ｆｅ3/4Ｒｕ1/4）2ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、原子が不規則配列した（Ｆｅ3/4Ｒｕ1/4）2ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２３Ａ】図２３Ａは、原子が規則配列した（Ｆｅ3/4Ｒｕ1/4）2ＣｒＳｉのＦｅのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、原子が規則配列した（Ｆｅ3/4Ｒｕ1/4）2ＣｒＳｉのＣｒのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２３Ｃ】図２３Ｃは、原子が規則配列した（Ｆｅ3/4Ｒｕ1/4）2ＣｒＳｉのＲｕのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２４Ａ】図２４Ａは、原子が不規則配列した（Ｆｅ3/4Ｒｕ1/4）2ＣｒＳｉの通常の位置にあるＦｅのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、原子が不規則配列した（Ｆｅ3/4Ｒｕ1/4）2ＣｒＳｉの他の原子位置を占有したＦｅのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２４Ｃ】図２４Ｃは、原子が不規則配列した（Ｆｅ3/4Ｒｕ1/4）2ＣｒＳｉの通常の位置にあるＣｒのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２４Ｄ】図２４Ｄは、原子が不規則配列した（Ｆｅ3/4Ｒｕ1/4）2ＣｒＳｉの他の原子位置を占有したＣｒのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２４Ｅ】図２４Ｅは、原子が不規則配列した（Ｆｅ3/4Ｒｕ1/4）2ＣｒＳｉの通常の位置にあるＲｕのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。
【図２５Ａ】図２５Ａは、Ｒｕ2ＭｎＳｉの強磁性状態及び反強磁性状態における格子定数と全エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、Ｆｅ2ＭｎＳｉの強磁性状態及び反強磁性状態における格子定数と全エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図２６】図２６は、ＴＭＲ素子の構造を示す模式図である。
【００１２】
先ず、ハーフメタルの性質の有無を理論的にどのように予測するかについて説明する。
【００１３】
図１Ａ及び図１Ｂは、夫々Ｃｏ２ＭｎＳｉのｕｐ−ｓｐｉｎ及びｄｏｗｎ−ｓｐｉｎのＥ（ｋ）曲線を示すグラフであり、電子のエネルギー（縦軸）と波数ベクトル（横軸：運動量に対応）との関係を示している。水平な直線（点線）はフェルミエネルギー（ＥＦ）を表しており、フェルミエネルギーＥＦは電子の最高のエネルギーに相当する。フェルミエネルギーＥＦはｕｐ−ｓｐｉｎのＥ（ｋ）曲線を横切り、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎのＥ（ｋ）曲線とは交わっていない。即ち、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎ状態ではフェルミエネルギーＥＦはエネルギーギャップの中にある。電場に反応するのはフェルミエネルギーＥＦ付近のエネルギーをもつ電子であるので、ｕｐ−ｓｐｉｎ状態の電子は電流に寄与するが、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎ状態の電子は寄与しない。
【００１４】
図１Ｃは、Ｃｏ２ＭｎＳｉの状態密度曲線を示すグラフであり、電子の状態数（縦軸：Ｄ（Ｅ））とエネルギー（横軸：Ｅ）との関係を示している。図１Ｃ中の垂直な直線（実線）はフェルミエネルギーＥＦを表しており、これ以下のエネルギーの状態が電子により占有されている。なお、このグラフは、結晶ポテンシャルをＬＳＤ（Local Spin Density）近似の枠内で計算し、ＬＭＴＯ（Linear
Muffin-Tin Orbital）法により電子構造を求めた結果を示すものである。以下に示す状態密度曲線を示すグラフも同様である。
【００１５】
上記のように、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎ状態では、Ｃｏ２ＭｎＳｉのフェルミエネルギーＥＦはエネルギーギャップの中にある。なお、Ｅ（ｋ）とＤ（Ｅ）とでは、エネルギーの単位が同一ではないが、フェルミエネルギーＥＦ自体は不変である。
【００１６】
また、スピン分極率Ｐは、ｕｐ−ｓｐｉｎ及びｄｏｗｎ−ｓｐｉｎ状態のフェルミエネルギーＥＦでの状態密度をＤ↑（ＥＦ）、Ｄ↓（ＥＦ）とすると、（Ｄ↑（ＥＦ）−Ｄ↓（ＥＦ））／（Ｄ↑（ＥＦ）＋Ｄ↓（ＥＦ））で求められる。スピン分極率Ｐが大きいほどスピントロニクス材料として適している。Ｃｏ２ＭｎＳｉでは、Ｄ↓（ＥＦ）＝０なので、Ｐ＝１（１００％のスピン分極率）である。即ち、Ｃｏ２ＭｎＳｉはハーフメタルである。しかしながら、Ｃｏ２ＭｎＳｉのＤ↑（ＥＦ）の値は、後述の合金と比較すると小さく、このことは、原子配列の乱れ等によりハーフメタルの特性が劣化すると、スピン分極率が悪くなることを示唆している。
【００１７】
このように、Ｅ（ｋ）曲線又は状態密度曲線（Ｄ（Ｅ））を用いて、フェルミエネルギーＥＦが一方のスピン状態でエネルギーギャップの中に位置し、他方のスピン状態ではフェルミエネルギーＥＦの位置にエネルギーギャップがなければ、ハーフメタルであると判断できる。
【００１８】
次に、本願発明者が見出したＸ２（Ｍｎ１−ｙＣｒｙ）Ｚで表わされる原子配列の乱れに強い合金について説明する。但し、Ｘは、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ及びＲｈからなる群から選択された少なくとも１種の元素であり、Ｚは、ＩＩＩＢ族元素、ＩＶＢ族元素及びＶＢ族元素からなる群から選択された少なくとも１種の元素であり、ｙは０以上１以下である。また、Ｆｅ２ＭｎＺ、Ｃｏ２ＭｎＺ、Ｃｏ２ＣｒＡｌ及びＲｕ２ＭｎＺは除かれる。なお、これまでに、ホイスラー合金のＹ原子位置にＭｎ及びＣｒを配置し、ハーフメタルやスピントロニクス材料を得ようとした研究はない。
【００１９】
［Ｒｕ２ＣｒＳｉ］
図２Ａは、Ｒｕ２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図２Ｂは、（Ｒｕ１５／１６Ｃｒ１／１６）２（Ｃｒ７／８Ｒｕ１／８）Ｓｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図２Ｃは、（Ｒｕ１３／１６Ｃｒ３／１６）２（Ｃｒ５／８Ｒｕ３／８）Ｓｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。なお、これらの合金の組成は同一であるが、原子の配列状態が相違している。即ち、Ｒｕ２ＣｒＳｉを基準として、Ｃｒの１／８、３／８が、夫々Ｒｕの１／１６、３／１６と置換されている。図２Ａ乃至図２Ｃ中の実線及び点線は、夫々ｕｐ−ｓｐｉｎ、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を表わしている。
【００２０】
図２Ａ乃至図２Ｃのいずれにおいても、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎ状態でフェルミエネルギーＥＦがエネルギーギャップの中にある。このことは、Ｒｕ２ＣｒＳｉのハーフメタル性がＲｕとＣｒとの置換に対して劣化しにくいことを示唆している。
【００２１】
図３Ａは、（Ｒｕ７／８Ｃｒ１／８）２（Ｃｒ３／４Ｒｕ１／４）Ｓｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図３Ｂは、Ｒｕ２（Ｃｒ３／４Ｓｉ１／４）（Ｓｉ３／４Ｃｒ１／４）の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図３Ｃは、（Ｒｕ７／８Ｓｉ１／８）２Ｃｒ（Ｓｉ３／４Ｒｕ１／４）の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。なお、これらの合金の組成は同一であるが、原子の配列状態が相違している。即ち、Ｒｕ２ＣｒＳｉを基準として、夫々Ｃｒの１／４がＲｕの１／８と置換され、Ｃｒの１／４がＳｉの１／４と置換され、Ｒｕの１／８がＳｉの１／４と置換されている。図３Ａ乃至図３Ｃ中の実線及び点線は、夫々ｕｐ−ｓｐｉｎ、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を表わしている。
【００２２】
ＣｒとＲｕとの置換の場合は、図２Ａ乃至図２Ｃに示す例と同様に、スピン分極率Ｐが１００％となり、このことは、上述と同様に、Ｒｕ２ＣｒＳｉのハーフメタル性がＲｕとＣｒとの置換に対して劣化しにくいことを示唆している。また、ＣｒとＳｉとの置換の場合は、スピン分極率Ｐが９９％であり、ハーフメタルではないがスピン分極率は高い。これに対し、ＲｕとＳｉとの置換の場合は、スピン分極率Ｐが６５％と低くなり、ハーフメタルの特性から大きくずれる。但し、ＲｕとＳｉとの置換については、置換後に得られる状態の全エネルギーが高いため、極めて不安定であり、このような置換は生じにくいと思われる。
【００２３】
［Ｒｕ２ＣｒＺ（Ｚ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ）］
元素周期表の同族元素（同じ数の価電子を持つ）は互いに類似した性質を示すので、ホイスラー合金（Ｘ２ＹＺ）のＺ原子として、Ｓｉと同族元素であるＧｅ又はＳｎを用いた場合について説明する。
【００２４】
図４Ａは、強磁性状態でのＲｕ２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図４Ｂは、強磁性状態でのＲｕ２ＣｒＧｅの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図４Ｃは、強磁性状態でのＲｕ２ＣｒＳｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。図４Ａ乃至図４Ｃ中の実線及び点線は、夫々ｕｐ−ｓｐｉｎ、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を表わしている。
【００２５】
いずれの合金においても、ｕｐ−ｓｐｉｎ状態についてはフェルミエネルギーＥF付近にピークが存在し（Ｚ＝Ｓｎの場合は、大きなピーク内に急峻な谷も存在する。）、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎ状態についてはフェルミエネルギーＥF付近に大きな谷が存在する。これらのことは、Ｒｕ2ＣｒＳｉがハーフメタルであり、Ｒｕ2ＣｒＧｅ及びＲｕ2ＣｒＳｎは、スピン分極率が高い物質であることを示している。即ち、Ｒｕ2ＣｒＧｅ及びＲｕ2ＣｒＳｎのスピン分極率Ｐは、夫々９８％、９４％である。従って、Ｚ原子の相違は状態密度曲線の全体的な形状に大きな影響を与えないといえる。
【００２６】
［Ｆｅ２ＣｒＺ（Ｚ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ）］
ホイスラー合金（Ｘ２ＹＺ）のＸ原子として、Ｒｕと同族元素であるＦｅを用いた場合について説明する。
【００２７】
図５Ａは、強磁性状態でのＦｅ２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図５Ｂは、強磁性状態でのＦｅ２ＣｒＧｅの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図５Ｃは、強磁性状態でのＦｅ２ＣｒＳｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。図５Ａ乃至図５Ｃ中の実線及び点線は、夫々ｕｐ−ｓｐｉｎ、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を表わしている。
【００２８】
ＲｕをＦｅに置換するとピークは鋭くなっているが、全体的な傾向については、図４Ａ乃至図４Ｃと図５Ａ乃至図５Ｃとの間に大きな相違はない。また、Ｚ原子をＳｉからＧｅ、Ｓｎと原子番号の大きなものにするにつれて、Ｄ↑（ＥＦ）の値が大きくなり、Ｓｎの場合では、Ｄ↓（ＥＦ）＝０となる。Ｆｅ２ＣｒＳｉ、Ｆｅ２ＣｒＧｅ及びＦｅ２ＣｒＳｎのスピン分極率Ｐは、夫々９３％、１００％、１００％となる。即ち、Ｆｅ２ＣｒＳｉはスピン分極率Ｐが高く、ハーフメタルに近似したスピントロニクス材料であるが、Ｆｅ２ＣｒＧｅ及びＦｅ２ＣｒＳｎはハーフメタルである。
【００２９】
Ｆｅ２ＣｒＳｎ及びＦｅ２ＣｒＳｉについても、構成原子間の置換に伴う原子配列の乱れによる影響を調べた。
【００３０】
図６Ａは、（Ｆｅ１５／１６Ｃｒ１／１６）２（Ｃｒ７／８Ｆｅ１／８）Ｓｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図６Ｂは、Ｆｅ２（Ｃｒ７／８Ｓｎ１／８）（Ｓｎ７／８Ｃｒ１／８）の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図６Ｃは、（Ｆｅ１５／１６Ｓｎ１／１６）２Ｃｒ（Ｓｎ７／８Ｆｅ１／８）の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。いずれも、夫々９６％、１００％、９４％と高いスピン分極率Ｐを示した。従って、Ｆｅ２ＣｒＳｎのハーフメタル性は構成原子間の置換に対して劣化しにくいといえる。
【００３１】
図７Ａは、（Ｆｅ１５／１６Ｃｒ１／１６）２（Ｃｒ７／８Ｆｅ１／８）Ｓｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図７Ｂは、Ｆｅ２（Ｃｒ７／８Ｓｉ１／８）（Ｓｉ７／８Ｃｒ１／８）の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図７Ｃは、（Ｆｅ１５／１６Ｓｉ１／１６）２Ｃｒ（Ｓｉ７／８Ｆｅ１／８）の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。これらの合金のスピン分極率Ｐは９５％、９４％、６３％である。
【００３２】
Ｆｅ２ＣｒＺ（Ｚ＝Ｓｉ、Ｓｎ）に関する全エネルギーを比較すると、低い順に、Ｆｅ−Ｃｒ置換、置換のないＦｅ２ＣｒＺ、Ｃｒ−Ｚ置換、Ｆｅ−Ｚ置換となる。一方で、Ｆｅ２ＣｒＳｎはハーフメタルになるという結果が得られたが、Ｆｅ２ＣｒＳｉにおいてＦｅとＺとの置換があると、Ｆｅ２ＣｒＺのスピン分極率Ｐは低くなる。このため、原子配列が乱れた部分が混入すると、スピン分極率Ｐが低くなる可能性があるとも考えられるが、Ｆｅ２ＣｒＳｉのＦｅ−Ｚ置換合金の全エネルギーは他の合金と比較して、極めて高いため、この状態が生ずる可能性は極めて低い。従って、Ｚ原子の効果を考慮すると、Ｆｅ２ＣｒＧｅも含めＦｅ２ＣｒＺ（Ｚ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ）は、スピン分極率が大きく、また、原子の乱れに強いスピントロニクス材料であるといえる。
【００３３】
［Ｏｓ２ＣｒＺ（Ｚ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ）］
ホイスラー合金（Ｘ２ＹＺ）のＸ原子として、Ｒｕと同族元素であるＯｓを用いた場合について説明する。
【００３４】
図８Ａは、強磁性状態でのＯｓ２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図８Ｂは、強磁性状態でのＯｓ２ＣｒＧｅの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図８Ｃは、強磁性状態でのＯｓ２ＣｒＳｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。図８Ａ乃至図８Ｃ中の実線及び点線は、夫々ｕｐ−ｓｐｉｎ、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を表わしている。
【００３５】
図８Ａに示すように、Ｏｓ２ＣｒＳｉもＲｕ２ＣｒＳｉと同様にハーフメタルであることが予測できた。また、Ｏｓ２ＣｒＳｉ、Ｏｓ２ＣｒＧｅ及びＯｓ２ＣｒＳｎのスピン分極率Ｐは、夫々１００％、９８％、９９．７％と非常に大きい。
【００３６】
Ｘ原子がＦｅ、Ｒｕ、Ｏｓと変ると、ピークは低くなるが、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの谷が広くなりハーフメタルになり易くなるといえる。
【００３７】
［Ｘ２ＣｒＰ（Ｘ＝Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ）］
図９Ａは、Ｆｅ２ＣｒＰの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図９Ｂは、Ｒｕ２ＣｒＰの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図９Ｃは、Ｏｓ２ＣｒＰの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。図９Ａ乃至図９Ｃ中の実線及び点線は、夫々ｕｐ−ｓｐｉｎ、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を表わしている。
【００３８】
ホイスラー合金のＺ原子をＩＶＢ族に属するＳｉ、Ｇｅ、ＳｎからＶＢ族に属するＰに置換しても、状態密度曲線の傾向に大きな影響はなく、フェルミエネルギーＥFの位置が高エネルギー側に移動しているのみである。一般的に、状態密度曲線の形状の大部分はＸ原子及びＹ原子のｄ電子の態様による影響を受けやすく、価電子がｓ電子及びｐ電子であるＺ原子をＩＩＩＢ、ＩＶＢ、ＶＢ原子と置換しても、状態密度曲線の形状は変化しにくい。従って、Ｚ原子の置換により、状態密度曲線の形状に大きな影響を与えることなくフェルミエネルギーＥFの位置を移動させることができる。
【００３９】
以上のように、Ｘ２ＣｒＺにおいてＸ原子をＦｅ、Ｒｕ、Ｏｓと換えると、フェルミエネルギーＥＦの付近の谷が広くなり、ハーフメタルになり易い傾向があるが、その一方で、状態密度のピークが低くなり、このために、Ｄ↑（ＥＦ）の値が小さくなってスピン分極率Ｐが小さくなる傾向がある。そこで、同族原子を混ぜ合わせることにより、新たなハーフメタル等の高いスピン分極率をもつスピントロニクス材料が得られるといえる。
【００４０】
［（ＦｅｘＲｕ１−ｘ）２ＣｒＺ（Ｚ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ）］
図１０Ａは、Ｆｅ２ＣｒＳｉの強磁性状態及び反強磁性状態における格子定数と全エネルギーとの関係を示すグラフであり、図１０Ｂは、Ｒｕ２ＣｒＳｉの強磁性状態及び反強磁性状態における格子定数と全エネルギーとの関係を示すグラフである。
【００４１】
Ｆｅ２ＣｒＳｉでは、図１０Ａに示すように、強磁性状態における全エネルギーが反強磁性状態における全エネルギーよりも低いため、強磁性状態が安定である。但し、図５Ａに示すように、Ｆｅ２ＣｒＳｉは、ハーフメタルではなく、スピン分極率Ｐが高く、ハーフメタルに近いスピントロニクス材料である。
【００４２】
一方、Ｒｕ２ＣｒＳｉでは、図１０Ｂに示すように、反強磁性状態における全エネルギーが強磁性状態における全エネルギーよりも低いため、反強磁性状態が安定である。つまり、図４Ａに示すように、強磁性状態のＲｕ２ＣｒＳｉはハーフメタルであるが、この状態は発現しにくい。本願発明者が３タイプの反強磁性状態を仮定して、これらについて全エネルギーの比較を行ったところ、いずれのタイプにおいても同様の傾向が見られた。
【００４３】
そこで、Ｘ原子として、Ｆｅ及びＲｕを混合した（ＦｅｘＲｕ１−ｘ）２ＣｒＳｉの強磁性状態及び反強磁性状態における電子構造について調べた。
【００４４】
図１１Ａは、（Ｆｅ１／４Ｒｕ３／４）２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１１Ｂは、（Ｆｅ１／２Ｒｕ１／２）２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１１Ｃは、（Ｆｅ３／４Ｒｕ１／４）２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。図１１Ａ乃至図１１Ｃ中の実線及び点線は、夫々ｕｐ−ｓｐｉｎ、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を表わしている。
【００４５】
図１１Ａ乃至図１１Ｃに示すように、（Ｆｅ１／４Ｒｕ３／４）２ＣｒＳｉ、（Ｆｅ１／２Ｒｕ１／２）２ＣｒＳｉ及び（Ｆｅ３／４Ｒｕ１／４）２ＣｒＳｉのスピン分極率Ｐは、夫々１００％、１００％、９９％と非常に大きい。つまり、ｘ＜３／４であれば、強磁性状態が得られればハーフメタルとなる。また、ｘ＝３／４でも、強磁性状態が得られればスピン分極率Ｐの高いスピントロニクス材料となる。
【００４６】
図１２は、（ＦｅｘＲｕ１−ｘ）２ＣｒＳｉの強磁性状態（ｆ）と２つの反強磁性状態（ａｆ１，ａｆ２）の全エネルギーとＦｅの濃度（ｘ）との関係を示すグラフである。図１２は、反強磁性状態のエネルギーと強磁性状態のエネルギーの差（△Ｅ）をｘに対してプロットしたものであり、△Ｅが正の範囲１／３＜ｘで強磁性状態が安定であると予測できる。
【００４７】
ｘが３／８の（Ｆｅ３／８Ｒｕ５／８）２ＣｒＳｉでは、強磁性状態において全エネルギーが低く、強磁性状態が安定であるが、ｘが１／４の（Ｆｅ１／４Ｒｕ３／４）２ＣｒＳｉでは、反強磁性状態において全エネルギーが低く、反強磁性状態が安定である。従って、ｘ＝ｎ／８（ｎ＝１，２，・・・，８）に対して強磁性及び反強磁性の全エネルギーを比較すると、１／３＜ｘ＜３／４の範囲内でハーフメタルであると予測できる。
【００４８】
図１３Ａは、（Ｆｅ１／２Ｒｕ１／２）２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１３Ｂは、（Ｆｅ１／２Ｒｕ１／２）２ＣｒＧｅの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１３Ｃは、（Ｆｅ１／２Ｒｕ１／２）２ＣｒＳｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。つまり、図１３Ａ乃至図１３Ｃに示すグラフは、Ｚ原子が相違する合金に関するものである。図１３Ａ乃至図１３Ｃ中の実線及び点線は、夫々ｕｐ−ｓｐｉｎ、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を表わしている。
【００４９】
（Ｆｅ１／２Ｒｕ１／２）２ＣｒＳｉ、（Ｆｅ１／２Ｒｕ１／２）２ＣｒＧｅ及び（Ｆｅ１／２Ｒｕ１／２）２ＣｒＳｎのスピン分極率Ｐは、夫々１００％、１００％、９７％である。従って、（ＦｅｘＲｕ１−ｘ）２ＣｒＺは、１／３＜ｘの範囲で、スピン分極率Ｐが高いスピントロニクス材料として有望であり、特に１／３＜ｘ＜３／４の範囲で、ハーフメタルとして有望な材料であるといえる。但し、Ｚは、ＩＩＩＢ族元素、ＩＶＢ族元素又はＶＢ族元素のいずれか１種である。
【００５０】
図１４は、（ＦｅｘＲｕ１−ｘ）２ＣｒＳｉにおけるｘの値と格子定数との関係を示すグラフである。図１４中の◆は理論値を示し、■は８７３Ｋでの２４時間の焼鈍後の実測値を示し、○は焼鈍前の実測値を示す。理論値と実測値とがほぼ１％以内の誤差で一致しており、１／３＜ｘでは強磁性状態が安定したＬ２１型ホイスラー合金となっているといえる。
【００５１】
［（ＸｘＸ´１−ｘ）２ＣｒＳｉ（Ｘ、Ｘ´＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ）］
Ｘ原子の組み合わせとしては、同族元素同士のＦｅ１／２Ｏｓ１／２という組み合わせやＲｕ１／２Ｏｓ１／２という組み合わせ以外に、Ｆｅ、Ｒｕより夫々原子番号が１つ大きいＣｏ、Ｒｈを組み合わせたＦｅ１／２Ｃｏ１／２及びＲｕ１／２Ｒｈ１／２も有効である。
【００５２】
図１５Ａは、（Ｆｅ１／２Ｏｓ１／２）２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１５Ｂは、（Ｆｅ１／２Ｃｏ１／２）２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１５Ｃは、（Ｒｕ１／２Ｏｓ１／２）２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１５Ｄは、（Ｒｕ１／２Ｃｏ１／２）２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。図１５Ａ乃至図１５Ｄ中の実線及び点線は、夫々ｕｐ−ｓｐｉｎ、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を表わしている。
【００５３】
図１５Ａ乃至図１５Ｄに示すように、Ｘ原子の組み合わせの中にＦｅ、Ｒｕ及び／又はＯｓが含まれている場合、フェルミエネルギーでのｕｐ−ｓｐｉｎの状態密度が高く、スピン分極率Ｐが高い。
【００５４】
図１６Ａは、（Ｆｅ１／２Ｒｕ１／２）２ＭｎＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１６Ｂは、（Ｆｅ１／２Ｃｏ１／２）２ＭｎＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１６Ｃは、（Ｃｏ１／２Ｒｈ１／２）２ＭｎＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１６Ｄは、（Ｒｕ１／２Ｒｈ１／２）２ＭｎＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。図１６Ａ乃至図１６Ｄ中の実線及び点線は、夫々ｕｐ−ｓｐｉｎ、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を表わしている。
【００５５】
図１６Ａ乃至図１６Ｄに示すように、Ｘ原子の組み合わせの中にＦｅ、Ｒｕ及び／又はＯｓが含まれている場合、フェルミエネルギーでのｕｐ−ｓｐｉｎの状態密度が高く、スピン分極率Ｐが高い。これに対し、Ｘ原子がＣｏ及びＲｈである場合には、スピン分極率Ｐは高いが、フェルミエネルギーの直上にｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度のピークの裾がある。このことから、原子配列の乱れ等でスピン分極率Ｐが減少することが予想される。
【００５６】
［Ｘ２（Ｍｎ１−ｙＣｒｙ）Ｓｉ（Ｘ＝Ｆｅ、Ｒｕ）］
次に、ホイスラー合金のＹ原子に着目して説明する。図１７Ａは、Ｆｅ２ＭｎＳｉの強磁性状態の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１７Ｂは、Ｒｕ２ＭｎＳｉの強磁性状態の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。図１７Ａ及び図１７Ｂ中の実線及び点線は、夫々ｕｐ−ｓｐｉｎ、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を表わしている。
【００５７】
これらの合金は、磁気モーメントが反強磁性成分を含んでおり、ハーフメタルであることは期待できないが、強磁性状態ではハーフメタルとなる。Ｆｅ２ＣｒＳｉは強磁性状態が安定であることを考慮すると、Ｆｅ２（Ｍｎ１−ｙＣｒｙ）Ｓｉはハーフメタルになる可能性が高い。図１８Ａは、Ｆｅ２（Ｃｒ１／２Ｍｎ１／２）Ｓｉの強磁性状態の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１８Ｂは、Ｒｕ２（Ｃｒ１／２Ｍｎ１／２）Ｓｉの強磁性状態の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。図１８Ａ及び図１８Ｂ中の実線及び点線は、夫々ｕｐ−ｓｐｉｎ、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を表わしている。
【００５８】
図１８Ａ及び図１８Ｂに示すように、Ｒｕ２（Ｃｒ１／２Ｍｎ１／２）Ｓｉはハーフメタルであり、Ｆｅ２（Ｃｒ１／２Ｍｎ１／２）Ｓｉはハーフメタルではないものの、そのスピン分極率Ｐは９８％と高い。つまり、これらの合金の特徴は、Ｘ２ＣｒＺ合金の特徴と類似している。特に、スピントロニクス材料の判定で重要となるフェルミエネルギーＥＦ付近におけるｕｐ−ｓｐｉｎでの高いピーク及びｄｏｗｎ−ｓｐｉｎでの大きな谷が存在する。従って、これらの合金も、強磁性状態が安定ならばスピン分極率が高いスピントロニクス材料であるといえる。
【００５９】
なお、文献「J. Phys. Soc. Jpn., Vol. 64, No. 11, Nov., 1995, pp 4411-4417」のＦｉｇ．１０には、Ｆｅ２Ｍｎ１／２Ｃｒ１／２Ｓｉの磁気モーメントの実測値として２．５となることが示されている。この結果は、図１８Ａに示す結果と一致している。このことは、本願発明者が行った予測の信憑性が高いことを示している。
【００６０】
図１９Ａは、原子が規則配列したＦｅ２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１９Ｂは、原子が規則配列した（Ｆｅ１／２Ｒｕ１／２）２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１９Ｃは、原子が規則配列したＦｅ２ＣｒＳｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図１９Ｄは、原子が規則配列したＣｏ２ＭｎＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。また、図２０Ａは、原子が不規則配列したＦｅ２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図２０Ｂは、原子が不規則配列した（Ｆｅ１／２Ｒｕ１／２）２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図２０Ｃは、原子が不規則配列したＦｅ２ＣｒＳｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図２０Ｄは、原子が不規則配列したＣｏ２ＭｎＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。図１９Ａ乃至図１９Ｄ及び図２０Ａ乃至図２０Ｄ中の実線及び点線は、夫々ｕｐ−ｓｐｉｎ、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度（Ｄ（Ｅ））を表わしている。なお、図２０Ａ乃至図２０Ｄにおける原子の乱れの割合は１／８である。
【００６１】
図１９Ａ乃至図１９Ｄ及び図２０Ａ乃至図２０Ｄに示すように、Ｆｅを含む３種の合金（図１９Ａ乃至図１９Ｃ、図２０Ａ乃至図２０Ｃ）では、Ｆｅ−Ｃｒ間の原子の乱れがエネルギー的に安定であるため、不規則配列の場合でも高いスピン分極率Ｐが得られた。これに対し、Ｃｏ−Ｍｎ間で原子の乱れを生じさせたＣｏ２ＭｎＳｉでは、スピン分極率Ｐが大きく低下した。この傾向は、図１６Ｃに示す（Ｃｏ１／２Ｒｈ１／２）２ＭｎＳｉでも現れると考えられる。
【００６２】
図２１は、５種類の合金におけるＣｒ又はＭｎの乱れの割合ｙとスピン分極率Ｐとの関係を示すグラフである。Ｆｅ２ＣｒＳｎ、（Ｆｅ３／４Ｒｕ１／４）２ＣｒＳｉ、Ｆｅ２ＣｒＳｉ及び（Ｆｅ１／２Ｒｕ１／２）２ＣｒＳｉの不規則配列では、Ｆｅ−Ｃｒ間で原子の乱れを生じさせた。また、Ｃｏ２ＭｎＳｉの不規則配列では、Ｃｏ−Ｍｎ間で原子の乱れを生じさせた。これらの合金の不規則配列はエネルギー的に安定である。
【００６３】
図２１に示すように、Ｆｅを含む４種類の合金では、乱れの割合ｙが増加してもスピン分極率Ｐの低下は緩やかであったが、Ｃｏ2ＭｎＳｉでは、乱れの割合ｙが１／８となっただけでスピン分極率Ｐが著しく低下した。
【００６４】
図２２Ａは、原子が規則配列した（Ｆｅ３／４Ｒｕ１／４）２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図２２Ｂは、原子が不規則配列した（Ｆｅ３／４Ｒｕ１／４）２ＣｒＳｉの状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。なお、図２２Ｂにおける原子の乱れの割合は１／４であり、この組成において最もエネルギー的に安定である。
【００６５】
図２２Ａ及び図２２Ｂに示すように、規則配列及び不規則配列のいずれにおいても、ｕｐ−ｓｐｉｎ状態のフェルミエネルギーＥＦでの状態密度Ｄ↑（ＥＦ）が高い。但し、不規則配列では、規則配列と比較すると若干低い。
【００６６】
図２３Ａは、原子が規則配列した（Ｆｅ３／４Ｒｕ１／４）２ＣｒＳｉのＦｅのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図２３Ｂは、原子が規則配列した（Ｆｅ３／４Ｒｕ１／４）２ＣｒＳｉのＣｒのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図２３Ｃは、原子が規則配列した（Ｆｅ３／４Ｒｕ１／４）２ＣｒＳｉのＲｕのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。また、図２４Ａは、原子が不規則配列した（Ｆｅ３／４Ｒｕ１／４）２ＣｒＳｉの通常の位置にあるＦｅのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図２４Ｂは、原子が不規則配列した（Ｆｅ３／４Ｒｕ１／４）２ＣｒＳｉの他の原子位置を占有したＦｅのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図２４Ｃは、原子が不規則配列した（Ｆｅ３／４Ｒｕ１／４）２ＣｒＳｉの通常の位置にあるＣｒのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図２４Ｄは、原子が不規則配列した（Ｆｅ３／４Ｒｕ１／４）２ＣｒＳｉの他の原子位置を占有したＣｒのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフであり、図２４Ｅは、原子が不規則配列した（Ｆｅ３／４Ｒｕ１／４）２ＣｒＳｉの通常の位置にあるＲｕのｄ成分の状態密度（Ｄ（Ｅ））を示すグラフである。このように、図２４Ａ、図２４Ｃ及び図２４Ｅには、通常の位置にある原子に関する局所状態密度を示し、図２４Ｂ及び図２４Ｄには、他の原子位置を占有した原子に関する局所状態密度を示している。
【００６７】
図２３Ａ乃至図２３Ｃに示すように、規則配列では、Ｆｅ及びＣｒの局所状態密度が非常に高い。また、図２４Ａ乃至図２４Ｅに示すように、不規則配列では、他の原子位置を占有したＦｅ及びＣｒの局所状態密度は低いが、通常の位置にあるＦｅ及びＣｒの局所状態密度は高いままである。
【００６８】
これらの（Ｆｅ３／４Ｒｕ１／４）２ＣｒＳｉに関する解析結果から、次のことが導かれる。
（Ａ）（ＦｅｘＲｕ１−ｘ）２ＣｒＳｉは、ｘが１／３より大きい場合には、強磁性体でスピン分極率が高い物質である。
（Ｂ）スピン分極率が高い理由は、ｕｐ−ｓｐｉｎ状態の状態密度が大きく、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎ状態の状態密度が小さいからである。
（Ｃ）ｕｐ−ｓｐｉｎ状態の状態密度が大きい理由は、Ｆｅ及びＣｒの局所状態密度が大きいからである。Ｒｕからの寄与もＦｅ及びＣｒほどではないが存在する。
【００６９】
以上、詳述したように、数種類の合金についての結果から以下のように考えられる。
【００７０】
（１）ハーフメタル等のスピン分極率が高い物質をホイスラー合金Ｘ２ＹＺ（Ｌ２１型）の中から探索するに当たって、Ｘ原子として、「Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ及びＲｈ」の中から１種を選択するか、又は２種以上を適当な割合で組み合わせ、且つ、Ｙ原子として、「Ｃｒ及びＭｎ」の中から１種を選択するか、又は双方を適当な割合で組み合わせることにより、ｕｐ−ｓｐｉｎの状態密度にはフェルミレベル付近にピークができ、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度にはフェルミレベル付近に深い谷ができる。
【００７１】
（２）Ｘ原子を３ｄ（Ｆｅ又はＣｏ）遷移元素、４ｄ（Ｒｕ又はＲｈ）遷移元素、５ｄ（Ｏｓ又はＩｒ）遷移元素に変えていくと、ｕｐ−ｓｐｉｎの状態密度におけるピークは低くなっていくが、ｄｏｗｎ−ｓｐｉｎの状態密度における谷が広がっていき、総合的にはハーフメタルが得られやすくなる。
【００７２】
（３）同族元素（元素周期表の同じ列に並んだ元素）は互いに類似した性質をもつこと、及び、Ｚ原子は電子構造（Ｅ（ｋ）曲線及び状態密度曲線）に大きな影響を与えないことを考慮すると、Ｘ２（Ｍｎ１−ｙＣｒｙ）Ｚ（但し、Ｘは、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ及びＲｈからなる群から選択された少なくとも１種の元素であり、Ｚは、ＩＩＩＢ族元素、ＩＶＢ族元素及びＶＢ族元素からなる群から選択された少なくとも１種の元素である。）は、原子配列の乱れに対して壊れにくいハーフメタル等のスピン分極率の高い物質であるといえる。
【００７３】
但し、Ｆｅ２ＭｎＺ及びＲｕ２ＭｎＺでは、安定した強磁性状態が得られないため、スピントロニクス材料として適しているとはいえない。図２５Ａは、Ｒｕ２ＭｎＳｉの強磁性状態及び反強磁性状態における格子定数と全エネルギーとの関係を示すグラフであり、図２５Ｂは、Ｆｅ２ＭｎＳｉの強磁性状態及び反強磁性状態における格子定数と全エネルギーとの関係を示すグラフである。
【００７４】
図２５Ａに示すように、Ｒｕ２ＭｎＺでは、反強磁性状態が安定している。また、図２５Ｂに示すように、Ｆｅ２ＭｎＺでは、強磁性状態と反強磁性状態とが競合している。このように、Ｆｅ２ＭｎＺ及びＲｕ２ＭｎＺでは、安定した強磁性状態が得られない。
【００７５】
また、Ｃｏ２ＭｎＺでは、ｍａｊｏｒｉｔｙ−ｓｐｉｎ（↑）のフェルミエネルギーＥＦでのＤＯＳの値が小さく、原子の乱れ等によりスピン分極率Ｐが小さくなりやすい。
【００７６】
更に、Ｃｏ２ＣｒＡｌでは、２相分離が生じ、ハーフメタルとならないことが分かっている。
【００７７】
そして、上述のようなスピントロニクス材料はＴＭＲ素子に好適である。例えば、図２６に示すように、スピントロニクス材料からなる強磁性層１及び２の間に非磁性層３を挟みこむことにより、ＴＭＲ素子を形成することができる。
【００７８】
なお、スピン分極率Ｐと実験結果の報告に用いられるＴＭＲの値との間には次のような関係がある。前述のように、ｕｐ−ｓｐｉｎ及びｄｏｗｎ−ｓｐｉｎ状態のフェルミエネルギーＥＦでの状態密度をＤ↑（ＥＦ）、Ｄ↓（ＥＦ）とすると、スピン分極率Ｐは（Ｄ↑（ＥＦ）−Ｄ↓（ＥＦ））／（Ｄ↑（ＥＦ）＋Ｄ↓（ＥＦ））で求められる。一方、ＴＭＲの値は、強磁性層１、２のスピン分極率を夫々Ｐ１、Ｐ２とすると、２Ｐ１Ｐ２／（１−Ｐ１Ｐ２）で求められる。
【００７９】
そして、強磁性層１及び２がいずれもハーフメタルであれば（Ｐ１＝Ｐ２＝１）、ＴＭＲは無限大となる。また、強磁性層１及び２のスピン分極率が互いに等しい値Ｐ０である場合には、ＴＭＲの値は２Ｐ０２／（１−Ｐ０２）となる。
【００８０】
従来、Ｃｏ２Ｃｒ０．６Ｆｅ０．４ＡｌのＴＭＲの値は５Ｋの温度下で０．２６５（２６．５％）であるといわれている（Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 42 (2003), pp. L419-L422）。この０．２６５というＴＭＲに相当するスピン分極率Ｐ０は０．３４２（３４．２％）である。上述の種々の本願発明者が検証した材料（ハーフメタルを含む）では、６０％以上のスピン分極率が得られており、本願発明によれば、Ｃｏ２Ｃｒ０．６Ｆｅ０．４Ａｌと比較して著しく高いスピン分極率が得られるといえる。なお、６０％のスピン分極率に相当するＴＭＲの値は１．０５９（１０５．９％）であり、スピン分極率の値とＴＭＲの値との間には大きな相違があり、スピン分極率６０％は高いスピン分極率と判断できる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上詳述したように、本発明によれば、十分に高いスピン分極が得られる。そして、スピン分極が１００％であれば、ハーフメタルとして用いることができる。
【図１Ａ】
0004904499.tif 000002
【図１Ｂ】
0004904499.tif 000003
【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
0004904499.tif 000006
【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
0004904499.tif 000008
【図３Ｂ】
0004904499.tif 000009
【図３Ｃ】
0004904499.tif 000010
【図４Ａ】
0004904499.tif 000011
【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
0004904499.tif 000013
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
0004904499.tif 000032
【図１１Ｃ】
0004904499.tif 000033
【図１２】
0004904499.tif 000034
【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
0004904499.tif 000036
【図１３Ｃ】
0004904499.tif 000037
【図１４】
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【図１５Ａ】
0004904499.tif 000039
【図１５Ｂ】
0004904499.tif 000040
【図１５Ｃ】
0004904499.tif 000041
【図１５Ｄ】
0004904499.tif 000042
【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
0004904499.tif 000044
【図１６Ｃ】
0004904499.tif 000045
【図１６Ｄ】
0004904499.tif 000046
【図１７Ａ】
0004904499.tif 000047
【図１７Ｂ】
0004904499.tif 000048
【図１８Ａ】
0004904499.tif 000049
【図１８Ｂ】
0004904499.tif 000050
【図１９Ａ】
0004904499.tif 000051
【図１９Ｂ】
0004904499.tif 000052
【図１９Ｃ】
0004904499.tif 000053
【図１９Ｄ】
0004904499.tif 000054
【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２４Ｄ】
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【図２４Ｅ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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