課題番号                ：S-19-NI-0011

利用形態                ：機器利用

利用課題名（日本語）       ：垂直磁気異方性を持つコバルトフェライト薄膜を用いたスピン注入源の開発

Program Title (English)       ：Development of spin-injection source using cobalt-ferrite films with perpendicular magnetic anisotropy

利用者名（日本語）      ：沓掛滉大¹⁾

Username (English)     ：K. Kutsukake¹⁾

所属名（日本語）        ：1) 名古屋工業大学　大学院工学研究科

Affiliation (English)  ：1) Graduate School of Engineering, Nagoya Institute of Technology

１．概要（Summary ）

電子が持つ電荷とスピン自由度を利用するスピントロニクスデバイスは，スピン自由度が偏った（スピン偏極）電子を非磁性体に注入（スピン注入）する効率を向上することで，その性能を向上することができる．本研究では極薄の強磁性絶縁体コバルトフェライト薄膜を透過するトンネル電子を用いたトンネル型スピンフィルター効果による高効率のスピン注入法の開発を行った．

コバルトの割合を減らすことで，高い絶縁性をもちデバイスの高集積化に有利な垂直磁化を持つコバルトフェライト薄膜を非磁性金属上に成膜した．コバルトフェライト薄膜を用いた垂直磁化型の磁気トンネル接合（MTJ）素子を作製してそのトンネル磁気抵抗効果の評価評価を行い，明確なTMR効果が確認された．以上の結果から垂直磁化型のトンネル型スピンフィルター効果の観測に成功した．

２．実験（Experimental）

MgO(001)基板上の非磁性金属TiN薄膜の上に，コバルトフェライトCo_xFe_3-xO_4+δ薄膜をパルスレーザー堆積法で作製した．X線回折法による結晶構造評価，SQUID磁束計による磁化測定及び原子間力顕微鏡(AFM)による表面平坦性の評価を行った．表面平坦性の評価にはナノテクノロジープラットフォームの設備である精密形状測定装置(日本電子社製JSPM-5200TM)を用いた．

トンネル型スピンフィルター効果を観測するために， {Tb/Co}₈/CoFe/MgO/Co_0.34Fe_2.66O_4+δを基本構造とするMTJ素子を作製した．MTJ素子に対して磁気抵抗測定によるスピン偏極電子の生成効率の評価を行った．

３．結果と考察（Results and Discussion）

図1にMgO基板/TiN(20 nm)/Co_0.5Fe_2.5O_4+δ(10 nm)のAFM像を示す．表面平均粗さ0.6 nm程度で大きな粒子の付着がない薄膜の作製に成功した．また，SQUID磁化測定から，コバルトフェライト薄膜は垂直磁化を示すことがわかった．この成膜条件で作製したMTJ素子の磁気抵抗測定では200 Kにおいて0.1%程度の磁気抵抗の変化が見られた．このことからコバルトフェライト薄膜のトンネル型スピンフィルター効果の観測に成功した．

図1　コバルトフェライト薄膜のAFM像

４．その他・特記事項（Others）

なし

５．論文・学会発表（Publication/Presentation）

(1) M. Tanaka, and K. Kutsukake et al., 第79回応用物理学会秋季学術講演会，令和元年9月19日.

(2) 沓掛滉大, IEEE Magnetic Society Nagoya Chapter 若手研究会2020, 令和2年1月24日．

６．関連特許（Patent）

なし