磁性ヘテロ構造におけるスピン機能の創出とその展開

東京工業大学応用セラミックス研究所
谷山智康

第２６回無機材料に関する最近の研究成果発表会 、平成２１年１月２６日（月） 物質中の電子のスピンを利用することで、新しいエレクトロニクス機能を創成する分野

電子電荷（+、-）
スピン（↑、↓）
 スピンの優位性

・省電力によるデバイス動作
・スピントランジスタ、スピンLED・量子コンピューティング等既存技術では不可能なエレクトロニクスのブレークスルースピントロニクスの基本要素技術ー スピンの注入、操作、そして検出へ
スピン検出
スピン注入

磁化制御

スピン操作

スピン依存伝導スピン依存伝導スピン注入の現状
 スピンフィルターを用いる方法
E

E

E

伝導に寄与

EF

伝導禁止
EF
スピン源

スピンフィルター

高スピン偏極材料（ハーフメタル）を用いる方法

非磁性体（半導体）

磁場（アンペールの法則）

磁性制御の現状
電流 局所磁場を用いる方法

 スピン偏極電流を用いる方法（スピントルク）
磁化M→ これらは大電流を要する

スピントルク電流 磁気歪み効果を用いる方法

JinJout（強磁性体／強誘電体ヘテロ構造）
aBaTiO3(001)スピン検出の現状

スピン注入

σ+

 円偏光発光解析を用いる

方法（光学的手法）
強磁性体

GaAs 量子井戸

 スピンフィルター効果を用いる

方法（電気的手法）

強磁性体

σ+σ−

GaAs

成果報告の概要
 マグネタイト（Fe3O4）／GaAs界面におけるスピンフィルター効果
 Fe3O4／半導体量子井戸ヘテロ構造におけるスピン注入 Fe／BaTiO3ヘテロ構造における磁気異方性制御

スピントロニクスの基本要素技術としてのスピン検出 ー スピンフィルター効果
スピン検出
スピン注入

スピン操作

スピンフィルター効果
如何にしてスピン偏極電子を検出するか

スピンフィルター効果とはE

スピンフィルター物質

EF㻵㼜㼔
ハーフメタル
 光電流を検出することでスピンを間接的に推定することができる

GaAs上へのFe3O4のエピタキシャル成長
 2段階ステップ成長

5-nm-thick FeGaAs(001)

MBE growth of Fe thin layer

10-nm-thick Fe3O4

Oxidation in O2 atmosphereGaAs(001)100-nm-thick Fe3O4GaAs(001)base pressure ~10-10 Torr

at 260ºC

Reactive MBE growth of Fe3O4
in O2 atmosphere at 300ºC

エピタキシャルFe3O4/GaAsの伝導特性

 Verwey転移をTV=125Kで観測（バルクではTV=119K）

エピタキシャルFe3O4/GaAsの磁気特性

 Fe3O4／MgO(001)と比較してVerwey転移が散漫円偏光スピン励起法
GaAs
CB-1/2
3-3/2σ+1+1/21VB

Fe3O43σ-σ+σ−

GaAs+3/2Iph 円偏光照射によりスピン偏極電子を励起することができる

測定系の概略
Diode pumped

Ti:Sapphire

Solid State Laser

Laser

Lock-in Ampliﬁer
PCf1f2Optical Chopper

VSample

Lens

PEM

f1

LinearPolarizerヘリシティ依存光電流+30 kOeFe3O4σ+σ−GaAs-30 kOeFe3O4σ+σ−

GaAs

 磁気モーメントの方向に依存した明確な光電流の変化

スピンフィルター電流
ΔISF = ΔIheli − αI ph 逆方向バイアスではス€

ピンフィルター効果がないことを考慮まとめ（１）
 Fe3O4エピタキシャル薄膜をGaAs上に成長することに成功した。
 Fe3O4エピタキシャル薄膜によるスピンフィルター効果を円偏光スピン励起法により検出した。
 室温におけるスピンフィルター効果はハーフメタル特性より期待されるものと比較して小さい。
 磁気、伝導特性から、小さいスピンフィルター効果は界面においてハーフメタル特性が劣化した結果によると推定される。

スピントロニクスの基本要素技術としての
スピン注入
スピン検出
スピン注入

スピン操作

如何にしてスピン偏極電子を効率的に注入するか

半導体量子井戸へのスピン注入スピン注入

σ+強磁性体GaAs 量子井戸

 強磁性体から半導体へ界面障壁を介したスピン注入電子の注入を行い、光学的手法によりそのスピンを検出する

スピン偏極電子とホールの過程
Recombination processes
σ+CB-1/2-3/2

31+1/213VBσ-+3/2GaAs
 再結合過程における発光の円偏光度を解析することで注入された電子のスピン偏極率が算出できる

具体的なデバイス構造

σ+
Fe3O4
GaAs/AlGaAs QW

p-GaAs Fe3O4/GaAs-AlGaAs量子井戸（井戸幅20nm）ヘテロ構造

スピン注入による円偏光発光測定系

σ+polarizer

λ/4 platelens

spectrometer

CCD detector

superconducting magnet

 λ/4板を回転させることで右回り円偏光、左回り円偏光に対応する発光スペクトルを検出

EL Intensity (arb. unit)

Fe3O4/GaAs-AlGaAsヘテロ構造からの発光スペクトル（１） ー 100K

量子井戸からの発光

800

100 K

600
4002000800!+!-5T
3T
1T0T-1T-3T-5T

820840860
wavelength (nm)

円偏光度の温度依存性
25

Pcirc (%)

203T

1510
5004080120

Temperature (K) 120K以下の温度領域において円偏光度が急激に上昇

Verwey転移によりFe3O4がスピンフィルターー

まとめ（２）
 Fe3O4単結晶薄膜からGaAs-AlGaAs量子井戸へスピン注入を行い、その際に生じる円偏光発光を解析することでスピン注入効率を推定した。
 120 K以下の温度領域においてスピン注入効率が顕著となった。
 低温での顕著なスピン注入効率は、マグネタイトがVerwey転移と関連して絶縁化し、その結果、スピンフィルター絶縁障壁として機能することによると考えられる。

スピントロニクスの基本要素技術としての磁性制御スピン検出
スピン注入

磁化制御

スピン操作

磁気歪み効果ᅽຊ᱁Ꮚṍ䜏ᅽຊ 格子歪みにより磁化容易軸方向を制御可能

格子歪みを誘起する手法

BaTiO3(100nm)
SrRuO3
SrTiO3BaTiO3(001) 圧電効果による方法

 構造相転移による方法

cubic ‒ tetra. phasetetra. - othor. phaseortho. ‒ rhom. phase

393 K
278 K
190 K

Fe/BaTi03ヘテロ構造の磁気特性（１）
Rhom.

Orth.
a’T2

a’c’

Tetr.
cT1

aa

Fe/BaTi03ヘテロ構造の磁気特性（２）Magnetization (emu/cm3)

1500
1000

223 K
298 K

5000-500-1000

Fe/BTO(001)[100]-1500-200-1000Field (Oe)100200エピタキシャルFeドット/BaTi03ヘテロ構造
BTO(001)(100)Fe(002)

アスペクト比による磁区構造の制御

温度履歴による磁区構造変化
300K⇔150K

BTO(003)69.82°
Fe(002)64.94°BTO(300)
70.72°

Fe(002)64.96°

BTO(003)69.82°BTO(300)
70.72°

圧電効果による磁区構造変化
Fe dots (2μm×1μm×30nm)/BaTiO3(100nm)/
SrRuO3(200nm)/SrTiO3

MFM

zyx

Fe dotDC

VDC=-3V

BaTiO3

まとめ（３）
 界面歪み誘起法により、磁気異方性を制御できることを示した。
 Feドット／BaTiO3ヘテロ構造において形状により磁区構造を制御できることを示した。
 Feドット／BaTiO3ヘテロ構造において、CoFeTaBと同様に歪みにより磁気異方性が変化することを観測した。
 Feドット／BaTiO3ヘテロ構造において、圧電効果により磁気異方性を変化させられることを示した。

総括
 Fe3O4／GaAsヘテロ構造において、円偏光スピン励起法により、スピン検出法の可能性について検討した。
 Fe3O4／GaAs-AlGaAs量子井戸構造を用いて、円偏光発光解析によりスピン注入を行い、Fe3O4がスピンフィルターとして機能することを示した。
 Fe／BaTiO3ヘテロ構造において、格子歪みにより磁性制御が可能であることを示した。

スピントロニクスを実現するための必須要素技術