【別紙5】

スピントロニクスを利用した発電素子とメモリー素子
信州大学 工学部
電子情報システム工学科教授

劉小晰

2019年8月6日

1

本研究のねらい通信モジュール

揮発性ロジック

センサー
電池• 信頼性?
• 耐久性?
• 環境?

Volatile logic

不揮発性ロジック

通信モジュール

センサー

磁気MEMS• 信頼性 ☺
• 耐久性 ☺
• 環境☺
Non-Volatile logic2

本研究のねらいElectric Field-Induced Creation and Directional
Motion of Domain Walls and Skyrmion Bubbles
Nano Lett., 2019, 19 (1), pp 353–361
DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03983

Switching domain wall motion on and off
using a gate voltage for domain walltransistor applications
Applied Physics Letters 113 (23), 232401
DOI: 10.1063/1.5053852

不揮発性ロジック

通信モジュール

センサー

磁気MEMS

Stress-Induced Domain Wall Motion in FeCoBased Magnetic Microwires for Realization ofEnergy Harvesting
Advanced Electronic Materials
2019/8/7
2018-11-16 | journal-article
DOI: 10.1002/aelm.201800467
3従来技術：希土類含有の超磁歪材料が必要
磁歪あるいは磁気ひずみは、強磁性体の特性であり、強磁性体に磁場を印加し磁化させると形状にひずみが現れる現象である。
Δ𝑙𝜆=𝑙λ~10-5~-6
Terfenol-D, TbxDy1−xFe2, λ~10-3

ビラリ現象（Villari effect）とは、磁性体に圧力を加えるとその磁化の強さが変化する現象のこと。
𝜕𝜆𝜕𝐵=
𝜕𝐻 𝜎𝜕𝜎 H

Le Chatelier's principle

4

従来技術：バルク材，多磁区構造，大きな応力が必要！

σσσσ

σ

M/Msσ

1.00.80.60.40.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0xy-300-200-1000100200300

(MPa) 280MPa    280MPa

応力による磁化の変化は限定的
5

本技術：希類不含有、単磁区構造、微小な応力でも磁化容易軸回転σσ1.0xyσσ

M/Ms

0.80.60.40.2σ

σ0.0-300-200-1000100200300

(MPa) 280MPa    280MPa

革新技術：
1. 単磁区構造
2. 一軸磁気異方性材料の創成
3. 応力による磁化容易軸の回転σσ6革新技術：
1. 単磁区構造の実現ー
ミクロ、ナノ構造
力の方向MFM Tip

2019/8/77革新技術：
2．面内一軸磁気異方性薄膜の創成
BA

Direction B
Direction A

M (A.U)

M (A.U)

Direction B
Direction A-200-1000100

Magnetic Field (Oe)200-200-1000100

200

Magnetic Field (Oe)CoNi 100nm

FeCo 100nm

Substrate

Substrate
8革新技術：2．面内一軸磁気異方性薄膜の創成
合金組成

Fe65Co35

膜厚

100 nm材料

M = Co, Cr, Cu, Ni ,Pd,Ta, Ti, V

膜厚3nm

族番号

45689

1011

下地層

Ti

V, TaCrFeCoPd, NiCu

結晶構造

bcc

bcc

bcc

bcc

fcc, hcp

fcc

fcc

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革新技術：
2．面内一軸磁気異方性薄膜の創成
30k

Hard axis
Easy axis

CoNi 3nm

10k

FeCo 30nm
0CoNi 3nm

Glass-10k-20k-30k-200-1000100H (Oe)200

Pd10fccNi

9Hard Axis

Cu

Tensile stress

Ta2

Easy Axis

20x10 dyn/cm )4M (Gass)

20k

0Ti
V-10

345Cr

6FeCo Co

bcc
7 8
Group

Compressive stress910 11 12

X. Liu, et al, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,44(11):3910-3912(2008)
X. Liu, et al, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,103(7):07E726 2008
Y. Fu, et al JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS,308(1):165-169 200710

革新技術：
3．応力による磁化容易軸の回転

Easy Axis
Hard Axis

X. Liu, et al, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,44(11):3910-3912(2008)
X. Liu, et al, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,103(7):07E726 2008
Y. Fu, et al JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS,308(1):165-169 2007

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実験手法

容易軸

CoNi 3nm
FeCo 30nm
CoNi 3nm

Glass

Easy Axis

Hard Axis

12実験手法：応力による磁化容易軸回転の確認

Stressσσ

Stre
ss13

実験手法：マイクロコイルの形成

2019/8/7

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技術の検証：音声エネルギーの収集

2.00E-03

1.50E-03

1.00E-03

Voltage (V)5.00E-04-0.0025-0.0015

0.00E+00-0.0005

0.00050.00150.0025-5.00E-04-1.00E-03-1.50E-03

コイル直列： １×１mm

僅かな振動でのエネルギーの収集を可能にした-2.00E-03
Time (s)15想定される用途• 本安心・安全・半永久な柔らかいMEMSは微小な電力源として、センサーネットワーク、RFIDといった分野や用途に展開することも可能と思われる。
• 生活騒音のあらゆる周波数の吸収の効果が得られることも期待される。

16

想定される用途
Flexible
MEMS• 収集した電気エネルギーは、太陽光、排熱より低いと予測される。しかしながら、次世代メガシティの無線通信インフラ(例えばピコセル)が数十メートルの電波範囲を構成するために必要な数Wの電力を充分に提供できる。
17

実用化に向けた課題• 現在、原理、試作が可能なところまで開発済
み。しかし、安価、大面積の製造の点が未解決である。
• 今後、より面積の大きいMEMSを試作し、収集した交流電気信号の整流に関する研究を行っていく。
• 大面積化と振動分析の向上、更に、柔らかい整流電流とを組み合わせ、実用化に向けた技術を確立する必要がある。
18

企業への期待• 未解決の大面積化については、フレキシブル基板の技術により克服できると考えている。
• フレキシブル基板の技術を持つ企業との共同研究を希望。
• また、災害時に強いIoTを開発中の企業、IoT分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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不揮発性ロジックの基礎研究
Electric Field-Induced Creation and Directional
Motion of Domain Walls and Skyrmion Bubbles
Nano Lett., 2019, 19 (1), pp 353–361
DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03983

Switching domain wall motion on and off
using a gate voltage for domain walltransistor applications
Applied Physics Letters 113 (23), 232401
DOI: 10.1063/1.5053852

不揮発性ロジック

通信モジュール

センサー

磁気MEMS

30年後のIoTのために20

30年後のIoTのために大きさ数ナノのトポロジカル準粒子である磁気スキルミオン
スピンの特殊な渦巻き状態

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従来技術：磁気スキルミオンの電流駆動

Jiang et al., Nature Physics 13, 162 (2017)22新技術：電界駆動磁気スキルミオン

超低消費電力！

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新技術：半永久的！
VG= 0 V → -9.0 V→ 0 V

ITO
SiO2

10μm

Magnetic

Pt 1.5 nm

Glass substrate24ナノ構造磁性体の磁区構造

磁気MEMS

不揮発性
ロジック

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：発電素子およびセンサ
出願番号：特願2019-056344• 発明の名称 ：磁気メモリ素子
出願番号：特願2019-010092• 発明の名称 ：スピンテクスチャ制御装置、ス
ピンテクスチャ制御方法、およびメモリ装置
出願番号：特願2018-208431

• 出願人
• 発明者

：信州大学（3件共）：劉 小晰 （3件共）
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JST事業採択実績• 2006年度 シーズ発掘試験研究「GHz帯域高透磁率FeCo磁性薄膜の開発と応用」• 2007年度 シーズ発掘試験研究「高飽和磁化・高透磁率FeCo薄膜の強磁性共鳴周波数の高周波化とその応用」• 2008年度 シーズ発掘試験研究「高飽和磁化・高保磁力を有する新規ナノ磁石材料の開発と応用」

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お問い合わせ先
株式会社信州TLO

ＴＥＬ 0268－25－5181
ＦＡＸ 0268－25－5188
e-mail info＠shinshu-tlo.co.jp

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