経産省先端技術講演会2002.2.22 スピンエレクトロニクスと 光スピニクス 東京農工大学 工学部物理システム工学科 佐藤勝昭 佐藤勝昭紹介 • １９６６京大修士修了 • １９６６－１９８４日本放送協会 – １９６６－１９６８大阪中央放送局 – １９６８－１９８４放送科学基礎研究所物性研究部 • １９８４東京農工大学工学部助教授 • １９８９ 同教授（現在に到る） 佐藤研究室の研究テーマ • 佐藤研究室は森下研究室とともに「量子機能工学」という研究 分野を分担しています。 • 佐藤勝昭教授、石橋隆幸助手の関心をもっている研究テーマ を、学生とともに進めています。 • 佐藤教授のこれまで行ってきた研究は、磁性半導体、三元化 合物半導体、化合物磁性体、磁性金属磁性体、磁性体ナノ構 造の作製と光学的な研究です。特に、磁気光学効果研究の専 門家として知られており、「光と磁気」は、この分野の標準的教 科書です。最近は、室温磁性半導体の研究にも取り組んでい ます。 • 石橋助手は酸化物高温超伝導体の薄膜作製とエレクトロニク ス素子の作製にとりくんでいます。 佐藤勝昭の著書 • 専門である「光と磁気」、応用物性に関するいくつかの教科書 のほか総計３０冊の著書があります。(分担執筆含む） 実験室風景：もの作り系１ • ＭＢＥ装置 を使って酸 化物高温 超伝導体 や磁性半 導体の薄 膜を作製し ます。 実験室風景：もの作り系２ • 電子ビームリソグラフィや • 集束イオンビーム装置 を使って磁性体ナノ構造を 作っています。 実験室風景：もの作り系３ スパッタ法や電子ビーム 蒸着法で磁性体薄膜 を作ります。 実験室風景：評価系１ ←ＶＳＭ装置で物質の磁 化を測定します。 • 磁気光学スペクトル 測定装置を使って磁 性体の電子構造など を調べています。→ 実験室風景：評価系２ ＡＦＭ • ＡＦＭやＳＥＭを使っ てナノメートル領域の 表面を観察します。 ＶＢＬにあるＦＥ・ＳＥＭ 実験室風景：評価系３ • 100フェムト秒 という超短パ ルスレーザを 用いて非線形 磁気光学の実 験をしています。 Contents 1. 2. 3. 4. 5. 6. はじめに：いま磁性が面白い 磁性の基礎 スピン・エレクトロニクス 光スピニクス ナノテクノロジーとスピニクス まとめ 1. いま磁性が面白い • • • • • • • • • 磁気現象と電気伝導現象が結びついた 電子がもつ２つの顔：電荷とスピン ハードディスクに飛躍をもたらしたGMR MRAMを産んだスピン依存トンネル効果 層間の磁気的つながりが距離で変わる スピンを電気的に制御できる「磁性半導体」 磁性体から非磁性体にスピンを注入する 高速性を目指して：スピンダイナミクス 光磁気がハードディスクの限界を救う ２．磁性の基礎 • 電子のもつ２つの顔 • 局在電子磁性と遍歴電子磁性 • 強磁性、反強磁性、ハーフメタル 電子が持つ２つの顔：電荷とスピン • 電子は電荷eをもつと同時にスピン磁気モーメ ントをもっている。 q=e 電気伝導 sz=1/2 磁性 局在電子磁性と遍歴電子磁性 • 絶縁性磁性体：3d電子は格子位置付近に局在 – 格子位置に原子の磁気モーメント：交換相互作用でそろえ合 うと強磁性が発現 • 金属性磁性体：3d電子は混成して結晶全体に広がり バンドをつくる（遍歴電子という） – 多数スピンバンドと少数スピンバンドが交換分裂で相対的に ずれ→フェルミ面以下の電子数の差が磁気モーメントを作る • ハーフメタル磁性体：多数スピンは金属、小数スピンは 半導体→フェルミ面付近のエネルギーの電子は100% スピン偏極 局在磁性モデル 常磁性 J>0 強磁性 J<0 反強磁性 交換相互作用 H=-JS1S2 バンドと磁性 Ef Ef Ef 交換分裂 通常金属 強磁性金属 ハーフメタル ３．スピンエレクトロニクス • 金属磁性体の接合を用いた巨大磁気抵抗効果 (GMR) • 絶縁体超薄膜を金属磁性体ではさんだ磁気ト ンネル接合によるトンネル磁気抵抗効果(TMR) • 半導体スピンエレクトロニクス – 非磁性半導体のスピン現象 – 磁性半導体、希薄磁性半導体 ハードディスクの高密度化と GMRヘッド 100000 面記録密度(Mbit/in2) 面密度 10000 10年で100倍 1000 100 GMR ヘッド による 10 1 0.1 1970 10年で10倍 1980 1990 年度 2000 層間 結合系の巨大磁気抵抗効果 （ GMR ） • スピン依存散乱 MR ratio R(H)/R(0) Fe Cr Baibich et al.: PRL 62 (88) 2472 H (kOe) GMR 振動と層間結合 Co/Cu superlattice Cu thickness (Å) Mosca et al.: JMMM94 (91) L1 非結合系のGMR • ソフト磁性体とハード磁 性体との３層構造 自由 M NiFe Cu 固定 Co Shinjo et al.: JPSJ 59 (90) 3061 MR H (Oe) スピンバルブ • NiFe(free)/Cu/NiFe (pinned)/AF(FeMn) の非結合型サンド イッチ構造 NiFe free Cu NiFe pinned AF layer (e.g. FeMn) 最近はSAFに置き換え 交換バイアス スピン依存トンネル効果とトンネ ル磁気抵抗効果（TMR） current FM2 insulator FM1 I FM2 voltage current FM1 • 強磁性体(FM)/絶縁体(I)/強磁性体(FM)構造 • M. Julliere: Phys. Lett. 54A, 225 (1975) • S. Maekawa and V.Gafvert: IEEE Trans Magn. MAG-18, 707 (1982) • Y.Suezawa and Y.Gondo: Proc. ISPMM., Sendai, 1987 (World Scientific, 1987) p.303 • J.C.Slonchevsky: Phys. Rev. B39, 6995 (1989) • T. Miyazaki, N. Tezuka: JMMM 109, 79 (1995) TMRデバイス • 絶縁体の作製技術が 鍵を握っている。→ • 最近大幅に改善 •TMR ratio as large as 45% was reported. (Parkin: Intermag 99) •Bias dependence of TMR has been much improved by double tunnel junction. (Inomata: JJAP 36, L1380 (1997)) TMRを用いたMRAM • ビット線とワード 線でアクセス • 固定層に電流の 作る磁界で記録 • トンネル磁気抵 抗効果で読出し • 構造がシンプル MRAM と他のメモリとの比較 SRAM DRAM Flash FRAM MRAM 読出速度 高速 中速 中速 中速 中高速 書込速度 高速 中速 低速 中速 中高速 不揮発性 なし なし あり あり あり リフレッシュ 不要 要 不要 不要 不要 セルサイズ 大 小 小 中 小 低電圧化 可 限 不可 限 可 磁性半導体とは • 磁性と半導体性を兼ね備えた物質の総称 • 第１世代：CdCr2Se4, EuOなど60年代後半 • 磁気メモリ：磁気ヒステリシス応用 磁性の起源：電子のもつスピン • 半導体電子デバイス： – 伝導性の起源：電子のもつ電荷 磁性半導体の何が面白いの？ • 磁性の原因となっている原子の磁気モーメント と、電気伝導の原因になっている伝導電子の スピン磁気モーメントの間に互いにそろえ合う 力(交換相互作用)が働く • これにより、巨大磁気抵抗効果(GMR)、巨大磁 気光学効果、電気による磁性の制御などに道 が開ける 磁性半導体の物性 CdCr2Se4(第１世代の磁性半導体) GMR 巨大磁気抵抗効果 Magnetic red shift 吸収端のred shift 磁性半導体は何の役に立つの？ • 大きな磁気抵抗効果 – 高感度再生用GMRヘッド、固体磁気メモリ(MRAM) • 大きな磁気光学効果 – ファイバ通信用光アイソレータ • 伝導電子スピンと原子磁気モーメントの相互作用 – コイルを使わず電気や光で磁気をコントロール • バンドギャップのmagnetic red shift – 磁界で色が変わる材料 いままで実用例はあるの？ • 電気と磁気の関わりを使ったデバイス – 提案はあるが、低温がネックとなって実用化せず。 – CdCr2Se4, EuSなどは結晶、薄膜作製が困難 – GaAs:MnなどはMnが入りづらい • 光と磁気の関わりを使ったデバイス – Cd1-xMnxTe、Cd1-x-yHgxMnyTeではファイバアンプ 励起光源用光アイソレータとして実用化 光ファイバ増幅器と アイソレータ 磁性半導体の再ブーム • III-V系希薄磁性半導体の登場 – 宗片、大野ら：InMnAs, GaMnAsのキャリア誘起強 磁性を発見。非平衡低温成長でMnを大量置換。 – IIIV族は結晶性のよいものが得られる。 – Pn両型があるのでデバイスを作りやすい。 – デバイス作製技術が確立している。 – キュリー温度の高いものが得られない。 GaMnAs，InMnAsにおけるMn濃 度と格子定数、キュリー温度 格子定数 vs. Mn濃度 キュリー温度 vs. Mn濃度 Ga1-xMnxAsLEDに見られる 円偏光発光の磁界依存性 スピン注入現象の 証拠と考えられる Degre e of polari zation DP DP (%) Y. Ohno, D.K. Young, B. Beschoten, F. Matsukura, H. Ohno and D.D. Awschalom, Nature 402 (1999) 790 InMnAs FETのゲート電圧によ る磁性の制御 Hall Resis tance R () チャネルのホール濃度を ゲート電圧で制御→Tcが変化 →ヒステリシスの変化 Ohno 室温磁性半導体への道 理論 • 2000 Wide gap 半導体。P-型（RKKY) (東北大） • 2000 ZnO:Mnなど。P型(二重交換相互作用)(阪大) 実験 • 2000 CdMnGeP2 (筆者ら) • 2000 ZnO:Co (阪大産研） • 2001 TiO2:Mn(東工大) • 2001 ZnMnGeAs2(North Western大) • 2001 ZnGeP2(筆者ら) • 2002 ZnGeP2(東大) カルコパイライト系新磁性半導体 • ２燐化カドミウム・ゲルマニウム(CdGeP2)を母 体とし、マンガン(Mn)を高濃度に添加した物質 • 製造方法：母体単結晶にMnを蒸着し熱拡散 • 結晶構造は？ – カルコパイライト構造 • Ｍｎ濃度は？ – 最表面Mn/Cd=53%, 深さ0.6mで12.7% – 平均：実効層厚0.5mに平均20% カルコパイライト構造 Si, Ge ダイヤモンド構造 IV III II V IV V GaP 閃亜鉛鉱構造 CdGeP2 カルコパイライト Cd Ge P II-IV-V2 カルコパイライト半導体 a(Å) c(Å) Tm(°C) Eg(eV) no, ne n, p ~3.1 260, 11 ZnSiP2 5.399 10.435 1370 2.96 ZnSiAs2 5.606 10.890 1096 2.12 3.355, 3.392 40, 170 ZnGeP2 5.465 10.771 1025 2.34 3.248, 3.295 - , 20 ZnGeAs2 5.672 11.153 850 1.15 ~3.38 - , 23 ZnSnP2 5.651 11.302 930 1.66 ~3.21 - , 55 ZnSnAs2 5.852 11.705 775 0.73 ~3.53 - , 190 CdSiP2 5.678 10.431 1120 2.45 ~2.95 150, 90 CdSiAs2 5.884 10.882 850 1.55 ~3.22 - , 500 CdGeP2 5.741 10.775 790 1.72 3.356, 3.390 1500, 90 CdGeAs2 5.943 11.217 670 0.57 3.565, 3.678 4000,1500 CdSnP2 5.900 11.518 570 1.17 ~3.14 2000,150 CdSnAs2 6.094 11.918 596 0.26 ~3.46 11000,190 成膜時の RHEED パターンの変化 CdGeP2:Mn • Mn-堆積前 • Mn-堆積後 • 500ºC、 30分の アニール後 Deposition of Mn on ZnGeP2 at Before deposition Mn evap. 60s Before deposition Mn evap. 180s o 400 C Mn deposition 300-1800s Mn evap. 300s Mn evap. 1080s Mn evap. 1800s After deposition 新磁性半導体の物性 • Mn添加層も半導体： – バンドギャップが存在。ワイド化(1.72→3.24eV) [蛍光スペクトルの測定による] • Mn添加層は強磁性体： – 磁気ヒステリシスを観測(磁化率計による) – 表面に磁化が存在(磁気力顕微鏡(MFM)による） • 磁性半導体特有の磁気光学効果： – 磁気カー楕円率のピーク＝母体のバンドギャップ – ファラデー回転に換算すると5.7×104度/cm Cross sectional SEM photograph 室温のヒステリシス曲線 -3 e.m.u.) Magnetization (x10 反磁性の 補正後 0.4 0.2 H parallel T=300 K 生データ 0.0 -0.2 -0.4 -1.0 -0.5 0.0 0.5 H field (x10 kOe) 1.0 磁化の温度変化（H=0） Magnetization (emu) S = 1/2 S = 5/2 Temperature (K) Tc=320K 残留磁化状態における 室温のMFM 像と AFM 像 (a) MFM 像 (b) AFM 像 磁気光学カー効果 0.05 q , [degree] k k 0.00 -0.05 qk k -0.10 -0.15 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Photon Energy [eV] 4 4.5 ファラデー回転の推定： F / i ( / )1 K • =n2 =12.1 (n =3.48 at =800 nmを利用) K=-iK =-i0.12 deg (=800 nm)→F/l ＝5.2104 deg/cmと推定される。 現在の研究状況 • バルクZnMnGeP2において相分離を起こさずカ ルコパイライト相の磁性半導体を得る条件を 探索 • ZnMnGeP2系の磁化のSQUIDによる評価 • CdMnGeP2, ZnMnGeP2の表面層の精密XRD • EXAFSによる測定(バークレーDr. Soo) • Mn堆積時のUPSその場観察(東大藤森敦） 光スピニクスの最近の進展 • はじめに • MO-SNOM(近接場磁気光学顕微鏡)の開発 • NOMOKE(非線型磁気カー効果)による界面 磁性の研究 • そのほかの微小領域磁性観測技術 • 今後の課題 • おわりに はじめに • 微小領域磁性の観測手段 – 電子顕微鏡：ローレンツ電顕、スピン偏極電顕、電 子線ホログラフィ→磁束の観測 – 近接プローブ：MFM, スピン偏極STM, SNOM – 電気的測定：MR, Hall • 表面・界面 – Wedgeの磁気光学効果 – NOMOKE(非線型磁気カー効果） MO-SNOM (近接場磁気光学顕微鏡） • • • • • 近接場とは 光ファイバプローブ 円偏光変調法 プローブのストークスパラメータ 光磁気記録マークの観察 SNOM/AFMシステム Photodiode LD Compensator Polarizer Bimorph Sample Ar ion laser PEM Optical fiber probe Filter Lock-in Amplifier XYZ ベントファイバープローブ Analyzer scanner Signal generator Photomultiplier Controller (SPI3800 3800) Computer ＰＥＭを用いたMO-SNOMシステム MO-SNOMで観測した MOディスクの記録マーク トポ像 MO 像 磁界変調法で記録された0.2m マークの トポ像とMO-SNOM像 解像度の定義 トポ像 MO 像 ライン・プロファイル 放物面鏡を用いた反射型SNOM P. Fumagalli, A. Rosenberger, G. Eggers, A. Münnemann, N. Held, G. Güntherodt: Appl. Phys. Lett. 72, 2803 (1998) NOMOKE （非線形磁気カー効果） • • • • • • SHGが表面界面に敏感なわけ 大きな回転角：線形磁気カー効果との比較 実験装置 Fe/Au人工格子についての実験結果 理論的考察とシミュレーション 今後の展開 MSHG測定システム LD pump SHG laser Electromagnet =810nm Pulse=150fs =532nm Ti: sapphire P=600mW Mirror rep80MHz laser Filter Stage controller Berek compensator Mirror Sample Analyzer Lens Filter PMT Chopper lens polarizer Photon counting Photon counter Computer Sample 試料回転 w 810nm) Sample stage 45° Rotating analyzer Filter 2w 405nm) w 810nm) Analyzer 光学配置（縦カー効 果） 線形および非線形応答の方位角依存性 90 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 60 150 30 180 0 210 330 240 270 300 (a) Linear (810nm) SHG intensity (counts/10sec.) SHG intensity (counts/10sec.) ・ Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal angle ・ Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by reversing the magnetic field 90 300 250 200 150 100 50 0 50 100 150 200 250 300 120 45 60 150 30 180 0 210 330 240 270 300 (b) SHG (405nm) [Fe(3.75ML)/Au(3.75ML)] 超格子の （Pin Pout）配置の線形および非線形の方位角依存性 非線形カー回転 100000 90000 Df = 31.1° 80000 70000 Rotating 60000 Analyzer 50000 Analyzer 40000 Filter 30000 20000 2w (405nm) 10000 0 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Electromagnet S-polarized light ω(810nm) 45° The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field Fe(1.75ML)/Au(1.75ML) Sin 非線形磁気光学顕微鏡 Sample P Objective lens L F1 F2 A CCD 非線形磁気光学顕微鏡の模式図 50m 線形・非線型磁気光学顕微鏡で観測し たCoNiの磁区 そのほかの観察技術 • X線磁気光学顕微鏡 – 内殻吸収端とMCD；K殻、L殻、M殻 – シンクロトロン放射光 – フレネルゾーンプレート • サニャック効果 – サニャック干渉計(光ファイバジャイロの原理) – 位相差に敏感 – 非相反のみを分離 Ｘ線磁気光学効果 Occupation of minority 3d band (b) (a) md +2 +1 0 (1) -1 (a) (14) (6) (2) mj +3/2 +1/2 mj +1/2 3d (3) (6) (12) -2 (6) (3) (a) (b)に対応する遷移のＸＭＣＤの シミュレーション. (3) -1/2 -3/2 -1/2 (b) 2p3/2 2p1/2 Ｌ吸収端の磁気円二色性 (b) FeのL3吸収端のXMCDを用いて 観測したMO媒体の磁区像 SiN(70nm)/ TbFeCo(50nm)/SiN(20nm)/ Al(30nm)/SiN(20nm) MO 媒体 N. Takagi, H. Ishida, A. Yamaguchi, H. Noguchi, M. Kume, S. Tsunashima, M. Kumazawa, and P. Fischer: Digest Joint MORIS/APDSC2000, Nagoya, October 30-November 2, 2000, WeG-05, p.114. 微小領域磁性のスピンダイナミクス GaAs高速 光スイッチ Th. Gerrits, H. van den Berg, O. Gielkens, K.J. Veenstra and Th. Rasing: Digest Joint MORIS/APDSC2000, Nagoya, October 30November 2, 2000, TuC-05, p.24. 光スピニクス今後の課題 －より広範な領域をめざして－ • t：超短パルス光→ps, fsレーザを用いた時間分 解磁気光学測定、ポンププローブ測定 • w：広い波長領域、シンクロトロン放射光 • k：回折現象、磁気散乱、磁性パターンの回折 磁気光学 • x：微小領域観察、アパーチャレスSNOM、スピ ンSTM、Ｘ線顕微鏡 • ：位相の直接測定：サニャック干渉計 終わりに • 磁性の世界がナノテクノロジーという道具を得て大き く変革しつつある。 • 電子のもつ電荷とスピンの２つの機能を有効に使う 技術がスピンエレクトロニクスである。 • これまで、自然に作りつけであると考えていた磁気的 相互作用を人類はついに制御する技術を得た。 • 光とスピンの相互作用は、近接場技術、フェムト秒技 術などを得て次世代の高速高密度記録技術への道 を開きつつある。
© Copyright 2024 ExpyDoc
