FROM LATEST RESEARCH（SPRUC 2017 Young Scientist Award 受賞 研究報告）

放射光分光による電圧スピントロニクスデバイスの研究
大阪大学 大学院基礎工学研究科
三輪 真嗣
Abstract
ナノ磁性体を含有するスピントロニクスデバイスは磁化方向により電気抵抗を変える磁気抵抗効果を示す。この効果は既にハードディスクドライブの磁場センサーとして応用され、記録素子応用へ向けた研究開発も盛んに行われている。最近では、より省エネルギー化を目指した素子開発が行われており、電流を流さずに電圧をかけて磁性体表面を帯電させるだけで磁化反転を行う研究が行われている。本研究ではこの電圧効果の起源を解明するために、L10-FePt/MgOトンネル接合を用いてPt吸収端のX線磁気円二色性分光を行った。その結果、印加電圧に対応してPt原子のTz項（電気四極子並びに原子内部のスピン密度非対称性に由来する項）が変化することを見出した。理論解析からは誘起されたTz項がスピン反転励起を通じて、系の磁気異方性エネルギーを大きく変えることがわかった。本稿では強磁性金属薄膜における電圧誘起磁気異方性変化及びその微視的物理描像を紹介する。
1. 序論

強磁性金属薄膜の電界誘起磁気異方性変化は、強磁性体の磁極（N 極 S 極）は古代では方位磁針と2007 年に電解液に浸した厚さ数 nm の FePt 及びして使われ、近代からは電磁誘導を用いてエネルギーFePd 薄膜で発見され 、その後 Fe/MgO 等の室温固変換手法として利用されてきた。現代では磁極はハー体素子における実証により脚光を浴びた 。これまで

ド磁気ディスクドライブに代表される磁気記録媒体に報告されている電圧効果には 2 種類ある。一つは金として用いられている。一方で強磁性体を含有するス属と誘電体界面近傍での酸素イオンの移動に由来す

ピントロニクスデバイスは磁極方向により電気抵抗る電気化学反応である。この電圧誘起酸化還元反応は、を変える磁気抵抗効果を示す。従って磁極の方向を高FeCoOx/MgO 接合で発見され 、その後、Fe/BaTiO3効率に電気制御できれば、省エネルギーメモリデバイ接合 や FePt/イオンゲル接合 で同様の効果が見出さスとして応用できる。2000 年にスピン流磁化反転がれた。特にイオン伝導度の大きな誘電体を用いた

[1]

[2]

[3]

[6]

[7]

[8]

[9,10]

実証され 、電磁誘導を用いずに電気的に直接磁極方Co/Gd2O3 接合向を変えられるようになった。このスピン流磁化反転反応が起き、単位電界辺りの界面磁気異方性エネルギは電磁誘導よりスケーリングに優れ、磁気メモリ

ー（電圧誘起磁気異方性変化の大きさ）は、10,000MRAM（magnetic random access memory）の駆動fJ/m V/m を超える。もう一つは純粋に強磁性金属[2]ではより顕著な電圧誘起酸化還元

2[11]原理として期待されている 。しかし、スピン流磁化表面の電荷増減及び再配列で生じる効果 である。後反転も電流を必要とし、磁化反転に必要な最小エネル

者の電圧誘起磁気異方性変化は高々100 fJ/Vm であギー（Landauer 限界）の 10,000,000 倍以上のエネり、前者と比べて小さな値が報告されている。

ルギーを消費する。そこで最近は電流を流さず、電圧2 種類の電圧効果のうち、前者の電気化学反応は大をかけて強磁性体表面を帯電させるだけで磁化を反きな効果が魅力的であるものの、化学反応であるため転する研究が行われている。この電圧磁化制御法の一熱活性過程が必要である。従って動作速度がサブミリ[3-5]つが電圧誘起磁気異方性変化である 。特に Fe や Co秒と遅く、メモリ動作に必要な繰り返し動作耐性を担[4,5]を用いる強磁性金属薄膜の電圧誘起磁気異方性変化保できない。一方で後者の電界効果はサブナノ秒以下は室温で生じるため、スピントロニクスデバイスの新の高速応答性たな駆動原理として注目されている。

後者の電圧効果を大きくすれば MRAM をはじめとし8[12-15]

SPring-8/SACLA Information／Vol.23 No.1 FEBRUARY 2018

及び繰り返し耐性を有する。従って最近の研究からたスピントロニクスデバイスの駆動原理として利用

光では硬 X 線（10 keV 超）を用いる。硬 X 線は比較可能であり、スピン流磁化反転に替わる新規スピン操的厚い誘電体を透過するため、X 線照射面積を大きく作方法になり得る。一方で、現在報告されている後者取るために MgO（5 nm）とポリイミド（1,500 nm）の電圧誘起磁気異方性変化は高々100 fJ/Vm であり、の 2 層誘電体を用いた。実験では Pt/MgO 界面を有メインメモリ応用に必要な 1,000 fJ/Vm より小さい。

する L10-FePt(001)/fcc-MgO(001)接合を用いた。
FePt

そこで本研究では放射光を用いた X 線磁気円二色性は Fe 原子層（0.14 nm）と Pt 原子層（0.20 nm）を分光（XMCD）実験を行い、後者の強磁性金属表面の交互に電子線蒸着法で積層させて成膜した。図 1 の電電荷増減及び再配列で生じる電圧誘起磁気異方性変子顕微鏡写真において白く輝く原子が Pt であり、化の機構を明らかにし、巨大効果を示す新物質材料設

MgO との界面に確かに 1 原子層の Pt が存在するこ計指針獲得を試みた。とがわかる。本研究の参照実験として Pt/MgO 界面を有 す る FePt/MgO と Fe/MgO 界 面 を 有 す る

2. 実験手法

FePt/MgO、それぞれの電圧誘起磁気異方性変化を評

本研究では、Fe/MgO 界面に Pt を単原子層（0.2価した。
結果として Fe/Pt/MgO 系は Fe/MgO 系の 30nm）挿入した Fe/Pt/MgO 系を採用した。電圧誘起磁fJ/Vm よりも大きな 140 fJ/Vm の電圧磁気異方性

気異方性変化は電圧による界面磁気異方性エネルギ変化を示すことがわかった。

[11]

ーの変調である。界面磁気異方性はスピン軌道相互作用と密接な関係があるため、スピン軌道相互作用が大3. 結果と考察きな材料の利用が有望である。
そこで単原子層の Pt を

FePt/MgO 接合の電圧磁気異方変化を Pt-L3 吸収端Fe/MgO 界面に用意した。通常の Pt は常磁性体であの XMCD 信号で評価した（図 2）。図 2 の横軸は膜るが、本研究で用いた単原子層 Pt は強磁性体の Fe と面垂直方向の外部磁場強度、縦軸は Pt-L3 吸収端の接しているため、誘導磁気モーメントを有する強磁性XMCD 強度である。XMCD 強度は膜面垂直方向の磁体である。

化の大きさに比例する。このグラフから負電圧下の磁図 1 は素子構造及び実験概要である。fcc-Pd(001)化曲線は磁場掃引方向で結果が異なるヒステリシス

下地の上に、 L10-FePt(001)超薄膜を用意し、fcc-を示すのに対し、正電圧下の磁化曲線ではヒステリシMgO(001)とポリイミド絶縁膜を通して外部から電界スが消失することがわかる。これは FePt/MgO 膜のを Pt/MgO 界面に印加した。Pt L 吸収端の XMCD 分

垂直磁気異方性が電圧で変化したことを意味する。なお、 200 V は MgO 絶縁体中の 0.7 V/nm に相当する。電圧印加時に Pt/MgO 界面に電子が蓄積される方向を正電圧と定義した。

図1

素子構造及び実験概要

図2Fe/Pt/MgO 系の電圧磁気異方性変化

SPring-8/SACLA 利用者情報／2018 年 2 月

9FROM LATEST RESEARCH

Pt 吸収端の X 線吸収（XAS）及び XMCD スペクト

り Pt 原子の電子は欠乏するため、5d 軌道の電子欠乏

ルを図 3 に示す。 200 V の外部電圧下で測定し、そはこのことと一致する。なお赤矢印は 2p から 6s へれぞれ赤及び青で示した。実験中は外部磁場 60 mTの遷移を示す 。実験結果からは 5d 軌道と異なり 6sを膜面垂直に印加し、磁化を飽和させている。XAS軌道には電子が充填されていることがわかる。これはdifference は、­200 V の XAS から、+200 V の XAS

Pt 原子が静電遮蔽を起こすために電気双極子を s-p 混信号を差し引いたものである。XAS difference を注成軌道から生成し、結果として p 軌道から s 軌道に電視すると、外部電圧により Pt の電子状態が変化して子が移動するためであると考えられる。XMCDいることがわかる。例えば黒矢印は 2p から 5d へのintegral は実験的に得た XMCD スペクトルの数値積遷移に相当する。選択則から L3 端遷移は 2p3/2 → 5d3/2分である。負電圧を印加すると L3 端 L2 端ともに及び 2p3/2 → 5d5/2 を含むのに対し、L2 端遷移は 2p1/2XMCD 信号強度が増大することがわかった。

[15]→ 5d3/2 を含むことがわかる。XAS difference の黒矢

XMCD のスペクトルの強度を解析すると、磁気モ印部分は L3 端でのみ顕著であるため、負電圧が 5d5/2ーメントの情報を得られることが知られている。これ準位の電子を欠乏させ、空状態の状態密度を大きくしをサムルール解析たと考えられる。Pt に電界を印加すると静電遮蔽によにより Pt の磁気モーメント及び磁気モーメントの電[16,17]というが、本研究でもこの解析圧変化を求めた。電圧を印加しない時、Pt 原子における垂直磁場下の有効スピン磁気モーメント（meff = mS
‒ 7mT）は 0.30 µB、軌道磁気モーメント（mL）は 0.055µB、5d 軌道のホール数（n5d）は 1.76 であった。ここで mS、mT、µB はそれぞれスピン磁気モーメント、電気四極子並びに原子内部のスピン密度非対称性と関連する磁気双極子モーメント、ボーア磁子である。各磁 気 モ ー メ ン ト は 、 mS = ­2 µB<Sα>/ħ 、 mL =­µB<Lα>/ħ、mT = µB<Tα>/ħ の関係を持つ。<Sα>、<Lα>、<Tα>はスピン角運動量、軌道角運動量、磁気双極子演算子の α 方向成分期待値である。スピン軌道相互作用が<Tα>に及ぼす影響を無視できる時、磁気双極子演算子は、T = S ‒ 3r(r·S)〜­2Q·S/7 と記述できる。ここで r と Q は位置ベクトル及び電気四重極子テンソルである。系が C4v 対称性を有する系の場合、T は単純に式 1 で表される。

æ Sx ö
÷Qzz çT»ç S y ÷ ･････（1）7 ç÷
è - 2S z øz 方向を膜面垂直方向とした。
次に電圧による磁気モーメント及びホール数の変化を議論したい。負電圧印加時の有効スピン磁気モーメントは正電圧印加時のそれと比較すると 13%増大することがわかった。一方で軌道磁気モーメントの変化量は観測限界以下（< 7%）であった。一方でホール
図310

Pt 吸収端での XMCD 分光結果

数は正電圧を印加すると 0.019（〜1%）増大した。有SPring-8/SACLA Information／Vol.23 No.1 FEBRUARY 2018

最近の研究から[18]

効スピン磁気モーメントの変化量（13%）はホール数

第二項は mT 項由来の磁気異方性である 。これは交の変化量（1%）よりも非常に大きく、Pt の価電子数換相互作用（Eex）で分離された多数スピンバンドと少を大きく変える電気化学反応ではなく純粋に Pt 原子数スピンバンド間のスピン反転励起過程に起因する。の磁性を担う 5d 軌道の電子再配列により有効スピン

従って大きな λ'及び小さな Eex の時に有限な値を持つ。

磁気モーメントの変化が起きていることがわかる。

本研究のように 5d 遷移金属の Pt はこの条件を満た

有効スピン磁気モーメント（meff）はスピン磁気モーす。

メント（mS）と mT 項の和である。一般的に正方晶・次に第一原理計算による検討を行った。計算では、界面・薄膜等の対称性が低い系では原子の電子分布は

式 2 において「（第一項）:（第二項） = ­0.91 : 1.00」

電気四極子を有する。この時、電子がスピン偏極してであることがわかった。これは第二項の寄与が大きい

いると電気四重極子は原子内部のスピン分布異方性こと、そして実験で得た電圧誘起磁気異方性変化 140[18]を与える。これが mT 項である 。式 1 から mT 項に磁fJ/Vm は第一項と第二項が相殺され、第二項の寄与が化角度依存性があることがわかる。一方でスピン磁気一部残った結果であることがわかる。従って 2 つの機モーメントは磁化方向に依存しない。我々の実験では構の寄与を調節すれば応用レベルの 1,000 fJ/Vm を電圧をかけない状態では mT 項がほぼゼロであった（<超える巨大電圧効果を現実的に得る可能性が十分に0.01 µB）。一方で負電圧を印加すると正の mT 項が発あることがわかった。

現した。そして mT 項の電圧誘起は垂直磁化でのみ顕最後に電圧磁気異方性変化の物理描像を説明した著であった。これらのことから、13%もの有効スピンい。強磁性金属の電界誘起磁気異方性変化は前述の式

磁気モーメントの増大は主に mT 項に由来すると結論

2 で表せる。式 2 の第一項は l·s カップリングの lzsz 項できる。我々の検討結果は meff の電圧変化量における由来のエネルギーとも言える。これは l·s カップリン70%以上が mS でなく mT に起因することを示していグをスピンが保存した波動関数で挟んだ時に得られるる。
次にこの FePt/MgO 系の磁気異方性及び磁気異方性変化の起源を議論する。
磁気異方性エネルギーを l·sカップリングのスピン軌道相互作用係数に対する 2[18]次摂動で考えると式 2 で表される 。

DE @l'
21 l '2(DmL,¯ - DmL,­ ) DmT ････（2）4µ B
2µ B Eex

垂直磁気異方性エネルギー（ΔE）の定義は垂直磁化と面内磁化の磁気異方性エネルギー差である。λ'はｄ バンドの有効スピン軌道相互作用係数である。
ΔmL,↓(↑)は少数（多数）スピンバンド由来の軌道磁気モーメントの磁化角度異方性（垂直磁化と面内磁化の差）である。なお、測定で得られる軌道磁気モーメン
トは mL = mL,↓ + mL,↑であり、注意が必要である。式2 の第一項は軌道磁気モーメント由来の磁気異方性である。多数スピンバンドが埋まると仮定して mL,↑を無視すると垂直磁気異方性エネルギーは mL に比例し、表面界面磁性の分野で著名な Bruno の式と一致する[19]。しかし、Pt は交換相互作用が Fe や Co 等の 3d 遷移金属強磁性体と比べて小さく、mL,↑を無視できない。

図4

電圧磁気異方性変化の機構

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11FROM LATEST RESEARCH

謝辞
本研究は大阪大学の Frédéric Bonell 氏、松田健彰氏、塚原拓也氏、鈴木義茂氏、縄岡孝平氏、後藤穣氏、産業技術総合研究所の野崎隆行氏、湯浅新治氏、高輝度光科学研究センターの鈴木基寛氏、中村哲也氏、小谷佳範氏、そして東北大学の辻川雅人氏、白井正文氏らとの共同研究成果である。そして本研究の一部は革
図5

電気四極子の発生原理

新的研究開発推進プログラム（ImPACT）、科研費新学術領域研究「ナノスピン変換科学」及び若手研究（A）エネルギーである。別の言い方をすると電界により金の支援により行われた。XAS／XMCD 測定は SPring-8

属原子の電子数が変化し、その結果として軌道磁気の BL39XU 及び BL25SU で行われた（課題番号（双極子）モーメントが発生した結果である（図 4 上

2014B1007、2015A1003、2015A1572、2015B0079、

図）。一方で式 2 の第二項は l·s カップリングの（l+s­2015B1020、2015B1250、2016A0079、2016A1122、+ l­s+）項由来のエネルギーである。これは l·s カップ

2016A1314、2016B1017）。

リングをスピンが反転した波動関数で挟んだ時に得られるエネルギーであり、電界により金属原子の電子雲が歪んで（電子の再配列が起きて）電気四極子が発

参考文献生し、結果として磁気モーメント分布が異方的になっ[ 1 ] J. A. Katine, F. J. Albert, R. A. Buhrman, E. B. Myers and

た結果であると言える（図 4 下図）。

D. C. Ralph: Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 3149.

電界により電気四極子が発生するのはなぜだろう[ 2 ] K. Ando, S. Fujita, J. Ito, S. Yuasa, Y. Suzuki, Y. Nakatani,

か。金属界面では静電遮蔽のために電界は不均一にな

T. Miyazaki and H. Yoda: J. Appl. Phys. 115 (2014)

る。半導体や絶縁体中の線形な均一電界と異なり、こ172607.の不均一な電界は 2 次の項を含む。この 2 次の項は物質中の電気四極子と相互作用するため、異なる電気四極子を有する各 d 軌道のエネルギーを分裂させる（図5）。半導体や誘電体の電界効果が電子増減や電気双極[ 3 ] D. Chiba, M. Yamanouchi, F. Matsukura and H. Ohno:
Science 301 (2003) 943-945.
[ 4 ] M. Weisheit, S. Fähler, A. Marty, Y. Souche, C.
Poinsignon and D. Givord: Science 315 (2007) 349-351.
[ 5 ] T. Maruyama, Y. Shiota, T. Nozaki, K. Ohta, N. Toda, M.

子に由来することに対し、金属の電界効果は電子増減

Mizuguchi, A. A. Tulapurkar, T. Shinjo, M. Shiraishi, S.に加えて電気四極子に由来する。これは今後新たな物

Mizukami, Y. Ando and Y. Suzuki: Nat. Nanotechnol. 4

性研究を切り開く可能性があり非常に興味深い。この(2009) 158-161.

ように金属の電界効果を考える時は電界誘起の多極[ 6 ] F. Bonell, Y. T. Takahashi, D. D. Lam, S. Yoshida, Y.
Shiota, S. Miwa, T. Nakamura and Y. Suzuki: Appl. Phys.

子自由度を理解することが大事である。

Lett. 102 (2013) 152401.
4. 結論[ 7 ] G. Radaelli, D. Petti, E. Plekhanov, I. Fina, P. Torelli, B. R.
Salles, M. Cantoni, C. Rinaldi, D. Gutiérrez, G.

本研究では良質な FePt/MgO 接合デバイスを作製

Panaccione, M. Varela, S. Picozzi, J. Fontcuberta and R.

して XMCD 分光を行い、電圧誘起磁気異方性変化のBertacco: Nat. Commun. 5 (2014) 3404.

機構解明を目指した。結果として電界により Pt 原子[ 8 ] K. Leistner, J. Wunderwald, N. Lange, S. Oswald, M.に電気四極子が発生し、Tz 項の変化が生じることを実Richter, H. Zhang, L. Schultz and S. Fähler: Phys. Rev. B
87 (2013) 224411.

験的に見出した。本研究により電圧誘起磁気異方性変化の描像が明らかになり、今後の電圧スピントロニク[ 9 ] C. Bi, Y. Liu, T. Newhouse-Illige, M. Xu, M. Rosales, J.

スデバイスの材料研究の指針が明確になった。本研究

W. Freeland, O. Mryasov, S. Zhang, S. G. E. Velthuis andの詳細は文献[20]に記載されている。

12

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W. G. Wang: Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 267202.

最近の研究から[10] U. Bauer, L. Yao, A. J. Tan, P. Agrawal, S. Emori, H. L.
Tuller, S. Dijken and G. S. D. Beach: Nat. Mater. 14 (2015)
174-181.
[11] S. Miwa, K. Matsuda, K. Tanaka, Y. Kotani, M. Goto, T.
Nakamura and Y. Suzuki: Appl. Phys. Lett. 107 (2015)
162402.
[12] Y. Shiota, T. Nozaki, F. Bonell, S. Murakami, T. Shinjo
and Y. Suzuki: Nat. Mater. 11 (2012) 39-43.
[13] S. Kanai, M. Yamanouchi, S. Ikeda, Y. Nakatani, F.
Matsukura and H. Ohno: Appl. Phys. Lett. 101 (2012)
122403.
[14] T. Nozaki, Y. Shiota, S. Miwa, S. Murakami, F. Bonell, S.
Ishibashi, H. Kubota, K. Yakushiji, T. Saruya, A.
Fukushima, S. Yuasa, T. Shinjo and Y. Suzuki: Nat. Phys.
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[15] E. Tamura, J. van Ek, M. Fröba and J. Wong: Phys. Rev.
Lett. 74 (1995) 4899.
[16] B. T. Thole, P. Carra, F. Sette and G. van der Laan: Phys.
Rev. Lett. 68 (1992) 1943.
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[18] G. van der Laan: J. Phys: Condens. Matter. 10 (1998)
3239.
[19] P. Bruno: Phys. Rev. B 39 (1989) 865(R).
[20] S. Miwa, M. Suzuki, M. Tsujikawa, K. Matsuda, T.
Nozaki, K. Tanaka, T. Tsukahara, K. Nawaoka, M. Goto,
Y. Kotani, T. Ohkubo, F. Bonell, E. Tamura, K. Hono, T.
Nakamura, M. Shirai, S. Yuasa and Y. Suzuki: Nat.
Commun. 8 (2017) 15848.

三輪真嗣

大阪大学

MIWA Shinji

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