スピンエレクトロニクス材料の探索 （佐藤和則班）
代表者：佐藤和則（大阪大学 基礎工学研究科・特任准教授）
分担者：小田竜樹（金沢大学 理工研究域数物科学系・教授）
小倉昌子（大阪大学 理学研究科・助教）
野崎隆行（大阪大学基礎工学研究科・助教）
連携研究者：
黒田眞司(筑波大物質・教授)、吉田博(阪大基礎工・教授)
朝日一(阪大産研・教授)、鈴木義茂(阪大基礎工・教授)
赤井久純(阪大理・教授)、下司雅章(阪大ナノセ・特任講師)
平成２３年度科学研究費補助金（新学術領域研究）「コンピューティクスによる物質デザイン：複合相関と非平衡ダイナミクス」
第１回研究会、平成２３年１０月７日（金）－８日（土）東京大学工学部6号館セミナー室A/D 、東京大学本郷キャンパス

グループ
半導体系スピントロニクス材料の探索
金属系スピントロニクス材料の探索

金属系スピントロニクス材料の探索
第一原理マテリアルデザイン
小田竜樹（金沢大学 理工研究域数物科学系）
実証実験：
野崎隆行（大阪大学基礎工学研究科
現、産総研ナノスピントロニクス研究センター）
鈴木義茂（大阪大学基礎工学研究科）[連携研究者]

成果目標：
電界印加による磁気異方性制御法のデザインと実証
磁気異方性シミュレーターの開発

研究背景：
エネルギー問題：環境に負荷をかけず持続的に発展可能な省エネルギーシステムの提案（省電力化技術）が求められる
社会的要請：次世代の基盤技術となりうる次世代エレクトロニクスの開発
超高集積・超高速・超省エネルギー
スピントロニクス
MRAM（磁気抵抗メモリ）

rrt r
Mr = Mr 0 +tα rE
P = P0 + β H

電気磁気効果による現象

スピン軌道相互作用起源の現象
ラシュバ効果、磁気異方性、…
小さいエネルギースケール物
理現象

観測
測定

制御

強磁性磁気を制御

電界による磁気異方性制御の必要性
高密度磁気メモリ（例えば、MRAM） メモリ書き換え
電流磁界
磁化反転

スピン注入 消費電力の低減
磁化反転
スピン偏極流垂直磁化方式
垂直磁化膜（メモリ）コンパクト化に難絶縁体
垂直磁化膜（固定）スイッチング電流の低減
スピン偏極流

さらなる低減が必要

磁気異方性の電界効果（金属系の先駆的実験）
M. Weisheit, S. Fähler, A. Marty, Y. Souche, C. Poinsignon, and D. Givord, Science 315, 349 (2007)

FePd

FePtr

電解液

εinward electric field

Coercivity decreases by the inward electric field

FePt

FePd

Kerr rotationof surface magnetism

FePt
For 2nm‐thick system ofFePt, 4.5% change ofcoercivity
in the difference of 600mV.
magnetization
reversal

MAE電圧印加による磁気異方性制御
電界駆動型磁化反転magnetization
reversal

MAE

MAE

垂直磁化膜の実現（正のMAE）
0

電界敏感な磁気異方性の実現（大きなMAEの電界効果）
Δ ε ( electric field )垂直磁気異方性のメカニズム今回注目した系(A) 界面の影響・効果（デザイン）:電界効果
野崎： Au / Fe / Au /MgO
小田： MgO/ M /Fe /Au(001) (M=Pd, Pt, Au)（B) 磁性層FePd
小田： Pd / Fe(1ML) / Pd(001)
野崎： Pd / 超薄膜Fe / MgOAu / Fe / Au / MgO 構造の垂直磁気異方性
野崎
Polyimide
MgO
FeAu

超薄膜Au層Kerr ellipticity, ηk (a.u.)

ITO

-4000

Au 0 nmAu 0.2 nm
Au 0.4 nm

-2000
02000
Perpendicular field (Oe)Au層挿入により垂直磁気異方性は低下
KS, Fe/MgO > KS, Fe/Auを示唆

4000

-200 V
200 V
-500

Kerr ellipticity (a.u.)

Kerr ellipticity (a.u.)tAu = 0 nm

-250

0250

Magnetic field (Oe)0250

Magnetic field (Oe)-250

0250500

Magnetic field (Oe)-200 V200 V-250-200 V
200 V
-500

500

tAu = 0.08 nm-500

tAu = 0.04 nm

Kerr ellipticity (a.u.)

Kerr ellipticity (a.u.)

Au / Fe (0.48 nm) / Au (t nm)/ MgO / Polyimide / ITO
野崎
構造における電圧印加効果

500

tAu = 0.16 nm-200 V
200 V
-500

-250

0250

Magnetic field (Oe)

1 ML程度のAu層挿入で電圧効果が消失

500

MgO/Fe/Au(Pt)(001) の基板効果
MgO/Fe/Au(001)

MgO/Fe/Au(001)
MgO/Fe/Pt(001)

Inducedspin density

MAE= 0.96mJ/m2
slope rate= 1.8fJ/Vm

小田MgO/Fe/Pt(001)-1.18mJ/m2
62.8fJ/Vm(Fe/Pt(001) 62fJ/Vm)(Pt/Fe/Pt(001) 72fJ/Vm)large and extension
to the substrate◆ The enhancement for the Pt substrate system is
attributed to the electric field induced hybridization
between Fe 3d and Pt 5d orbitals.

M. Tsujikawa, S. Haraguchi, TO, Y. Miura and M. Shirai, JAP., 109, 07C107 (2011)

MgO/M/Fe/Au(001)(M=Pd, Pt, Au)
PdPtAuFeMgO
Fe or Pd, Pt, Au
FeAu

小田

Es: diple‐diple interaction
Eb: band contribution
Eb+Es(mJ/m2)

slope rate(fJ/Vm)

MgO/Fe/Fe/Au(001)1.63-11.6 (-116)

MgO/Pd/Fe/Au(001)-0.94-39.6 (-396)

MgO/Pt/Fe/Au(001)1.25

86.3 (863)

MgO/Au/Fe/Au(001)

1.81-20.0 (-200)

MgO/Pt/Fe(3ML)/Au(001)-0.48

64.6 (646)

MAE and its gradient withrespect to electric field may becontrolled by using few non‐magnetic heavy element layers.

野崎

電界効果の符号に関して
Pd / Fe50Pd50/ MgO
F. Bonell et al., APL (2011)

tFe=0.32 nm
-1000

01000

Magnetic field (Oe)

Kerr elipticity (a.u.)

Kerr elipticity (a.u.)

Pd / 超薄膜Fe / MgO

tFePd = 1.5 nm
-3000

-1500

01500

3000

Magnetic field (Oe)
界面で合金層形成の可能性大

組成(+規則度？)の異なるFePd合金における電界効果の符号反転か？
界面構成層の制御が重要
G.H.O. Daalderop et al., PRB (1991)

小田

誘電体の効果metal

Pt/Fe/Pt(001)(GGA)
MAE:7.6mJ/m2
Slope:78fJ/Vm

MgO/Pt/Fe/Pt(001)
MAE:3.9mJ/m2
Slope:69fJ/Vm

78μJ/m2 per 1V/nm

69μJ/m2 per 1V/nm

MgO

VacuumThe electric field in the MgO is 3.07 times
smaller than vacuum region.
(the dielectric constant of MgO layeris 3.29)227fJ/Vm (μJ/m2 per 1V/nm)
Electric field in vacuum

Tsujikawa and Oda

Electric field in the MgO

今回注目した系(A) 界面の影響・効果（デザイン）:電界効果
野崎： Au / Fe / Au /MgO
小田： MgO/ M /Fe /Au(001) (M=Pd, Pt, Au)（B) 磁性層FePd
小田： Pd / Fe / Pd(001)
野崎： Pd / 超薄膜Fe / MgOElectrostatic potential and electron density
Optimized layer distancePd(c)‐Fe : 0.176nm
Fe‐Pd(1) : 0.179nm
Pd(1)‐Pd(2) : 0.206nm

小田The distance between Fe and thecapping Pd atom is reduced by about
2% from FePd bulk system.
P. Ravindran et. al., Phys. Rev. B 63, 144409 (2001)

Electrostatic potential
at EF=‐9.6, 0, 9.6V/nm.

Screening
effectInduced electron density.
The induced electron densities for
majority‐spin and minority‐spin at
EF=9.6 V/nm

S. Haraguchi, M. Tsujikawa, J. Gotou, and TO, J. Phys. D: Appl. Phys., 44 (2011) 064005

Pd/Fe/Pd(001)：Pt/Fe/Pt(001)との比較

Pd/Fe/Pd(001) Pd‐21 fJ/Vm
Pt/Fe/Pt(001) Pt+78 fJ/Vm (GGA)

Pd/Fe/Pd(001)γ Pd− 21≈= − 0 .27
78
γ Pt

Pt/Fe/Pt(001)Experiment

野崎
MgO/(Fe/Pd)n(001) n=3‐4

γ Pdexp= − 602 fJ/Vm≈ − 21ε

小田MgO
rfJ/Vm

1:4

Minus slope : qualitative agreement withthe experiment of Weisheit et al.
S. Haraguchi, M. Tsujikawa, J. Gotou, and TO,
J. Phys. D: Appl. Phys., 44 (2011) 064005.

FePdFePtexp.) Bonell et al., APL.
Electric field
8, 232510 (2011)
Weisheit et. al., Science 315, 349 (2007)

EF induced MAE density map in Pd/Fe/Pd(001)
小田Pd

Almost local contribution cancels out
And total difference of MAE becomes‐0.21mJ/m2.However,there is the localvariation (‐0.72 mJ/m2) at Fe layer.

Fe
Pd
Pd
Pd
Pd
Pd

Despite the screening effectworks well, the large changesof local MAE are observedat the deep layers.

The variation of MAE is notdirectly related to the electron
Electric field induced MAE density at 9.6 V/nm density.
S. Haraguchi, M. Tsujikawa, J. Gotou, and TO, J. Phys. D: Appl. Phys., 44 (2011) 064005.

Band dispersion

Ueno et al., e‐J. Surf. Sci.
Nanotech., 6,246(2008)

Pd/Fe/Pd(001):
In‐plane magnetic
anisotropy

Pd/Fe/Pd(001)Out‐of‐plane
Pt/Fe/Pt(001)小田Magnetic moments (in μB)

小田

M(c)
FeM(1)M(2)S. Haraguchi, et al.,JPDAP, 44 (2011) 064005.

Pd(5ML) slab

Pd(5ML) slab
MAE =‐238μJ/m2
Slope = ‐10.4fJ/Vm

tentative

小田z‐mag, zero EF磁気異方性エネルギーと電界効果
これまでに得られている性質（理論計算）(a) Fe(001)１原子層は、磁気双極子と電子状態の全寄与として、
面直磁気異方性(b) 界面MgO/Feは、面直磁気異方性(1-2mJ/m2)を強める働き(c) 界面Au/Feは鉄の面直磁気異方性やその電界効果を極端に弱めることもなく、鉄との相性はよい(d) 電界は誘電体層から金属層(２－３原子層)へ侵入(e) 誘電体層/磁性金属層の界面でのMAEの電界効果は、比誘電率に比例(f) 界面または第一層にあるPt層は、電界効果をかなり大きくする(g) Pd層は負の電界効果を与える(j) Feのバンドがフェルミ準位を横切るときは、磁気異方性電界効果は弱まる今回注目した系(A) 界面の影響・効果（デザイン）:電界効果
野崎： Au / Fe / Au /MgO
小田： MgO/ M /Fe /Au(001) (M=Pd, Pt, Au)（B) 磁性層FePd
小田： Pd / Fe(1ML) / Pd(001)
野崎： Pd / 超薄膜Fe / MgO
Ag / 超薄膜Fe / MgO

Pd / 超薄膜Fe / MgO接合における電圧誘起磁気異方性変化
野崎隆行1,2, 村上真一1,三輪真嗣1, 鈴木 義茂11阪大院基礎工2現産総研ナノスピントロニクス研究センター

野崎

研究背景1

ナノスケール磁性素子における低電力磁化制御方法の重要性

電流駆動型

Ｉ

電流磁界

~107 kBT
スピントランスファー効果

電界効果型 (<<106kBT ?)~106 kBT

室温＆実用材料で磁性と電界間の強い結合を得る方法は？

実験方法
試料構造および実験方法
ITO (100 nm)

H

1 mm

野崎

V>0
Bottom electrode

ITO topelectrode

Fe(Co)Ag or Pd (50 nm)
Cr(5 nm)
MgO substrate (001)

作製条件
・MBEによる電子線蒸着(室温)・バッファ層は蒸着後にアニール
Agバッファ: 200 ℃ 15 min.
Pdバッファ: 350 ℃ 15 min
・Polyimideはスピンコート（アニール@200℃ 20 min.）

He-Ne LASER

磁気ヒステリシスの計測
極カー効果測定

実験結果１ Pd / 超薄膜Fe / MgO構造における垂直磁気異方性
野崎
膜厚大面内磁化膜⎛ 1⎞2Eperpt = ⎜ − μ0Ms + Ku,crystal ⎟t + Ks
⎝ 2⎠

界面磁気異方性Fe膜厚KS = 470 μJ/m2

面直磁化膜

膜厚小Fe膜厚Cf. Au / Fe / MgO : Ks = 580 μJ/m2

野崎

実験結果2

V>0電極
MgO (10)Fe (0.32)
Pd (50)Kerr楕円率 (a.u.)

Pd / 超薄膜Fe / MgO構造における電圧誘起磁気異方性変化

基板

垂直磁気異方性エネルギー変化
ΔEperp= 27.9 kJ/m3

青：面直増大ΔE perptFe = 0.32 nm

界面磁気異方性
エネルギー変化：ΔKS= 8.9 μJ/m2

ΔKS = ΔEperpt野崎

これまでの結果との比較

FeMgO

8.4 μJ/m2

23.9 μJ/m2

強磁性体
バッファ層
基板

バッファ層

電極

強磁性体
FeCo

Au
Ag
Pd

(0.48 nm) *1(0.63 nm) *2

28.1 μJ/m2

26.6 μJ/m2(0.90 nm)(0.90 nm)

8.9 μJ/m2(0.32 nm)

未実施

FePd
結晶成長難
結晶成長難

55.9 μJ/m2(1.45 nm) *3*1 T. Maruyama et al., Nat. Nanotech. 2009.
*2 塩田陽一 卒論 2009.
*3 F. Bonell et al., APL 2011.

・ 強磁性体、バッファ層により電界効果に有意差あり

まとめ
まとめ

野崎

• Pd / 超薄膜Fe / MgO、およびAg / 超薄膜Fe90Co10 / MgO構造において、電圧による磁気異方性制御を観測した。
• これまでに得られた結果を総合的に比較すると、電界効果は垂直磁気異方性(もしくは垂直磁気異方性の臨界膜厚)の大きさと相関があるように見られる
ただし、数原子層オーダーの超薄膜領域ではバッファー材料の偏析が本質的な電界効果を抑制している可能性もあるため、STM等を用いた表面観察と合わせて上記の相関を系統的に再評価する必要有り。
また、界面磁気異方性エネルギーに対する電界効果の変化量は現状で最大でも5%程度にとどまっているため、今後は高い比誘電率を有する絶縁層を用いるなどのアプローチも必要と考えられる。

金属系スピントロニクス材料の探索
全体のまとめ
理論計算：○界面にPtなどのSOCが大きな原子を挿入→ 大きな電界効果○Au層を入れても、電界効果は存在○FePdは、FePtと電界効果が逆（実験と一致）
起源の解析が必要
実験：○Au層の挿入→電界効果消失○FePd系で大きな電界効果○FeAu系、FePd系のAu, Pdの偏析の可能性
探索を継続 起源の探究 電界効果増大を目指す