A03:「スピンエレクトロニクス材料の探索」
佐藤和則（阪大基礎工）
小田竜樹（金沢大数理）研究組織 「スピンエレクトロニクス材料の探索」
 研究代表者
佐藤和則（阪大基礎工）

 研究分担者

小田竜樹（金沢大数理） 小倉昌子（阪大理） 野崎隆行（阪大基礎工）理論、デザイン実験グループとの緊密な連携。

 連携研究者

黒田眞司（筑波大）
 鈴木義茂（阪大基礎工）
 朝日一（阪大産研）
 吉田博（阪大基礎工） 下司雅章（阪大ナノ） 赤井久純（阪大理）

実証実験

理論、デザインスピンエレクトロニ
クス材料のデザインとその実証。

役割分担
デザイン
実証実験

金属系スピントロニクス

実証実験 デザイン

半導体スピントロニクス

佐藤、下司、吉田

ナノ構造制御による半導体スピントロニク
ス材料設計

小倉、赤井

オーダーN手法の開発と半導体スピントロニクスデバイスデザイン

黒田、朝日

ナノ構造制御による半導体スピントロニク
ス材料デザインの実証実験
ZnTe系、GaN系

小田

有効遮蔽媒質法による電解印加計算コードの開発と磁気異方性の電界制御

野崎、鈴木

電界誘起磁化反転の実証実験

半導体スピントロニクス

H. Ohno et al. JMMM 200 (1999) 110.
Nature 408 (2000) 944. Nature 402 (1999) 790.



不揮発性（省エネルギー）、高速、高集積の次世代エレクトロニクス



磁性半導体 (Dilute magneticsemiconductor; DMS)

 キュリー温度の第一原理計算

 新しいDMSのデザイン(Ga, Mn)As(In, Mn)As

TC ~ 190 K
TC ~ 90 K

DMSのデザイン

K. Sato et al., RMP 82 (2010) 1633

Jij: exchange interaction
ei: direction of the moment

 DMSのキュリー温度の第一原理計算法の確立

 ZnCrTe（黒田）、GaN（朝日）での強磁性の予測と実証

INHOMOGENEOUS DMS
 (Al, Cr)N (Ge, Mn)

Experiments.
Singh et al., APL 86 (2005)12504,
Gu et al., JMMM 290-291(2005)1395.
T. Devillers et al., PRB 76 (2007) 205306.
Ploog et al., J. Vac. Sci. Technol. B21 (2003) 1756
Martinez-Criado et al., APL 86 (2005) 131927.

 DMS中で磁性不純物は強い不均一分布を示す。
 ナノ構造の自己組織化
 (Ga, Cr)N (Ga, Mn)N

不均一DMSのシミュレーション
Ducastelle and Gautier: ‘Generalized perturbation method’J. Phys. F6 (1976) 2039
Turchi et al., PRL 67 (1991) 1779.

 Hybrid法 = 第一原理による相互作用計算＋モンテカルロ法

不均一の制御による物性コントロールの例
K. Sato et al., RMP 82 (2010) 1633a)b)(Ga, Mn)N(Zn, Cr)Tec)d)e)

 ナノ構造の自己組織化
 界面の効果、多体相互作用

不純物の均一な分布
不純物が3次元的に拡散するとき
拡散が結晶成長面内に限定されるとき(MBE結晶成長)
ナノ構造の成長位置の制御
ナノ構造の形状制御

 ブロッキング現象による磁性制御
 実証実験

不均一制御によるナノテクノロジーの創出

高効率太陽電池材料
巨大応答を示す磁性半導体
A. Sugihara et al., Appl. Phys. Exp. 3(2010) 065204..

 不均一を積極不均一混晶半導体
ナノ構造自己組織化

Cu-Niナノ構造における巨大ペルチェ効果的に用いた新しい機能創出。
 そのための材料設計と実証実験

自己相互作用補正による計算(Zn,Co)O

M. Toyoda et al., Physica B 376 (2006) 647

LDAPESSIC

EF - 3.0 eV SICにより光電子分光の結果を良く再現
 計算負荷はLDAとほぼ同じ
 材料設計に活用

Kobayashi, PRB (2005). Wi, phys. sol. stat. (b) (2004).
Lee, J. Appl. Phys. (2006)

SCREENED KKR （オーダーN法）の開発
Traditional
KKR

Screened
KKR∗

∗
∗
∗
∗∗
∗∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗


O(N3)

O(N)

The screened KKR method makes use of an assembly of repulsive, constantfinite potential as the reference system. Green’s function of such a reference
system decreases exponentially with distance. Consequently, the KKR matrix
becomes block diagonal and Dyson’s equation can be solved with the timescaling O(N).
R. Zeller et al, PRB 52 (1995) 8807, K. Wildberger et al., PRB55 (1997) 10074

AL(001)/GAN(001) INTERFACEAl 8 layers + GaN 80 layers

 n-type GaN (Ga0.98As0.02N)

 p-type GaN (GaN0.98B0.02)

Density of states

AlGaNBand bending, implying a Schottky barrier is observed. For p-type GaN, alllayers have finite density of states at the Fermi level. Hence, this contact
never shows rectifying character in spite of the large band bending.

研究計画
 Screened KKR法による多層膜構造のシミュレーション
 金属／半導体界面界面構造

 GMR, TMR
 磁性半導体GaMnAsの量子井戸

 三次元系でのオーダー N 計算∗∗∗∗∗ ∗ ∗∗*∗∗∗ ∗∗∗ ∗∗ ∗∗∗ ∗∗∗∗∗∗ ∗ ∗



∗
∗
∗
∗

 スピントロニクスデバイスシミュレーター

 ハイブリッド法によるナノ構造制御物質デザインと実証

 スピントロニクス
 高効率太陽電池材料
 熱電材料スピンエレクトロニクス材料の探索 （佐藤班）手法：• 相対論的
擬ポテン
シャル法•有効遮蔽媒質法

手法：•SIC-LDA法•KKR-CPA法•モンテカルロ法•O(N)-KKR法•分子線エピタキシー法
Intel Xeon 5160
3.00GHz 1 node

Screened KKR(↑)希薄磁性半導体
中のナノ超構造制御
シミュレーション(←)1.8ミクロン銅薄膜のオーダーN
計算-200 V

磁気異方性制御法のデザインと実証

200 V
tFeCo: 0.58 nm

半導体スピントロニクス材料の探索と実証
Nature Nano. 2009

分子線エピタキシー実験装置とEDSによるZnCrTe中のCr分布ZnCrTe
Nature Mat. 2007期待される成果：•ナノ超構造制御による半導体スピンエレクトロ
ニクス材料のデザインと実証•電界印加による磁気異方性制御法のデザイ
ンと実証•デバイスシミュレーターの実現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・准教授）
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２２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」
キックオフ・ミーティング、平成２２年 ９月１８日(土）、
東京大学工学部６号館、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・助教）
鈴木義茂（大阪大学基礎工学研究科・教授）[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）
ゴードン・ムーアの法則の破たん予想
社会的要請：次世代の基盤技術となりうる
スピントロニクス
MRAM（磁気抵抗メモリ）
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
電気磁気効果の復古・応用 M = M 0 +α E
P = P0 + β H

マルチフェロイック（強磁性・強誘電性・強弾性 等）
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

P


M


R

強磁性磁気制御研究背景２微細化

磁化方向の熱安定性 ⇒ 大きな磁気異方性
磁化反転電流の低減 ⇒ 小さな磁気異方性

相反ナノスケール磁性素子の低電力磁化反転制御に向けて電流駆動型
Ｉ
電流磁場メモリ書き込み

スピントランスファー効果

電界駆動型
電界による磁性制御技術の確立が重要
磁気異方性エネルギーの電界制御

磁気異方性の電界制御（希薄磁性半導体）
Ohno et. al., Nature408, 948 (2000).
Chiba et. al., Science
301, 943 (2003).

(In, Mn)As

magnetic semico.

Chiba et. al.,Nature. 455,515 (2008).

(Ga, Mn)As

強磁性転移温度が室温以下

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)

Kerr rotationof surface magnetism

FePdFePt

FePd

εFePtinward electric field

Coercivity decreases by the inward electric fieldFePt

For 2nm-thick system ofFePt, 4.5% change ofcoercivity
in the difference of 600mV.

これまでの研究（小田）Electric field dependence of MAE for Pt/Fe/Pt(001)

Pt/Fe/Pt(001)

vac.
εEMS
Z

M. Tsujikawa and T. Oda, Phys. Rev. Lett. 102, 247203 (2009)

added electron MAE

MAE is decreased around Fe atom
EF-induced MAE density

Pt
Fe[1010 V/m]
MAE is reduced by 13%at electric field －1.97 V/Å
slope rate：0.35 meV/Fe/(V/Å)(72 fJ/Vm)(meV/Å3)これまでの研究（野崎）室温・固体素子における電界誘起磁気異方性変化
電界印加による超薄膜Fe(Co)層の垂直磁気異方性(PMA)制御に成功
T. Maruyama, T. N., Y. S. et al., Nature Nanotech. 4, 158 (2009)

tFeCo: 0.58 nm

磁場ITO
Polyimide (1.5 µm)-200 V
200 V-200 V

MgO(001) 10 nm
Fe(Co)(001) 2~4 ML
200 V

Au (001)

応用上重要なFeとMgOの接合系で実現

Modulation of angular orbitals
on magnetic atom

Change of MAE

研究課題と今後の研究予定（小田）（１）磁気異方性の第一原理マテリアルデザイン
Ex. MgO/Fe/Pt(001)MAE

dielectricconstant ε r
MgO(001)

0Electrode metal
Insulating layer∆ε (electric field)
N (number of layers)

界面の磁気異方性とその電界効果

物質依存性、界面依存性
Fe, Co, Ni,Pt, Pd, Au

Magnetic layer
Substrate metal∆ε研究課題と今後の研究予定（小田）（２）電界印加第一原理電子状態計算コード開発、
磁気異方性シミュレーターの開発
Electrode metal
Insulating layer
Magnetic layer
Substrate metal

GP-GPUによる高速化
双極子双極子相互作用
２つの電極を採り入れた電場印加状態の実現を目指す
複数のフェルミレベル

研究課題と今後の予定（野崎）理論計算との比較による電界効果の起源解明
現状での実験・理論の比較
異方性変化レート

素子構造

磁性層膜厚

Experiment 1

Au/Fe/MgO/Polyimide/ITO

0.48 nm

93

Experiment 2

FeCo / MgO / Fe

0.5 nm

38

Theory 1Pt/Fe/Vacuum

1 ML62

Theory 2Fe/Vacuum

1 ML38

Theory 3Fe/ Vacuum

1 ML19(fJ/Vm)

Theory 1: M. Tsujikawa, T. O. et al. Phys. Rev. Lett. 102, 247203 (2009).
Theory 2: K. Nakamura et al. Phys. Rev. Lett. 102, 187201 (2009).
Theory 3: C. -G. Duan et al. Phys. Rev. Lett. 101, 137201 (2008).

検討事項（野崎）1. 磁性層材料の効果:
Ⅰ. Fe, Co, Ni alloy
バンド構造と電界効果の関係
Ⅱ. FePt alloy (high Ku材料)
2. 下地層材料の効果: Au, Ag, Pt etc.
3. 絶縁層材料の効果 : MgO, Al2O3, その他high-k材料 etc.
4. 界面効果: 界面酸化状態、非磁性層挿入の影響など
5. Dzyaloshinskii-Moriya相互作用の電界制御理論研究との連携により、電界効果の起源解明と材料設計からのアプローチによる電界効果の増大を目指す

終わり