トピックス

L 10-FePd /グラフェン界面の Chemisorption 型ファンデルワールス結合による堅牢な界面垂直磁気異方性の
発現
永沼

博

東北大学国際集積エレクトロニクス研究開発センター〒9808572 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉4681

東北大学スピントロニクス学術連携研究教育センター，先端スピントロニクス研究開発センター〒9808577 仙台市青葉区片平 211

要 旨

六方晶系グラフェンをトンネル障壁層，正方晶系 L10-FePd 合金を垂直磁化記録層とした異種結晶界面を有する強磁性トンネル接合素子を次世代のシングルナノメーター世代の高記録密度の不揮発性磁気メモリへの応用に向けて，本研究では，L10-FePd/グラフェン異種界面を作製し，界面構造および界面磁気特性について評価した。L10FePd 層は r.f. スパッタリング法により SrTiO3 基板上にエピタキシャル成長させ，グラフェン層は化学気相成長（Chemical vapor deposition: CVD）法により L10-FePd 上に成長させた。L10-FePd/グラフェン異種界面の界面磁性を，高エネルギー加速器研究機構フォトンファクトリ BL-16において，深さ分解 X 線磁気円二色性（X-ray magnetic circular dichroism: XMCD）により評価した。深さ分解 XMCD 測定から，L10-FePd の Fe は垂直方向に強い界面軌道磁気モーメントを発現していることがわかった。L10-FePd/グラフェン異種結晶界面の界面原子構造を
断 面 走 査 透 過 電 子 顕 微 鏡 （ Scanning Transmission Electron Microscope: STEM ） 観 察 に よ り 調 べ た 。 断 面
STEM 観察像から，グラフェンと L10-FePd 層間距離は0.2 nm であり，グラファイトの層間距離（0.38 nm）に比

べて短縮されていた。この層間距離の短縮により，界面の電子密度が増大し，強い混成軌道を有する Chemisorption 型のファンデルワールス力となり，L10-FePd/グラフェンに界面垂直磁気異方性が誘起されたと考えられる。

界面垂直磁気異方性と L10-FePd の一軸の強い結晶磁気異方性の相乗効果は，記録情報の保持特性を向上させる。
さらに，グラフェンの垂直方向の低抵抗トンネル伝導は CMOS の負荷を低減させる。このような諸物性は，超高記録密度の不揮発性磁気メモリの構成材料として L10-FePd/グラフェンが期待できることを示唆している。

ネル接合素子におけるトンネル磁気抵抗変化率に関する理

1. はじめに論研究である。グラフェンをトンネル障壁層として， Co

二層グラフェンの面内角度を僅かにずらした魔法角なを 2 枚の強磁性電極層とした強磁性トンネル接合では，ど，二次元物質ではねじれ構造における新しい物性が注目

900  の ト ン ネ ル 磁 気 抵 抗 変 化 率 が 理 論 的 に 予 測 さ れされている。魔法角を有するグラフェンは moir áe パターた8) 。また，同じく Co を強磁性電極とし，トンネル障壁

ンが観測され，超電導状態1,2)，絶縁性3)，および軌道磁気材料には h-BN を用いた強磁性トンネル接合では 1,000 モーメントの誘起4)など，新しい物性が次々に報告されてのトンネル磁気抵抗変化率があらわれることが理論的に予いる。二次元物質の層間は比較的に弱い結合のファンデル

測された9)。しかし，実験10,11)では理論で予測されたトンワールス力により結合しているため，グラフェン層の角度

ネル磁気抵抗変化率に比べて低くなっている。理論からのをずらすだけでなく，格子定数が多少，異なっている異種予測8,9) では，二次元物質を用いて高いトンネル磁気抵抗類の二次元物質でもファンデルワールスにより接合させる

変化率を得るためには，Co と二次元物質 C（もしくは B,ことができ，相対的な原子位置関係や格子ミスフィット等

N）との相対的な原子位置関係が重要であると指摘されてにより作り出されたねじれた構造による新しい物性も報告いる。実験では，Co と C（もしくは B, N）の相対的な原されている57) 。このように，ねじれ構造を有する二次元子位置関係が理論で予測された配置となっていないことが物質の新しい面内方向の物性が続々と報告されてきた。一考えられる。今後，二次元物質をトンネル障壁とした強磁方，垂直方向の電気伝導性および磁性に関する研究は，面性トンネル接合素子において，高いトンネル磁気抵抗変化

内方向に比べると報告数が少ないが，いくつか注目すべき率を得るためには，製膜時の高度な制御ができる原子層堆

面直物性が報告されている。その 1 つは，二次元物質を積装置（ALD: Atomic Layer Deposition）などの製膜方法

トンネル障壁として，2 枚の強磁性層で挟んだ強磁性トンの導入が必要ではないかと考えられる。強磁性トンネル接放射光 Nov. 2022 Vol.35 No.6 ● 349(C) 2022 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

合素子の実用的な観点から，現行の MgO トンネル障壁を

h-BN）界面では Cpz, Codxy, Codx2dy2 との混成軌道により，用いた強磁性トンネル接合素子の不揮発性磁気メモリへの界面垂直磁気異方性が誘導されると理論的に説明されてい実用化を例にして，トンネル磁気抵抗変化率の値についてる。これら界面垂直磁気異方性は界面に限定された効果で考察する。強磁性トンネル接合素子を CMOS の直上に配ある。一方，L10 規則合金などは一軸性の高いバルク結晶

置した最先端の三次元不揮発性磁気メモリでは， CMOS

磁気異方性を有している。L10 規則合金は一軸方向に交互の動作電圧およびナノ秒領域での読み出し/書き込みに電に元素が配列されており，一軸方向に強い結晶磁気異方性

気抵抗値の有意差をもたせるためには，トンネル磁気抵抗があらわれる。典型的な L10 規則合金として，例えば，変化率を 150 以上にできることが望ましいとされていCoPt, FePd, FePt, MnAl, MnGa などがある。CoPt の場合，る。サムスンを含む各国のファウンドリーの発表で公表さCo と Pt が一軸方向に交互に配列することにより格子間隔れている MgO トンネル障壁を用いた強磁性トンネル接合が短くなることから正方晶構造である。交互に配列する割素子のトンネル磁気抵抗変化率は100を超えており，二合は規則度であらわされ，L10 規則度が高い方が結晶磁気次元物質を用いた強磁性トンネル接合素子の磁気抵抗変化

異方性が高くなる。このような一軸性の結晶磁気異方性は率も，実験値として100を超えることが 1 つの目標にな

界面に限定された界面垂直磁気異方性に比べると，垂直磁ると考えている。 MgO トンネル障壁に対して，二次元物

気異方性を高くする点で有利である。しかし，多くの L10質を用いたトンネル障壁には有利な点もある。それは，グ規則合金と MgO には約10の高い格子不整合率があり，ラフェンなどの二次元物質は MgO に比べて面直方向の電粗悪な界面により，磁気異方性の方位は分散し，トンネル

気抵抗が低いことである12)。 MgO トンネル障壁を用いる

磁気抵抗変化率は数と低くなる問題がある。これは，と，接合直径が十数 nm より小さくなると素子抵抗が急激

MgO との結合が強く，格子不整合を許容できないことがに高くなり，最先端の CMOS が供給できる電圧では書き原因である。二次元物質はファンデルワールス力により緩換えが困難になる。最先端の CMOS は TSMC およびサ

やかに結合しているため，L10 規則合金との格子不整合をムスンから 5 nm 世代のテクニカルノードが量産化されて許容することが期待される。 L10 規則合金は正方晶であいる。しかし，ファーウェイから販売されている低消費電り，六方晶であるグラフェンおよび h-BN とは結晶系が異力型のスマートウォッチに使われている CMOS は書き込なるため，このような異種結晶界面が形成できるのかわか

み問題を回避するために大きめのテクニカルノードではらなかった。そのような状況のなか，最近， L10-FePd 規

28 nm 世代であり，メタルハーフピッチでは45 nm くらい

則合金とグラフェンの異種結晶界面でもエネルギー的に安となる。強磁性トンネル接合素子は 70 ～ 80 nm が使われ定となる原子配置が存在することが第一原理計算より予測ているとされている。このように， MgO を用いた強磁性された16)。L10-FePd/グラフェンの異種結晶界面が形成でトンネル接合素子は CMOS に対してスケーリングに差がきれば， L10-FePd の高いバルク結晶磁気異方性を垂直磁生じており，高集積化の課題となっている。（※2020年11

気 異 方 性 と し て 利 用 す る こ と が で き る 。 さ ら に ， L 10 -月に開催された Flash Memory Summit の C-9 セッション

FePd/グラフェン異種結晶界面に界面磁気異方性があらわ

において Tech Insights 社が分解して測長した調査報告のれれば， L10-FePd のバルク結晶磁気異方性に加算するこ値であり，各社，公式には CMOS 世代，強磁性トンネルとができるため，不揮発性磁気メモリのデータ保持特性に接合素子の接合直径は公表していない）強磁性トンネル接大きく貢献することができる。本研究では，L10-FePd/グ

合素子の接合直径は，実験レベルで，次世代のシングルナラフェンを用いた超高集積の不揮発性磁気メモリの実用性

ノメーター世代が実現し13) ，実用レベルの性能を 1X nmを明らかにするために，異種結晶系の L10-FePd とグラフ世代で既に実現している14) 。素子の接合抵抗を低くする

ェン二層膜を作製し，異種結晶界面の界面構造および界面と，高集積化を実現することができることから，二次元物

垂直磁気異方性について調べた17)。

質をトンネル障壁へ利用する基礎研究も重要であると考えている。
MgO には不揮発性磁気メモリの高集積化において重要

2. 実験方法となる，界面垂直磁気異方性を有している。垂直磁気異方Fig. 1 に L10-FePd /グラフェン二層膜試料の作製方法を性材料を用いることにより，メモリ間での漏洩磁場による示す。 FePd 合金ターゲットを用いて FePd 膜を SrTiO3

磁気的な相互干渉が少なくなること，また面直方向に磁気( 100 ) 基板上に r.f. マグネトロンスパッタ法により堆積体積を増やしてデータ保持特性を向上させるなど，高集積し，その後，真空製膜チャンバー内にて 700°
Cまで加熱し化の設計許容度において必要不可欠な物性となっている。

て， L10 規則化を行った。 1 ( a )化学気相成長（ Chemical

グラフェン， h-BN などの二次元物質は Co, Ni などの 3vapor deposition: CVD ）法の製膜チャンバーに移動し，回対称性面と界面を形成すると，MgO と同レベルの界面

C2H2 ガスを用いて L10-FePd 上にグラフェンを形成した。

垂直磁気異方性定数が得られることが報告されてい1 ( b )18) L10-FePd の L10 規則化は X 線回折法（線源 Cu-

る9,15)。第一原理計算から，Co/グラフェン（もしくは Co/Ka ）により， L10-FePd /グラフェンの界面電子構造は X

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トピックス ■ L 10-FePd/グラフェン界面の Chemisorption 型ファンデルワールス結合による堅牢な界面垂直磁気異方性の発現

Fig. 1(Color online) Schematic illustration of the graphene integration process to the FePd perpendicular epitaxial ˆlm.
(a) The L10-FePd epitaxial ˆlm was grown by r.f. magnetron sputtering at room temperature, followed by annealing at 700°
C in a vacuum. (b) The graphene layer was formed by CVD using C2H2 gas. (c) L10-FePd/
graphene bilayer was formed.

Fig. 2(Color online) (a) Schematic illustration of XMCD, and (b) depth-resolved XMCD measurement.

線反射率測定によりそれぞれ評価した。L10-FePd/グラフ

合， XMCD の吸収スペクトルは L 殻（ L3 および L2 吸収

ェンの界面構造は走査透過電子顕微鏡（ Scanning Trans-端）を用いる。 Fe の場合， 700 eV 近傍の X 線を吸収す

mission Electron Microscope: STEM ）観察により評価しると，2p 電子が励起され，3d 軌道に遷移する。3d 状態はた。カーボンに比べて重い元素である Fe と Pd を同時に元素の磁気的性質を反映し， XMCD スペクトルには Fe

観 察 す る た め に ， STEM 観 察 で は Bright-Field ( BF ) ,元素の周囲を含めた広い磁気情報を含む。深さ分解 XAS

Bright-Field (ABF），および High-Angle-Annu-

および XMCD 測定では，X 線の照射によって引き起こさlar Dark-Field (HAADF）の 3 つの検出器を用いた。L10-れる蛍光軟 X 線の発光強度を測定する方法を応用する。

FePd/グラフェン界面の電子構造および磁気構造は，深さ

検出器には100 eV～1 keV の軟 X 線に対応し，100万画素

分解 X 線吸収スペクトル（ X-ray spectroscopy: XAS ）おを有する BITRAN 社製の冷却型 CCD カメラ（BK-501X）

よび X 線磁気円二色性（X-ray magnetic circular dichro-を用いた。試料から放出される蛍光軟 X 線の実効的な脱ism: XMCD）により評価した。Fig. 2(a)に XMCD，2(b)

出深度は発光角によって異なる。垂直方向に出射される蛍に深さ分解 XMCD の原理を示す。試料に照射する X 線の

光軟 X 線は比較的深いところからでも脱出することがで

Annular

エネルギーを変化させながら X 線吸収を測定し，各元素きるのに対して，すれすれに出射した蛍光軟 X 線は浅いのエネルギー帯域に応じた XAS を得る。 XMCD は，磁ところからしか脱出することができない。これを利用する場を固定したときの左円偏光と右円偏光，もしくは円偏光と，蛍光軟 X 線の発光角によってスペクトルを選別し，を固定したときの磁場の極性の変化により測定した 2 つ

角度に応じて深度情報を得ることができる。異なる波長での XAS の差分スペクトルから得る。 XMCD スペクトル測定した一連の X 線吸収データを分析することにより，を解析することで試料を構成する各元素のスピン磁気モー深さ分解 XAS および XMCD スペクトルを取得することがメント（ Ms）および軌道磁気モーメント（ Ml）を独立にできる。X 線の波長（l），減衰長（l），検出角度（ud）は評価する。 Mn, Fe, Co および Ni などの 3d 遷移金属の場

次の関係式を満たす l ＝ l ･ sin ud19) 。ここで，最小の ud

放射光 Nov. 2022 Vol.35 No.6 ● 351

は約0.1°である。これまで，多くの深さ分解 XAS, XMCD

あ り ， ス テ ッ プ ー テ ラ ス 構 造 も 観 察 さ れ て お り ， L 10 -

測定では全電子収量測定法が用いられてきたが20) ，蛍光

FePd 表面は平坦であることがわかる。

X 線は物質の透過率が高いため，広い範囲の深さ情報を）した
Fig. 4 に L10-FePd/グラフェンへ直入射（ ui＝90°取得できる特徴がある。界面垂直磁気異方性を評価するた

ときの 4(a)深さ分解 XAS と 4(b)深さ分解 XMCD スペク

めに，試料に対する外部磁場方向を回転させた。 ui が 90トルを示す。入射 X 線のエネルギー帯域は Fe の L3 およ°と 30 °とは面内方向から 90 °と 30 °に 0.87 T の外部磁場がび L2 吸収端であり，L10-FePd の Fe の磁気電子情報を印加されたことを意味する。

みている。界面層 4 ( c )および内部層 4 ( d )の XAS および
XMCD ス ペ ク ト ル を 示 す 。 SUM ル ー ル21,22) を 用 い て

3. 結果と考察

XMCD スペクトルから算出した，スピン磁気モーメント（Ms）および軌道磁気モーメント（Ml）を Table 1 に示す。

Fig. 3 ( a )に L10-FePd /グラフェン二層膜の u / 2u の X 線

Mtotal は Ms と Ml を足し合わせた磁気モーメントである。

回折パターンを示す。FePd の超格子反射が明瞭にあらわ

内部層の Mtotal に比べて界面層の Mtotal の方が小さくなっれており，L10 規則化していることがわかる。FePd(00n)ている。これは， L10-FePd からグラフェンに電子が移動

は SrTiO3 ( 00n ) の高角側にあらわれており， L10 規則化しているため，Mtotal が界面層で低下したことが原因と考により c 軸が a 軸に比べて短縮して正方晶構造となっていえられる。従って，グラフェンには FePd からの電子の移ることがわかる。また，Fig. 3(b)FePd(001) 付近の拡大図

動により磁化が誘起されていることが推察される。一方，からサテライトピークも観測された。表面平坦性を原子間界面層の Ml および Ms / Ml は内部層に比べて大きくなっ

力顕微鏡で測定したところ，平均面粗さは 0.4 nm 以下でていた。

Fig. 3(Color online) (a) u/2u X-ray diŠraction pattern for the L10-FePd/graphene bilayer, and (b) magniˆed aroundthe FePd(001) peak.

Fig. 4(Color online) Depth-resolved (a) XAS and (b) XMCD spectrum for L10-FePd/graphene bilayer. The magniˆed XAS and XMCD spectrum at (c) interface and (d) inner layer. The external magnetic ˆeld was applied in the).
perpendicular direction (ui＝90°

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トピックス ■ L 10-FePd/グラフェン界面の Chemisorption 型ファンデルワールス結合による堅牢な界面垂直磁気異方性の発現

続いて，磁気異方性を評価するために，外部磁場の印加

的な密度増加を仮定し， 7 ( a )は界面に厚さ 1 nm の堅牢

角度を垂直方向から60°傾けて深さ分解測定を行った。Fig.

（急峻）な密度増大が存在することを仮定してフィッティ

5 に L10-FePd/グラフェン試料に対して磁場印加方向を ui

ングを行った。L10-FePd/グラフェンの層間距離は後述す＝ 30 °としたときの 5 ( a )深さ分解 XAS と 5 ( b )深さ分解

断面 STEM 観察の結果から 0.2 nm とし， SrTiO3 基板，

XMCD スペクトルを示す。界面層 5(c)および内部層 5(d)L10-FePd およびグラフェンの密度は文献値を用いた。その XAS および XMCD スペクトルを示す。 Table 1 に Ms,の結果，7(a)に示す堅牢な高い電子密度層が厚さ 1 nm でとMl, Mtotal および Ms / Ml の値を示す。 Ms / Ml を ui ＝ 90 °存在すると仮定したとき，最も X 線反射率データとフィで比較すると， ui ＝ 90 °の方が Ms / Ml が高くなってい
30 °ッティングデータが一致した。 Table 2 に Fig. 7 ( c )の X 線

た。このことから， L10-FePd /グラフェン中の L10-FePdの Fe の Ml は垂直方向（ ui＝ 90 °）に磁気異方性を有していることがわかる。
Fig. 6 に深さ分解 XMCD の Ms および Ms/Ml の r-factor＝ SQRT∑(exp－sim)2 を用いてフィッティング精度に関∑(exp)2

する評価を行った。その結果， Ml が増大している厚さは
約 1 nm であり，堅牢（急峻）な変化を仮定した方がフィッテイング精度が高くなることがわかった。
Fig. 7 に L10-FePd/グラフェンの X 線反射率測定データと，代表的な 3 つのフィッティングの結果を示す。 Fig. 7( a )は界面に密度の変化がない， 7 ( b )は厚さ 1 nm の段階

Table 1

(Color online) Ms, Ml, Mtotal and Ms/Ml deduced from the
XMCD spectrum using the SUM rule.

Fig. 6

Fig. 5(Color online) The ˆtting of Ms, and Ms/Ml for the L10FePd/graphene bilayer assumed robust and slope interfaces.

(Color online) Depth-resolved (a) XAS and (b) XMCD spectrum for the L10-FePd/graphene bilayer. The magniˆed XAS and XMCD spectrum at (c) interface and (d) inner layer. The external magnetic ˆeld was applied in).
the perpendicular direction (ui＝30°

放射光 Nov. 2022 Vol.35 No.6 ● 353

Fig. 7

Table 2

(Color online) X-ray re‰ectivity (XRR) measurement of L10-FePd/graphene and three typical ˆtting results fordescribing diŠerent interfacial structures: (a) continuous mass density, (b) higher mass density gradient, (c)robust high mass density at the FePd side of the interface. The mass density in the vertical axis is proportional tothe electron density in XRR ˆtting equation. At 2 theta above 6 degrees, the XRR data are strongly related to the
Gr layer. Fitting in (c) matched well with the experimental data in the whole angle.

(Color online) Thickness, roughness, and mass density (r)of each layer deduced by X-ray re‰ectivity (XRR) ˆtting
for the interfacial layer with high robust mass density.

られることが期待される。
Fig. 8 ( a ) ABF, BF および HAADF の 3 つの検出器を用いた 8 ( b )断面 STEM 像を示す。 BF 検出器は中心の透過電子を含む広く回折した電子線の情報となる。 ABF 検出
器は透過電子を含まない環状検出器であり，低角度の回折を主に検出することから，カーボンなどの軽元素の検出に適している。 HAADF 検出器は環状検出器であり，高角度側の回折を検出することから， Fe, Pd などの重い元素による回折を検出することに適している。Fig. 8(b)のオレンジの矢印破線の位置には ABF 検出器には原子が存在す
るが， HAADF 検出付きにはあらわれない。従って，オ

反射率測定から得られた，各層の厚さ，表面粗さ，密度にレンジ矢印破線上の元素は軽元素のグラフェンのカーボン

ついてまとめた。界面の FePd 側に厚さ 1 nm の堅牢な高であると同定できる。また，観察した領域のグラフェンは

電子密度層が形成していることは，深さ分解 XMCD のフ2 層構造となっていることがわかる。 HAADF-STEM 像ィッティングにおける Ml の堅牢性と定性的な一致を示しでは Pd のような重い元素が明るく， Fe のような軽い元ている。つまり，界面垂直磁気異方性は界面において高電素が暗くなる（尚，カーボンは軽すぎて検出されにくい）。

子密度層が形成していることが起源であることが示唆されFe と Pd の位置を判別したところ， FePd は面直方向にる。つまり，界面垂直磁気異方性が L10-FePd の高いバル

Fe と Pd が交互に並んでおり，FePd はエピタキシャル成

ク結晶磁気異方性に重畳してより高いデータ保持特性が得

長，かつ高い L10 規則度が得られていることがわかる。

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トピックス ■ L 10-FePd/グラフェン界面の Chemisorption 型ファンデルワールス結合による堅牢な界面垂直磁気異方性の発現

Fig. 8(Color online) (a) BF, ABF, and HAADF detectors for the STEM observations, (b) cross-sectional BF, ABF,
and HAADF-STEM images for the L10-FePd/graphene bilayer, (c) HAADF-STEM image with diŠerent contrast, (d) line proˆle of STEM images in (b).

［ Fig. 8 ( b)］ Fig. 8( b)の HAADF-STEM 像ではグラフェン

密度層と対応していると考えられる。この結果は第一原理と接する最表面の L10-FePd のコントラストが不明瞭であ計算とよい一致を示しており，第一原理計算においても，る。そこで， Fig. 8 ( c )に HAADF-STEM 像のコントラス

L10-FePd の Fe とグラフェン第一層の層間距離は 0.2 nm

トを調整し，界面付近を見やすくした。その結果， L10-と短くなっている17)。以上をまとめると，L10-FePd/グラFePd の最表面の元素は Fe であり，L10-FePd は最表面まフェン界面には，厚さが約 1 nm の堅牢な高電子密度層にで L10 規則配列を有していることがわかった。Fig. 8(d)により混成軌道が形成し，その結果として垂直方向に堅牢なFig. 8(b)の破線領域から得た面直方向のコントラストのラ軌道磁気モーメントが誘起されていると考えられる。

インプロファイルを示す。ラインプロファイルは内部領域

L10-FePd /グラフェンの界面磁気異方性は L10-FePd のの B′からグラフェン層を含む表面 B の範囲で行った。界一軸性の高いバルク結晶磁気異方性と重畳するため，実効面近傍に着目すると， L10-FePd の Fe とグラフェン第一的な垂直磁気異方性が高くなる。マイクロマグネティクス

層との層間距離は約0.23 nm であった。グラフェンの第 1

シミュレーションにより L10-FePd /グラフェンの垂直磁層と第 2 層の層間距離は0.38 nm であり，グラファイトの気異方性（バルク結晶磁気異方性＋界面垂直磁気異方性）

層間距離と近い値を得ている。このことから， L10-FePd

から，どの程度まで微小化できるかを検討した。［Fig. 9］の Fe とグラフェン第一層との層間距離は短くなっている計算に用いたメッシュサイズは1.5 nm とし，L10-FePd のことがわかった。グラフェンを含む二次元物質と金属のフ交換結合長より小さくなるようにした。 L10-FePd の飽和ァンデルワールス力による層間結合には Physisorption 型

磁化は1.2 T，交換スティフネス定数は 6 pJ/m，結晶磁気と Chemisorption 型の 2 種類がある。いずれの結合型に異方性は 2 MJ / m3 とした23) 。また， L10-FePd /グラフェ

なるかは，二次元物質と金属材料の組み合わせによって決ンの界面垂直磁気異方性は 0.1 mJ / m2 とした。 Fig. 9 に示まると考えられている。グラファイトの層間結合は Phys-

すように，L10-FePd の厚さが 2 nm，直径が10 nm の微小isorption 型のファンデルワールス力であり， 0.35 ～ 0.38な円柱ディスクにおいても熱安定性指数（D）は57.7とな

nm である。 0.23 nm の層間距離のように短くなるときはり， 10 年以上の記録情報のデータ保持が実現できること

Chemisorption 型のファンデルワールス力による結合であが明らかとなった。グラフェンをトンネル障壁に用いるこる と 言 わ れ て お り ， 強 い 混 成 軌 道 が 形 成 さ れ る 。 L 10-とにより L10-FePd の高い結晶磁気異方性を利用すること

FePd の Fe とグラフェン第一層は Chemisorption 型であができるようになった。 MgO 界面垂直磁気異方性の多層り， X 線反射率測定から得られた界面における高い電子膜と比べて，記録層の実効的な厚さを 1/5～1/2 まで減少

放射光 Nov. 2022 Vol.35 No.6 ● 355

Fig. 9(Color online) Micromagnetic simulation assuming a small L10-FePd recording layer (thickness＝2 nm; circular
diameter＝10 nm). The calculation was performed using the string method. The thermal stability factor D exceeding 57 implies that an information retention period of more than 10 years can be obtained.

させることができることがわかった。不揮発性磁気メモリに用いられる強磁性トンネル接合素子の書き込みに必要な

4. まとめ

電力は膜厚に比例する。さらに， L10-FePd の磁気摩擦定

L10-FePd /グラフェン二層膜を r.f. マグネトロンスパッ

数は低いことから24) ，書き込みのための磁化反転に必要

タリング法と CVD 法を用いて作製し，六方晶グラフェン

な電圧および消費電力を低減させることが期待される。冒と 正 方 晶 L10-FePd の 異 種 結 晶 界 面 の 界 面 構 造 を 断 面頭において，大手ファウンドリーの最先端の CMOS のテ

STEM により界面磁性を深さ分解 XCMD などにより評価

クニカルノードは 3 nm となっており，これはメタルハー

し た 。 3 つ の 検 出 器 を 駆 使 し た 断 面 STEM 解 析 か ら ，

フピッチとすると 15 ～ 16 nm である。また，二次元物質

L10-FePd は高い規則度を有しており，最表面の原子は Fe

は面直方向に低電気抵抗な性質を有しており， MgO トンであることがわかった。また， L10-FePd とグラフェンの

ネル障壁に比べると， CMOS にかかる負荷を低くできる層間距離（ 0.23 nm ）はグラフェン間の層間距離（ 0.38

利点があることも背景で述べた。二次元物質のトンネル障nm ）よりも短く， Chemisorption 型のファンデルワール

壁材料へ導入することにより CMOS と強磁性トンネル接ス力により L10-FePd とグラフェンが結合されていること

合素子のスケーリングの差が縮まることが期待される。一がわかった。 X 線反射率測定から， L10-FePd とグラフェ

方， CMOS の微細化の進展状況に注目すると，将来の更ンの界面は厚さが 1 nm の高い電子密度が均質に存在してなる微細化には現行の CMOS を構成する材料では難しく，

おり，Fe と C の強い混成軌道の起源となっていることがCMOS においても二次元物質を用いた基礎研究が行われ示唆された。深さ分解 XMCD スペクトルの解析から，厚ている。これまでは，二次元物質と金属は接触抵抗が高さ 1 nm の堅牢（急峻）な界面垂直磁気異方性が誘起してく，究極の微小な CMOS の構成材料にすることは難しいいることが明らかとなった。この界面垂直磁気異方性の起とされてきたが，二次元層状物質である MoS2 と半金属

源は Fe と C が強い混成軌道をもつ Chemisorption 型のフBi が界面を形成すると接触抵抗が低減し，1 nm のテクニァンデルワールス力によると考えられる。不揮発性磁気メ

カル ノード に適 用でき る潜 在性が あるこ とが 報告 されモリ用の強磁性トンネル接合素子への応用をマイクロマグ

た25)。これはメタルハーフピッチとすると 8 nm 前後とな

ネティクスシミュレーションにより検討したところ，L10-

る。L10-FePd/グラフェンを用いた強磁性トンネル接合素

FePd /グラフェン構造は接合直径 10 nm ，厚さ 2 nm の微子のスケーリングは 10 nm であり，二次元物質を用いた

小なディスクであっても 10 年以上，データを保持できる

CMOS のメタルハーフピッチに近いスケーリングとなる。

ことがわかった。10 nm 以下の微小な強磁性トンネル接合

CMOS および不揮発性磁気メモリの両方で MoS2 やグラ素子には，形状磁気異方性，MgO の多層化など競合技術

フェンなどの二次元物質が高集積化の鍵となるかもしれなによる研究開発が進行しているが，二次元物質を用いた強い。MoS2 をトンネル障壁としたときのファンデルワール

磁性トンネル接合素子も 1 つの有力な候補となり得るこス力の結合の種類，それに関わる界面垂直磁気異方性の発とが示唆された。

現の有無についても興味深い。このように， CMOS と強磁性トンネル接合素子のいずれも縦方向の電気伝導が重要

謝辞な意味をもっており，二次元材料の縦型伝導物性に関す試料作製はフランスパリ南大学/フランス国立科学センる基礎研究の深化とデバイス応用への展開が期待される。

ター/東北大学の P. Senior 教授およびフランス国立科学センターの B. Dublak 研究員との共同研究によりおこなわれました。 P. Senior 氏はクロスアポイント制度による東北大学の客員教授である。本研究における，深さ分解356 ● 放射光 Nov. 2022 Vol.35 No.6

トピックス ■ L 10-FePd/グラフェン界面の Chemisorption 型ファンデルワールス結合による堅牢な界面垂直磁気異方性の発現

XMCD 測定は高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所雨宮健太教授により，S 課題（No. 2019S2-003）の支援を受けてフォトンファクトリー（BL-16）により行われた。また，断面 STEM 観察は東北大学先端電子顕微鏡

12)
13)
14)

センター西嶋雅彦准教授により，東北大学ナノテクプラッ
トフォーム（ No. A-20-TU-0063 ）の支援により行われました。 X 線反射率測定は東京工業大学フロンティア材料

15)

研究所（No. 76）の安井伸太郎助教およびブルカージャパンの森岡仁博士の協力により行われた。第一原理計算は神16)

戸大学の植本光治助教らにより行われた。本研究は JSPS
core to core ( No. JPJSCCA20160005 ） お よ び Center for

17)

Spintronics Integrated Systems ( CSIS ）の 研究助成 により行われた。半導体スケーリングについては東北大学国際
集積エレクトロニクス研究開発センターの谷川高穂氏の助18)

言により記載されている。
19)

参考文献
1)
2)
3)

4)

5)

6)

7)

8)

9)
10)

11)

Y. Cao, V. Fatemi, S. Fang, K. Watanabe, T. Taniguchi, E.
Kaxiras and P. Jarillo-Herrero: Nature 556, 43 (2018).
Y. Cao, J. M. Park, K. Watanabe, T. Taniguchi and P. Jarillo-Herrero: Nature 596, 526 (2021).
Y. Cao, V. Fatemi, A. Demir, S. Fang, S. L. Tomarken, J. Y.
Luo, J. D. Sanchez-Yamagishi, K. Watanabe, T. Taniguchi,
E. Kaxiras, R. C. Ashoori and P. Jarillo-Herrero: Nature 556,
80 (2018).
X. Lu, P. Stepanov, W. Yang, M. Xie, M. Aamir, I. Das, C.
Urgell, K. Watanabe, T. Taniguchi, G. Zhang, A. Bachtold,
A. H. MacDonald and D. K. Efetov: Nature 574, 653 (2019).
H. Henck, Z. B. Aziza, D. Pierucci, F. Laourine, F. Reale, P.
Palczynski, J. Chaste, M. G. Silly, F. Bertran, P. Le Fevre,
E. Lhuillier, T. Wakamura, C. Mattevi, J. E. Rault, M.
Calandra and A. Ouerghi: Phys. Rev. B 97, 155421 (2018).
T. Wakamura, F. Reale, P. Palczynski, M. Q. Zhao, A. T. C.
Johnson, S. Gu áeron, C. Mattevi, A. Ouerghi and H. Bouchiat:
Phys. Rev. B 99, 245402 (2019).
T. Akamatsu, T. Ideue, L. Zhou, Y. Dong, S. Kitamura, M.
Yoshii, D. Yang, M. Onga, Y. Nakagawa, K. Watanabe, T.
Taniguchi, J. Laurienzo, J. Huang, Z. Ye, T. Morimoto, H.
Yuan and Y. Iwasa: Science 372, 68 (2021).
V. M. Karpan, G. Giovannetti, P. A. Khomyakov, M.
Talanana, A. A. Starikov, M. Zwierzycki, J. van den Brink,
G. Brocks and J. P. Kelly: Phys. Rev. Lett. 99, 176602(2007).
H. Lu, J. Robertson and H. Naganuma: Appl. Phys. Rev. 8,031307 (2021).
B. Dlubak, M.-B. Martin, R. S. Weatherup, H. Yang, C. Deranlot, R. Blume, R. Shloegl, A. Fert, A. Anane, S. Hofmann,
P. Seneor and J. Robertson: ACS Nano 6, 10930 (2016).
M. Piquemal-Banci, R. Galceran, S. M.-M. Dubois, V. Zatko,
M. Galbiati, F. Godel, M.-B. Martin, R. S. Weatherup, F.
PetroŠ, A. Fert, J.-C. Charlier, J. Robertson, S. Hofmann, B.
Dlubak and P. Seneor: Nat. Commun. 11, 5670 (2020).

20)
21)
22)
23)

24)

25)

W. Li, L. Xue, H. D. Abruna and D. C. Ralph: Phys. Rev. B
89, 184418 (2014).
K. Watanabe, B. Jinnai, S. Fukami, H. Sato and H. Ohno:Nat. Com. 9, 663 (2019).
H. Naganuma, S. Miura, H. Honjo, K. Nishioka, T.
Watanabe, T. Nasuno, H. Inoue, T. V. Anh Nguyen, Y.
Endo, Y. Noguchi, M. Yasuhira, S. Ikeda and T. Endoh:
VLSI Technology Digest, T0179 (2021).
H. Yang, A. D. Vu, A. Hallal, N. Rougemaille, J. Coraux, G.
Chen, A. K. Schmid and M. Chshiev: Nano Lett. 16, 145(2016).
M. Uemoto, H. Adachi, H. Naganuma and T. Ono: J. Appl.
Phys. 132, 095301 (2022).
H. Naganuma, M. Nishijima, H. Adachi, M. Uemoto, H.
Shinya, S. Yasui, H. Morioka, A. Hirata, F. Godel, M.-B.
Martin, B. Dlubak, P. Seneor and K. Amemiya: ACS Nano.
16, 4139 (2022).
H. Naganuma, V. Zatko, M. Galbiati, F. Godel, A. Sander, C.
Carretero, O. Bezencenet, N. Reyren, M. -B. Martin, B. Dlubak and P. Seneor: Appl. Phys. Lett. 116, 173101 (2020).
M. Sakamaki and K. Amemiya: Rev. Sci. Instrum. 88,
083901 (2017).
雨宮健太，太田俊明表面科学 特集「表面磁性の最近の展
開（II)」26, 124 (2005).
B. T. Thole, P. Carra, F. Sette and G. van der Laan: Phys.
Rev. Lett. 68, 1943 (1992).
P. Carra, B. T. Thole, M. Altarelli and X. Wang: Phys. Rev.
Lett. 70, 694 (1993).
M. Mulazzi, A. Chainani, Y. Takata, Y. Tanaka, Y. Nishino,
K. Tamasaku, T. Ishikawa, T. Takeuchi, Y. Ishida, Y. Senba, H. Ohashi and S. Shin: Phys. Rev. B 77, 224425 (2008).
H. Naganuma, G. Kim, Y. Kawada, N. Inami, K. Hatakeyama, S. Iihama, K. M. N. Islam, M. Oogane, S. Mizukami and
Y. Ando: Nano Lett. 15, 623 (2015).
P.-C. Shen, C. Su, Y. Lin, A.-S. Chou, C.-C. Cheng, J.-H.
Park, M.-H. Chiu, A.-Y. Lu, H.-L. Tang, M. M. Tavakoli, G.
Pitner, X. Ji, Z. Cai, N. Mao, J. Wang, V. Tung, J. Li, J.
Bokor, A. Zettl, C.-I. Wu, T. Palacios, L.-J. Li and J. Kong:
Nature 593, 211 (2021).

著者紹介
永沼

博

東北大学国際集積エレクトロニクス研究開発センター 准教授
E-mail: hiroshi.naganuma.c3＠tohoku.ac.
jp
専門薄膜物性，磁性，誘電性［略歴］
2004 年大阪大学大学院工学研究科博士課程修了。博士(工学)。 2004 年大阪大学産業科学研究所特任研究員， 2006 年東京理科大学理学部応用物理学科助教， 2008 年
東北大学大学院工学研究科助教， 2019 年
より現職。

放射光 Nov. 2022 Vol.35 No.6 ● 357

Robust interfacial perpendicular magnetic
anisotropy by Chemisorption-type van der Waals
force at the L 10-FePd/graphene interface
Hiroshi NAGANUMA

Abstract

Center for Spintronics Integrated Systems (CSIS), Tohoku University, Sendai,
Miyagi 980-8577, Japan
Center for Innovative Integrated Electronics Systems (CIES), Tohoku University, Sendai, Miyagi 980-8572, Japan
Center for Spintronics Research Network (CSRN), Tohoku University, Sendai,
Miyagi 980-8577, Japan
Graduate School of Engineering, Tohoku University, Sendai, Miyagi 980-8579,
Japan

To apply a ferromagnetic tunnel junction device with a heterocrystalline interface in which a hexagonal graphene (Gr) tunnel barrier layer and a tetragonal L 10-FePd alloy perpendicular magnetization recording layer are used for next-generation ultra-high densities nonvolatile magnetic random-access memories (MRAM). The crystallographically heterogeneous interface was fabricatedby growing Gr using chemical vapor deposition (CVD) on FePd epitaxial ˆlm grown by r.f. magnetron sputtering. The interfacial magnetism of the L 10-FePd/Gr heterointerface was investigatedby depth-resolved soft-X-ray magnetic circular dichroism (XMCD). The depth-resolved XMCD
measurements revealed that Fe in L 10-FePd exhibits a strong interfacial orbital magnetic momentto the perpendicular direction. The interfacial atomic structure of the L 10-FePd/Gr heterointerface
was investigated by cross-sectional scanning transmission electron microscopy (STEM) observation. From the STEM observation, the interlayer distance between Gr and L 10-FePd was 0.2 nm,
which was shorter than the interlayer distance of graphite (0.38 nm). It can consider that the
shortening of the interlayer distance increases the electron density at the interface, resulting in avan der Waals force of chemisorption-type with strong orbital hybridization, which induces interfacial perpendicular magnetic anisotropy (IPMA). The synergistic eŠect of IPMA of the L 10-FePd/
Gr interface and the bulk uniaxial magnetocrystalline anisotropy of L 10-FePd enhances data retention of MRAM. In addition, Gr's low-tunneling resistance reduces CMOS loading. These physicalproperties suggest that L 10-FePd/Gr can be expected as a constituent structure for ultra-highrecording density nonvolatile magnetic memory of the X nm generation.

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