Press Release2024 年 5 ⽉ 23 ⽇
東京⼯業⼤学神奈川県⽴産業技術総合研究所

マルチフェロイック酸化物の単⼀分域ナノドット化に成功−次世代低消費電⼒磁気メモリの構築へ前進−【要点】○マルチフェロイック酸化物をナノサイズのドット形状として合成することに成功○強誘電性・強磁性の単⼀分域が実現していることを確認○次世代の低消費電⼒不揮発性磁気メモリの構築へ⼤きく前進【概要】

東京⼯業⼤学 物質理⼯学院 材料系の⼩澤慶太⼤学院⽣（研究当時）、勝俣真綸⼤学
院⽣（研究当時）、⻑瀬泰仁⼤学院⽣（研究当時）、同 科学技術創成研究院 フロンティ
ア材料研究所の重松圭助教、東正樹教授の研究グループは、住友化学次世代環境デバイ
ス協働研究拠点において、神奈川県⽴産業技術総合研究所（KISTEC）と共同で、磁⽯の性質（強磁性、⽤語 1）と電気を蓄える性質（強誘電性、⽤語 2）を併せ持つマルチフェロイック酸化物（⽤語 3）をナノサイズのドット形状として合成することに成功した。
情報通信のエネルギー消費量が著しく増加する中、マルチフェロイック酸化物の次世
代低消費電⼒不揮発性磁気メモリデバイスへの応⽤を⽬指した取り組みが進められている。特に、電気分極の反転で磁化を反転できるコバルト酸鉄酸ビスマスは、電圧による磁化反転で記録する次世代磁気メモリへの応⽤が期待されるが、実⽤化するには、微細化によって強磁性と強誘電性を単⼀分域で⽣じさせる必要がある。
今回の研究では、陽極酸化アルミナ（⽤語 4）に⾃発的に形成する細孔構造を活⽤して、コバルト酸鉄酸ビスマスを 60 ナノメートルのドット状で作製した。このナノサイズのドットを⾛査型プローブ顕微鏡（⽤語 5）によって調べることで、強誘電性と強磁性の単⼀分域（⽤語 6）が実現していることを⽰した。この成果は、超低消費電⼒・不揮発性磁気メモリとして応⽤する際に、コバルト酸鉄酸ビスマスを⾼密度に集積できることを⽰しており、環境に配慮した次世代メモリデバイスの構築へ⼤きく前進したといえる。
研究成果は 4 ⽉ 9 ⽇（現地時間）に⽶国化学会誌｢ACS Applied Materials and Interfaces（エーシーエス・アプライド・マテリアルズ・アンド・インターフェイシズ）｣のオンライン版に掲載された。

●背景

情報通信量の爆発的な増加や、⼈⼯知能によるデータ処理技術の普及などに伴って、情報通信技術に関連したエネルギー消費量は著しく増加しており、あらゆる分野において省電⼒技術のイノベーションが求められている。
東京⼯業⼤学 科学技術創成研究院内に発⾜した「住友化学次世代環境デバイス協働研究拠点」では、強相関電⼦の原理により磁気的性質と電気的性質が交差相関応答を⽰すマルチフェロイック物質に着⽬し、次世代の低消費電⼒不揮発性磁気メモリデバイスへの応⽤を⽬指した材料・プロセス開発、信頼性評価および社会実装に取り組んでいる。
同拠点の重松助教、東教授の研究グループはこれまでに、室温で強磁性と強誘電性が共存するコバルト酸鉄酸ビスマスを薄膜形態で安定化し、電場によって電気分極を反転させることにより、磁化の⽅向を反転させることに成功していた。しかしながら、S と N の磁化が隣り合って存在すると、互いに打ち消し合ってしまうため、磁気信号の検出が困難である。このため、実際の磁気メモリ動作に応⽤するために、コバルト酸鉄酸ビスマス薄膜を強誘電分域や磁気分域の⼤きさと同じ 100 ナノメートル程度まで微細化して、単⼀の分域を持つ状態を作り出す（単⼀分域化）ことが望まれていた。
●研究成果

本研究では、コバルト酸鉄酸ビスマスをナノサイズで合成するために、陽極酸化アルミナに⾃発的に形成する細孔構造に着⽬した。この細孔の直径はおよそ 60 ナノメートルであるため、この孔を雛形とした真空蒸着を⾏うことで、同じサイズのドット形状のコバルト酸鉄酸ビスマスを合成することができた（図 1）。
また、このナノドットを⾛査型プローブ顕微鏡によって測定した電気分極像（図 2 左）では、1 つのドットの内部が単⾊に⾒えていることから、ドット内部の⾃発分極が同じ⽅向にそろっていることが確認された。⼀⽅で、⻘丸部分のドットの磁気像（図 2 中央）
は、1 つのドット内部に S 極と N 極が存在する 1 個の磁⽯としての⾒え⽅に合致していた。このことから、今回得られたコバルト酸鉄酸ビスマスのナノドットは、強誘電性・強磁性の分域が共に単⼀分域であることが⽰された。
さらに、陽極酸化の⽅法を変えることでアルミナ細孔のサイズを拡⼤し、190 ナノメートルのコバルト酸鉄酸ビスマスのドットを合成した。このドットでの電気分極・磁化は複数の分域から形成されており、60 ナノメートルのドットのような単⼀分域ではないことが判明した。

図 1 アルミナの細孔構造を利⽤したコバルト酸ビスマスのドット合成プロセスの模式図。細孔構造が形成されている陽極酸化アルミナを、化学的な溶液処理によって貫通孔化し、基板に転写する。次にプラズマ化したコバルト酸鉄ビスマスを蒸着し、最後にアルミナを除去することで、アルミナの細孔と同じサイズのドットを得ることができる。

図 2 （左）⾛査型プローブ顕微鏡によって測定したコバルト酸ビスマスのドットの電気分極像。
ドットの内部が単⾊に⾒えていることから、電気分極が単⼀分域化していることを⽰唆する。
（中央）左図の⻘丸部分のドットで取得した磁気像と、（右）横から⾒た模式図。1 つのドットが 1 個の磁⽯の性質を持つときの⾒え⽅に合致している。

●社会的インパクト

今回の成果で実現した、コバルト酸鉄酸ビスマスでの強磁性と強誘導性の単⼀分域化は、マルチフェロイック特性を利⽤した磁気メモリ動作に必要なものである。さらにメモ
リでは、同じ⾯積にどれだけ情報記録単位を作れるか、すなわち集積度をどれだけ⾼められるかということも重要である。コバルト酸鉄酸ビスマスのナノサイズへの微細化に成功した今回の研究結果は、この材料が超低消費電⼒不揮発メモリの情報担体として利⽤可能であるだけでなく、⾼密度に集積できることを⽰すものであり、次世代の磁気メモリデバイスの構築へ⼤きく前進したといえる。
●今後の展開今後は、コバルト酸鉄酸ビスマスの強誘電・磁気単⼀分域ナノドットに電場印加することによる磁化反転の動作実証と検出⽅法の確⽴に取り組む。さらに、コバルト酸鉄酸ビスマスのナノドットへの加⼯に半導体製造⼯程で使⽤される微細加⼯技術を適⽤すること
で、次世代の低消費電⼒不揮発性磁気メモリデバイスの実現を⽬指す。
●付記本研究の⼀部は、地⽅独⽴⾏政法⼈ 神奈川県⽴産業技術総合研究所 実⽤化実証事業｢次世代半導体⽤エコマテリアルグループ｣（代表：東正樹 東京⼯業⼤学 教授）、⽂部科学省 科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)「電場印加磁化反転を⽤いた低消費電⼒メモリデバイスの実証」（21K18891、代表：東正樹 東京⼯業⼤学 教授）、特別推進研究「光と物質の⼀体的量⼦動⼒学が⽣み出す新しい光誘起協同現象物質開拓への挑戦」（18H05208、代表：腰原伸也 東京⼯業⼤学教授）、基盤研究 S「⾰新的負熱膨張材料を⽤いた熱膨張制御」（19H05625、代表：東正樹 東京⼯業⼤学 教授）、若⼿研究「薄膜化した四重ペロブスカイトの機能開拓」（20K15171、代表：重松圭 東京⼯業⼤学 助教）、国際・産学連携インヴァースイノベーション材料創出プロジェクトなどの⽀援を受け、住友化学次世代環境デバイス協働研究拠点において⾏われた。
【⽤語説明】（1）強磁性：電⼦は⾃転に例えられるスピンと呼ばれる内部⾃由度を持ち、2 つ状態（例えば上向きと下向き）をとる。隣り合う電⼦のスピンが同じ⽅向を向いて整列した状態を強磁性状態と呼ぶ。
（2）強誘電性：電界（電圧を、その電圧が印加されている試料の厚みで割ったもの）を印加されていない状態でも電気分極（物質中で陽イオンと陰イオンの重⼼がずれていることから⽣じる、電荷の偏り）を持ち、かつ外部電界の向きに応じて電気分極の向きを可逆的に反転できる性質のこと。
（3）マルチフェロイック酸化物：⼀般に、複数の強的秩序を有する物質のことを指す。
狭義では、強磁性と強誘電性の 2 つの強的秩序を有する物質を指す。
（4）陽極酸化アルミナ：⾦属アルミニウムを酸溶液中で電解処理することで、アルミニウム表⾯に形成された酸化被膜。この電解処理はアルマイトとも呼ばれ、アルミニウム製品の耐久性向上や着⾊処理に利⽤される。
（5）⾛査型プローブ顕微鏡：先端を尖らせた探針を⽤いて、物質の表⾯および表⾯近傍をなぞるように⾛査することで、物質表⾯についての情報を得る顕微鏡。探針の種類や⾛査⽅法を変更することで、強誘電ドメインの構造を調べる圧電応答顕微鏡や、強磁性ドメインの構造を調べる磁気⼒顕微鏡として使⽤することができる。
（6）分域：ドメインとも呼ばれる。磁気分域は磁化の向きがそろった区域を、強誘電分域は電気分極の向きがそろった区域を指す。
【論⽂情報】

掲載誌：ACS Applied Materials and Interfaces
論⽂タイトル：Single or vortex ferroelectric and ferromagnetic domain nanodot array ofmagnetoelectric BiFe0.9Co0.1O3
著者：Keita Ozawa, Yasuhito Nagase, Marin Katsumata, Kei Shigematsu, and MasakiAzuma
DOI：10.1021/acsami.4c01232【問い合わせ先】

東京⼯業⼤学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所
重松圭（しげまつ助教けい）

Email: kshigematsu@msl.titech.ac.jp
TEL: 045-924-5380

FAX: 045-924-5318

東京⼯業⼤学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所
東正樹（あずま教授まさき）

Email: mazuma@msl.titech.ac.jp
TEL: 045-924-5315

FAX: 045-924-5318【取材申し込み先】

東京⼯業⼤学 総務部 広報課
Email: media@jim.titech.ac.jp
TEL: 03-5734-2975

FAX: 03-5734-3661＜KISTEC 実⽤化実証事業「次世代半導体⽤エコマテリアルグループ」に関すること＞
地⽅独⽴⾏政法⼈神奈川県⽴産業技術総合研究所 研究開発部
Email: rep-kenkyu@kistec.jp
TEL: 044-819-2034