研究スタッフ
教

授：

白井正文、

助

手：

長尾和多加、

助

手：

三浦良雄

研究目的
情報デバイス開発指針

大規模シミュレーション技術を駆使して得られた電子・磁気・光学材料の電子状態に関する知見を基にして、(1) 構造と機能の関連を理論的に解明する(2) 物質創製の動的過程を原子レベルで予測する(3) 次世代情報デバイスの開発指針を提案する

構

造機

能

シミュレーション技術

主な研究テーマ
1. 欠陥に強いハーフメタル材料の設計
ハーフメタル： 多数スピン状態は金属的で、少数スピン状態は半導体的である物質
応用：TMR(トンネル磁気抵抗)素子やGMR(巨大磁気抵抗)素子の強磁性電極材料,また高効率なスピン注入源としての応用が期待されている物質：ホイスラー合金,希薄磁性半導体,ﾌｪﾛﾌｽｶｲﾄ型酸化物,遷移金属酸化物など
問題点：ハーフメタル材料を使ったTMR素子等では、まだ室温で十分な性能が得られていない。欠陥が形成されると完全結晶に比べハーフメタル性が大きく劣化するためである。 ⇒欠陥に強いハーフメタルが必要！
ターゲット：Coベースのフルホイスラー合金(Tcが高く, スパッタ等でも作製可能)
Co2XY(X=Ti,V,Cr,Mn,Fe, Y=Al,Ga,Si,Ge,Sn)

規則L21構造

DO3型(Co-X)置換

B2型(X-Y)置換

Coリッチ

Co欠損

YX
Co
欠陥のできやすさと局所電子密度の相関

Co2MnSi30

L21型
B2型

20（L21構造とのエネルギー差を各物質でプロット）

欠陥がで3.0
きにくいCo2TiAl

2.5

Co2TiGaCo欠損
Co ﾘｯﾁ100-102.0
1.5

DO3型(Co-X)-4-3-2-1

E-EF

0

1

[eV]

白井研究室

2-4-3-2-1

E-EF

01[eV]

2Coリッチ

Co2TiSn
Co2TiAl
Co2TiGa
Co2TiGe
Co2TiSi

Co2TiGe
Co2MnSnCo2VAl

Co2MnGe
Co2MnSi
Co2MnGa Co2FeGa
Co2MnAlCo2VSn Co2CrSn
Co2FeAl
Co2CrAlCo2VSiCo2FeSn
Co2CrSi
Co2VGeCo2CrGa
Co2FeGe
Co2CrGe
Co2FeSi
Co2VGa1.00.5-20-30DO3型(Co-X)置換
Co2TiSn

Co2TiSidFCo-X [eV]

状態密度[states/eV]

規則構造および欠陥構造での状態密度

欠陥がで0.0
きやすい 3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

Y原子まわりの電荷7.0

7.5 3.0

Co2VGaCo2MnSn Co2MnGe
Co2VAl2FeGa
Co2MnSi Co
Co2FeAlCo2VSnCo2MnGa
Co2VGe Co2VSi
Co CrGe Co MnAl Co FeSn
2Co2CrSn
Co2CrGa
3.5

4.0

4.5

5.0

22Co2CrSi
Co2CrAl5.56.0Co2FeGe
Co2FeSi
6.5

7.07.5

Y原子まわりの電荷

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2. デバイス構造におけるスピン依存電気伝導の解析
散乱領域

x

リード領域
問題点：デバイスの性能は個々のリード領域z
材料の電子的特性だけでは決まら Ψ =ψ + ∑r ψ ψ ψΨSψΨ = ∑t ψない。異なる材料を組み合わせたときに電流がどうながれるかを解Co2MnSi/Cu/Co2MnSiのスピン偏極率と電気伝導析して性能を評価する必要がある。
k′∈Lk′

k′k k′

k10.50-0.5-1

電子の透過率×チャンネル数手法：ランダウアー公式に基づいて、ナノ領域でのバリスティック電気伝導度を計算する。この手法
では、電気伝導度がリード領域から入射する電子の透過確率に比例する。界面での散乱効果を正確に取り扱うことができる。

スピン偏極率Co終端

目的：CPP-GMRを想定して, フリー層にCu, 強磁性層にハーフメタルであるCo2MnSiを用いたときのバリスティックなスピン依存電気伝導を解析する。

Co2MnSi

0Cu-0.5

00.5E-EF [eV]10.50-0.5-10k′k k′k′∈RMnSi終端

Co2MnSi

Cu

515
距離[Å]

102.01.8
1.6 多数スピ
1.4 少数スピンン
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.20.0-1-0.5

1Co2MnSi

2025k//=(0,0)

00.5E-EF [eV]1

フェルミ準位での多数スピン透過率のk//分布
1.8
1.61.41.2
10.80.6
0.4
0.200.4

ky0-0.2-0.4

E-EF [eV]

E-EF [eV]

25

多数スピン
少数スピンCuのバンド構造 5.1[Å] 5.6[Å]
2
1.5
10.5
0-0.5
-1-1.5-220k//=(0,0)

0.2

Co2MnSiのバンド構造(up-spin)
2
1.5
10.5
0-0.5
-1-1.5-2 [001]方向の波数 k [111]方向（平衡磁化）

Co2MnSi

1510
距離[Å]

52.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.00.80.6
0.4
0.2
0.0-1Rk

スピン偏極率k電子の透過率×チャンネル数

L-0.4-0.2

00.2

0.4

0.40.2ky0-0.221.5
10.50-0.4-0.4 -0.2

00.20.4kxkx

フェルミ準位での透過率の総和[001]方向の波数 k [111]方向Ω N∑Tk (k//, EF )dk// =2π ∫BZ k0.797(多数スピン)
0.0(少数スピン)Ω N∑Tk (k//, EF )dk// =2π ∫BZ k

1.21(多数スピン)
0.0(少数スピン)

MnSi終端Co終端

指針：希薄磁性半導体Si1-xMnxの場合、[110]方向に配置するMnスピン間に強い強磁性カップリングが存在する。したがって、Si母体結晶中で[110]方向に配置するMnを多くすれば、高いTcを持つ希薄磁性半導体が得られる。

1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0

Si1-xMnx(ii) (v)

強磁性的なスピン配置
反強磁性的なスピン配置
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Mn-Mn間距離 d [A]Mnが[110]方向に配置する場合に強磁性状態が安定になる。
(i)

(ii)

(vi)

(vii)

方法：Siの[111]微斜面のステップエッジを利用して、[110]方向に配置したMnの濃度を高める。
また、Si1-xMnx表面の第一原理ポテンシャルエネルギー曲面上でのモンテカルロ・シミュレーションを行い、実際の成長過程を検証する。

白井研究室(Viii)

(iii)

(iv)

(viii)

Mn 3d状態の局所状態密度(states/ev/atom)

問題点：高い強磁性転移温度(Tc)を有する希薄磁性半導体を実現するた
め、電子状態解析だけではなく、結晶成長プロセスの解析を行い作製指針を提案することも重要である。

エネルギー [eV]3. 希薄磁性半導体の結晶成長プロセスシミュレーション
Si1-xMnx
2.0

t2a1.51.00.50.0-2-1012E-EF (eV)[100]配置のときMn3d状態のバンド幅は大きくなる。

(V)

(ix)
Mn

[100]
[110]
[111]

Ge

Mn

希薄磁性半導体SiMnの強磁性を安定化す
る[110:]方向の遍歴
電子状態の空間分布

Siの[111]微斜面[110]方向

Siの(111)微斜面を成長プロセスで利用することにより、[110]配置のMn濃度を高める

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