ハーフメタルホイスラー合金を用いた巨大磁気抵抗素子の開発 Giant magneto-resistive devices with half-metallic Heusler alloy electrodes 強磁性体中を流れる電流のスピン偏極度(P)は強磁性材料毎に異なっています。例えば、一般的な強磁性体である3d遷移金属 (Fe,Coなど)ではPは0.6以下であることが知られており(図1左)、スピントロニクスデバイスの性能を制限する大きな要因となってしまっていました。一方、フェルミ準位において上向きか下向きどちらかのスピンの電子状態密度にエネルギーギャップを有する材料(図1右)では、伝導する電子が完全にスピン偏極した状態(P = 1)となります。このような材料は「ハーフメタル」と呼ばれ、電子スピンに依存した様々な現象を顕在化し、デバイス性能を大きく向上させる、究極的スピントロニクス材料として期待されています。我々のグループでは、ハーフメタリッ Fig. 1 Schematic diagram of density of states クな電子構造を持つと理論的に予測されるホイスラー合金系材 (DOS) for a general 3d-ferromagnet (left) and a 料(Co2MnSiなど)を用い、巨大磁気抵抗効果、トンネル磁気抵 half-metal (right). 抗効果、スピン蓄積効果等の研究を行っております。 Spin-polarization (P) of conduction electron is different in each ferromagnetic material. For example, P in general 3d-ferromagnets is less than 0.6, which limits a performance of spintronics devices. There are materials which possess an energy gap at Fermi level either in up- or down - spin channel, i.e., P = 1. There materials are called “half-metal” and expected to enhance various spin-dependent phenomena and improve a performance of spintronic devices. In our laboratory, we are investigating tunneling and giant magnetoresistance effects and spin-accumulation effect etc. in half-metallic Heusler alloys such as Co2MnSi. Co2MnSi/Ag/Co2MnSi 面直通電素子における巨大磁気抵抗効果 Giant magnetoresistance in Co2MnSi/Ag/Co2MnSi CPP-devices Fig. 2 Cross-sectional transmission electron microscopy images for the CMS/Ag/CMS CPP-GMR device. Fig. 3 A magneto-resistance curve for the CFMS/Ag/ CFMS CPP-GMR device. 図2に我々が作製したCo2MnSi/Ag/Co2MnSi面直通電素子の断面電子顕微鏡蔵を示しました。超高真空スパッタ法によって、急峻且つ平坦な界面を持つ良好なフルエピタキシャル成長の素子を作製し磁気伝導特性を評価した結果、世界で初めて室温において28.8%もの大きな磁気抵抗比(MR比)を実現しております。この結果はCo2MnSiが室温でも高いスピン偏極率を有することを示す極めて重要な成果です。更に最近では9nmという極薄Co2Fe0.4Mn0.6Si(CFMS) / Ag / CFMSにおいても、室温で40%を超えるMR比を実現し(図3)、これらを利用した次世代ハードディスク用磁気読み取りヘッド等への応用が大きく期待されております。 Fig.2 shows a cross-sectional transmission electron microscope image for the Co2MnSi/Ag/Co2MnSi CPPMR device made by a ultra high vacuum sputtering. We fabricated the device having fully-epitaxial growth with flat and sharp interfaces and realized the highest MR ratio of 28.8% at room temperature This result clearly indicates large spin-polarization of Co2MnSi even at room temperature. We also observed higher MR ratio over 40% in a very thin (9nm-thick) CFMS/ Ag/CFMS trilayer structure, which is a promising result as next generation read sensor for hard disk drives. Related Papers Y. Sakuraba et al. “Extensive study of giant magnetoresistance properties in half-metallic Co2(Fe,Mn)Si-based devices” Appl. Phys. Lett. 101, 252408 (2012). T. Iwase et al. “Large interface spin-asymmetry and magnetoresistance in Fully epitaxial Co2MnSi/Ag/Co2MnSi currenct-perpendicularto-plane magnetoresistive devices ” Applied Physics Express. 2, 063003 (2009).