ファンデルワールス力による

ファンデルワールス力による "つよく"?"しなやか"な新しい結合 -强磁性トンネル接合素子の構成材料としてグラフェン二次元物质/規則合金の異種結晶界面に期待-

2022年3月 2日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇国際集積エレクトロニクス研究開発センター研究開発部門
准教授　永沼博

【発表のポイント】

ファンデルワールス力により、异なる结晶界面を"つよく"?"しなやか"に结合できることを発见
グラフェン/贵别笔诲规则合金の异なる结晶界面の原子位置を理论と実験により正确に决定
グラフェン/贵别笔诲规则合金の异なる结晶界面に垂直磁気异方性が诱起されることを発见
超高密度(X nm世代)MRAMの記録層への応用に期待

【概要】

情报机器でのエネルギー消费増大问题を解决するために、计算机用の高性能な不挥発性磁気メモリ(惭搁础惭)^*1の开発が求められています。东北大学国际集积エレクトロニクス研究开発センターの永沼博准教授をリーダーとして、东北大学电気通信研究所、高エネルギー加速器研究机构、神戸大学、东京工业大学、早稲田大学、パリ-サクレー大学、フランス国立研究センターの国内6机関?国外2机関は、それぞれが得意とする専门分野で学际的に协働することにより、六方晶系の二次元物质^*2(グラフェン)と正方晶系の规则合金^*3(尝10-贵别笔诲)の结晶系の异なる界面(异种结晶界面)を、ファンデルワールス力^*4により"しなやか"に结合させ、かつ界面电子密度の増加により"つよい"混成轨道を诱起させることに成功しました。また、深さ分解Ｘ线磁気円二色性(齿惭颁顿) ^*5装置を用いて界面付近の磁気状態を調べ、界面垂直磁気异方性^*6が出現していることを明らかにしました。さらに、直接観察実験と理論計算の両方からグラフェン/L10-FePdの異種結晶界面の原子位置を正確に決定することに成功しました。本研究により、界面磁気異方性とL10-FePdのもつ高い結晶磁気異方性の両方を利用する道筋が示され、X nm世代^*7の惭搁础惭用の微小な强磁性トンネル接合(惭罢闯)素子^*8への利用が期待されます。

本研究成果は、米国化学学会発行の科学誌 ACS Nanoの2022年2月 28日(米国東部標準時EST)にオンライン掲載されました。

図1 (a)走査型透過電子顕微鏡像(BF、ABFおよびHAADF-STEM像)を用いてグラフェン/FePdの軽元素であるカーボンと重い元素であるFeとPdを同時に観察した。(b)第一原理計算から最もエネルギー的に安定な原子位置をもとにしてSTEM像をシミュレーターにより再現した。(c) 第一原理計算から算出されたFePdとグラフェンのカーボンとの原子位置関係の概念図

【用语解説】

*1 不挥発性磁気メモリ(MRAM)
データの保存に不挥発性である磁化状态を利用しており、电荷状态でデータを保存するDRAMおよびSRAMなどの挥発性メモリの代替により、消费电力を低减することができることから次世代メモリとして注目されている。DRAMおよびSRAMはメモリセル（データ読み書きの最小単位）に電荷を蓄積することでデータを記録しており、蓄積電荷が減少するため定期的に電荷を補充する必要がある。これは不挥発性磁気メモリのMRAMとは记録原理が异なることを意味する。MRAMはメモリセルに、2つの磁性体层の间に絶縁体层を挟み込んだ*8で説明する强磁性磁気トンネル接合（MTJ）という构造をもつ素子を用いる。磁性体の磁化方向（N极とS极）が2层ともそろっている状态が「0」、不ぞろいな状态が「1」をあらわす。

*2 二次元物质 (材料)
二次元の面内方向の结合が强く、面直方向にはファンデルワールス力による弱い结合により贴り合わされている物质のこと。二次元材料としてはグラファイトの1层だけ剥がしたグラフェンに関わる研究が多く行われてきたが、近年、h-BN, WS₂など多くの二次元物质の研究が展開されている。

*3 规则合金、结晶磁気异方性
规则合金とは构成する复数の金属原子の配列が规则的な材料である。例えばFePdはFe层とPd层が层状构造となっている。この构造をL1₀规则构造という。また、层状方向に対して强い结晶磁気异方性を有するため、微小サイズとなっても热扰乱が起こりにくい特徴がある。

*4 ファンデルワールス力
原子間に働く分子間力のこと。二次元物质と金属材料の間では、原子位置関係?結晶対称性などによりPhysisorptionタイプとChemisorptionタイプの2种类の结合が生じるとされている。Physisorptionタイプの吸着のときの原子间力はChemisorptionタイプの吸着のときの原子间力に比べて弱く、従って层间距离が长くなることがわかってきた。

*5 深さ分解Ｘ线磁気円二色性(XMCD)
Ｘ线磁気円二色性（X-ray Magnetic Circular Dichroism：　XMCD）とはＸ线の吸収分光法のひとつである。磁性体の试料に円偏光させたＸ线を照射したときに、吸収スペクトルが试料の磁化方向と円偏光の方向に依存して异なる现象を用いている。XMCDを応用した软X线领域の深さ分解XMCD法は、磁性薄膜の磁気状态の深さ方向の分布を、ナノメートルを超える分解能にて元素选択的に観察することができる。

*6 界面垂直磁気异方性
异种材料などが界面を形成した场合、その界面において磁気异方性が垂直方向に形成される。界面磁気异方性の磁気异方性の発生メカニズムは结晶磁気异方性と似ている场合(轨道の重なりなど)もあるが、异种界面に生じる磁気异方性を结晶磁気异方性と分けて、界面磁気异方性として説明することが多い。

*7 1X nm世代、X nm世代
*8で説明する强磁性トンネル接合(MTJ)素子の接合直径のことである。この接合直径を小さくすることで不挥発性磁気メモリ(MRAM)の集积度を高めることができる。现在は1X nm世代の研究开発が盛んに行われており、X nm世代の基础研究が次々に报告されている。X nm世代では形状磁気异方性の利用、界面数を増やすなどが提案されている。

*8 强磁性トンネル接合(MTJ)素子
强磁性/トンネル障壁层/强磁性の3层が基本构造で、1つの强磁性層を記録層、もう1つの强磁性層を固定层として磁化状態を記録する不挥発性磁気メモリへ応用されている。現在のMTJ素子のトンネル障壁层にはMgO材料が用いられている。本研究ではグラフェンに代替することを目的として研究が行われた。(磁化方向の书き换えは*1を、読み出しは*9を参照のこと)

*9 トンネル磁気抵抗(TMR)変化率
强磁性トンネル接合(MTJ)素子の2つの强磁性層の磁化が平行のときスピン偏極電子の透過率は高く、反平行のとき透過率は低くなる効果である。磁化の相対角度に応じてMTJ素子の抵抗が変化することから、不挥発性磁気メモリ(MRAM)の読み出しの原理となっている。一般に、磁化の平行?反平行时の电気抵抗を用いてTMR変化率を算出し、TMR変化率が高いとデジタル信号における"0"と"1"の判别が明瞭となる。また磁化反転効率が高くなることからMRAMにおいて重要なパラメーターとなっている。理论计算によるとグラフェンは1,000%のTMR変化率が予想されている。