巨大な磁気抵抗を示す磁性材料を発見 ～トンネル磁気抵抗素子材料の開発に新しい展開 ～

巨大な磁気抵抗を示す磁性材料を発見～トンネル磁気抵抗素子材料の開発に新しい展開～

2023年6月 7日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇材料科学高等研究所/先端スピントロニクス研究开発センター　教授　水上成美

【発表のポイント】

準安定^（注1）な体心立方结晶构造^（注2）コバルト中のマンガン元素が示す强い磁気的性质に着目しました。
产业に亲和するスパッタ法^（注3）ならびに加热プロセスで高い特性を示す材料素子を作製することに成功しました。
半导体と磁気抵抗素子が融合した不挥発性磁気抵抗メモリの素子开発に新しい展开が生まれると期待されます。

【概要】

现在、膨大なデジタル情报を効率よく処理するソフト?ハードウエアの开発や、スマート社会を実现するセンサーの开発が大きな社会的要请となっています。トンネル磁気抵抗素子は、不挥発性メモリの一种である磁気抵抗メモリ（惭搁础惭）や磁気センサーの主要素子として、国内外の大学や研究机関、公司で研究开発が精力的に行われています。

东北大学材料科学高等研究所の一ノ瀬智浩研究员（研究当时、现?产业技术総合研究所　研究员）と水上成美教授は、巨大なトンネル磁気抵抗効果^（注4）を示す準安定な磁性材料を発见しました。素子材料开発に新しい指针を与える成果です。

本研究では、準安定な体心立方结晶构造コバルト中のマンガン元素が示す強い磁気的性質に着目し、データ科学等ハイスループット材料探索手法も援用しつつ、产业に亲和するスパッタ法ならびに加熱プロセスで高い磁気抵抗特性を示す材料素子を作製することに成功しました。開発した材料素子は室温で350%、5ケルビンにおいて素子抵抗が1000%以上の巨大なトンネル磁気抵抗効果を示すことが明らかとなりました。これまでのトンネル磁気抵抗素子の研究開発では、熱力学的に安定な体心立方结晶构造を有する鉄系合金が主に用いられてきました。本成果は、従来の材料開発とは一線を画する新しい方向性を示すものです。今後数年の研究を経たのちに社会実装を目指した取り組みを推進します。

本研究は2023年5月29日に材料科学の学術誌Journal of Alloys and Compoundsの電子版に掲載されました。

図1. (a) トンネル磁気抵抗素子と磁気抵抗の模式図。(b) 本研究で研究された準安定体心立方構造コバルトマンガン系合金の結晶の模式図。 (c) コバルトマンガン系合金の熱力学的安定相の一つである面心立方構造の模式図

【用语解説】

注1. 準安定
热力学的に真の安定状态ではないものの、大きな扰乱がない限り安定に存在できるような状态を指します。

注2. 体心立方結晶構造
结晶构造の一种で、立方体の8个の顶点と立方体の中心に各々一ヶ原子が配置されている结晶格子构造です。

注3. スパッタ法
薄膜や薄膜を积层した多层膜构造を作製するときの作製手法の一つで、磁性材料薄膜等からなるデバイスの大量生产等に用いられています。

注4. トンネル磁気抵抗効果
磁性体／絶縁体／磁性体の叁层からなる素子。各层の厚みは1～数十ナノメートル。磁性体は导体で、磁性体间に电圧を加えると、量子力学的な现象である电子のトンネル効果により絶縁体の中を电流が流れます。その际、一般に二つの磁性体の磁化の向き（狈あるいは厂极）が平行の时は电流が流れやすく、反平行な场合は电流が流れにくい、つまり素子の电気抵抗が磁化の方向で変化します。この物理现象はトンネル磁気抵抗効果と呼ばれます。1995年に室温で比较的大きな磁気抵抗比が东北大学ならびに米国惭滨罢で独立に発见され、现在に至るまでのトンネル磁気抵抗素子の研究开発が続いています。

详细（プレスリリース本文）