【研究領域課題番号】21K14193 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

2次元層状物質 / スピントロ二クス / スピントロニクス / 遷移金属カルコゲナイド / 半導体

【研究成果の概要】

MoS2薄膜の(1)磁化測定と(2)磁気抵抗測定の二つの研究テーマを学部学生と協力して平行して実施した。(1) MoS2薄膜の磁化特性の測定については、研究開始当初からの懸念事項として、基板の反磁性の影響が大きく、適切な磁化測定が阻害される問題があった。これは、基板の厚さがコンマ数ミリであるのに対し、MoS2薄膜は数nm程度と桁違いに薄いためである。まず、これに対する対策を講じた。方法は、通常用いられるシリコン基板(0.3 mm - 0.7 mm)ではなく、一桁薄い0.03mmの極薄基板を特注し、これを用いて薄膜を成膜することによって、磁化を適切に測定することに成功した。その結果、飽和磁化が成膜温度、及び、測定温度に依存して変化することが分かった。測定点を増やし、傾向と系統性を明確にすることで、論文化が可能であると考えられる。(2) MoS2薄膜の磁気抵抗測定については、ノンドープ半導体は4Kにおいては抵抗が非常に大きくなるため、まず低抵抗薄膜の作製方法を模索する必要があった。その方策として、膜厚をやや厚めの7 nm - 8 nmに設定し、表面とボトムからの空乏化の影響を抑止した。さらに、成膜時基板温度を低下させ、また、成膜時のAr分圧を下げることで結晶欠陥を生じさせ、キャリアドーピングを施した。加えて、電極材料を選定した。その理由は、電極材料によってコンタクト抵抗が異なることが知られているからである。仕事関数が真空準位とMoS2の伝導体下端の差に近いものが良いとされていることから、アルミニウムと銀を試行した。アルミニウムでは低温で抵抗の発散がみられたが、銀を用いると抵抗は増大したが、電流を流すことが可能な範囲であった。これにより、4Kで磁気抵抗を再現性よく測定することに成功した。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究領域課題番号】18H03860 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 磁化反転 / トンネル磁気抵抗効果 / 電界効果 / 分子線エピタキシー / 酸化物 / エピタキシャル / 半導体 / 強磁性 / スピン流 / エピタキシャル成長 / トランジスタ / 二次元界面 / トポロジカル / ヘテロ構造 / スピントランジスタ / 単結晶

【研究成果の概要】

本研究では、超高品質単結晶ヘテロ構造の作製技術を用いることにより、物質が本来内因するスピンに依存した機能性を新たに開拓することを目標とした。実際に、酸化物の二次元電子ガスを用いて極めて高効率のスピン流電流変換に成功した。半導体ベースの強磁性材料において、強磁性体単一層に電流を流すだけで磁化反転が起こることを見出し、世界最小電流密度での磁化反転に成功した。酸化物磁気トンネル接合において、強磁性酸化物界面の特異な状態密度を活かして、金属系接合で磁化反転に必要な電流密度より約8桁小さな電流密度で磁化の90度回転が起こることを発見した。デバイス応用上有望な様々な新たな基礎的な知見を得ることができた。

【研究の社会的意義】

原理的にエネルギー散逸がないとされている純スピン流を利用したり、強磁性体の磁化の不揮発性を利用して現在の集積回路を完全不揮発にすることにより、情報機器の消費電力を極限まで低減できる新しい技術を開拓することは極めて重要な課題である。本研究では、スピンの散乱を大幅に低減可能なオールエピタキシャルの酸化物二次元電子系や、半導体や酸化物の高品質単結晶ヘテロ構造を用いて、非常に高効率のスピン流電流変換や、世界最小の電流密度での磁化反転現象や磁化回転現象などを観測することに成功した。本研究で得られた新たな知見は、将来的には、全不揮発の極限的な低消費エネルギー情報処理技術の実現に結びつくものと期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】44,330千円 (直接経費: 34,100千円、間接経費: 10,230千円)

【研究領域課題番号】18K13785 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 遷移金属カルコゲナイド / 半導体 / 強磁性半導体 / バレートロニクス

【研究成果の概要】

強磁性半導体は磁性不純物をドーピングすることで半導体を強磁性にしている。キュリー温度を上げるためには、磁性不純物濃度を増大させる必要があるが、一方で電子移動度の低下をまねいてしまう。遷移金属カルコゲナイドMoS2は、シリコンを超える次世代半導体としての期待があり、多結晶グレイン境界や格子欠陥を含むと強磁性を示すことが知られており、ドーピングフリー強磁性半導体として期待ができる。本研究では、まずスパッタ法により、多結晶MoS2の成膜に成功し、アトミックスケールの層状構造が形成されていることを確認した。さらに、磁化測定を実施し、大きい飽和磁化を観測することに成功した。

【研究の社会的意義】

遷移金属カルコゲナイド層状物質MoS2は、典型的な磁性不純物を含まず、通常の単結晶では
非磁性(反磁性)である。多結晶や格子欠陥など、構造を変化させるだけで強磁性を示すようになるなど、物質の知られざる性質をつまびらかにすることが出来た。遷移金属カルコゲナイド層状物質群は、ツイスト2層構造や1次元ヘテロ構造、ファンデアワールスレゴブロックなど、同一の物質であっても構造やナノスケールの形状パターンの組み合わせにより、その性質が大きく変化する例がいくつも挙げられている。本研究が新たな材料物質の設計トレンドの形成に一役担うだけの意義のあるものであると考える。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】16H02095 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン / 強磁性半導体 / ヘテロ構造 / スピン依存伝導 / 強磁性転移温度 / スピントロニクス / 磁気抵抗 / スピントランジスタ / 狭ギャップ半導体 / (Ga,Fe)Sb / (In, Fe)Sb / 半導体 / 強磁性 / ナノ構造 / トンネル接合 / FET / 量子井戸 / 転移温度 / スピンエレクトロニクス / 不揮発性メモリ

【研究成果の概要】

低消費電力・機能性デバイスに向けた強磁性/半導体融合系の創出とそのスピン物性の研究を行い、材料物性、機能実現、デバイスの各領域で大きな成果を得た。室温以上の高い強磁性転移温度をもつｐ型およびｎ型強磁性半導体(GaFeSb, InFeSb)の作製に成功した。非磁性半導体/強磁性半導体からなる二層ヘテロ構想を作製し、新しい電子伝導現象（大きな磁気抵抗効果）を発見、この構造をトランジスタに加工しゲート電圧によってInAs薄膜中の波動関数を変化させ、近接効果による磁気抵抗を大きく変調することにも成功するなど多くの新しい物性機能を明らかにすると共に、縦型および横型スピントランジスタを作製、動作実証した。

【研究の社会的意義】

半導体材料あるいはデバイス構造中に磁性元素や強磁性材料を構成要素として取り込み、キャリアの電荷輸送に加えて「スピン自由度」をも活用する新しい機能材料やデバイスをつくることに成功した。バンドエンジニアリングとスピン自由度を有する新しいデバイス構造：スピントランジスタを提案・解析・作製、その動作を実証した。これにより、スピントロニクスという新しい学術分野の研究をリードするとともに、従来の半導体デバイスや集積回路では持ち得なかった「不揮発性」低消費電力」「再構成可能性」「情報処理の柔軟性」の機能をもつ材料とデバイスを創製し、ポストスケーリング時代の新技術を創成する道を開いた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】41,990千円 (直接経費: 32,300千円、間接経費: 9,690千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】26870086 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジカル絶縁体 / トポロジカル結晶絶縁体 / スピン軌道相互作用 / 2次元伝導 / メゾスコピック / 光電子分光 / 磁性 / MBE / 角度分解光電子分光 / 磁性半導体 / 狭ギャップ半導体 / ワイル半金属 / 時間反転対称性 / スピントロニクス / 半導体 / 弱反局在効果 / ディラックコーン / 強磁性

【研究成果の概要】

本研究ではトポロジカル結晶絶縁体(TCI)において、その鏡映対称性がもたらすトポロジカル表面状態（TSS）について、磁性元素の添加による影響を探ることを目指した。まずは高品質単結晶薄膜SnTeにおいて2次元弱反局在効果を観測し、それがTSS由来であることを明らかにした。また補償元素Sb添加を行った所、バルクキャリア低減と、さらにp型・ｎ型両タイプの作製に成功した。その試料において角度分解光電子分光測定を行った結果、TSS由来のディラックコーンの観測に成功した。またSnTeへの磁性元素Mnのドーピングによって強磁性化することにも成功し、低Mn濃度試料では強磁性とTSSが両立しうることを示した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】26630123 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 分子線エピタキシー / 量子効果 / ヘテロ構造 / 量子井戸 / スピン依存トンネル現象 / 磁気トンネル接合 / 半導体 / 共鳴トンネルダイオード

【研究成果の概要】

強磁性量子へテロ構造の理想系と言える強磁性半導体を用いた系で基礎研究を進め、強磁性転移により量子効果が増強されることや量子効果により磁気異方性が変化することを初めて明らかにした。半導体Geやそれをベースとした強磁性半導体GeFe上に高品質なFe/MgO単結晶を成長できることを明らかにし、それらの系で世界で初めてトンネル磁気抵抗効果(TMR)を観測した。Fe量子井戸を有するFe/MgO/Fe/MgO/Geにおいては、200%程度の大きなTMRを得ることに成功した。電流電圧特性にFe量子井戸膜厚の変化に対する系統的な変化が見られ、Ge基板上で初めてFe量子井戸の量子効果に起因した信号が観測された。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】26249039 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子線エピタキシー / 半導体 / 酸化物 / スピントランジスタ / スピン注入 / 強磁性半導体 / スピントロニクス / 量子構造 / トランジスタ / ヘテロ構造 / スピンエレクトロニクス / ペロブスカイト酸化物 / トンネル磁気抵抗効果

【研究成果の概要】

スピントランジスタの動作実証を中心とし、その周辺技術の開拓や学術構築も含め、次のような様々な成果を得ることに成功した。①強磁性半導体GaMnAsを用いた縦型スピントランジスタの動作実証②GaMnAs量子井戸の量子サイズ効果を利用した新規物理の発見③GaMnAs横型スピンバルブ素子における大きな磁気抵抗比の実現④酸化物半導体を用いた縦型スピントランジスタの世界初室温動作実証⑤Ge系磁性半導体における強磁性発現メカニズム等の解明⑥強磁性ペロブスカイト酸化物ヘテロ構造における特異なスピン依存伝導の観測⑦トポロジカル結晶絶縁体におけるスピン流電流変換の初実証⑧超短パルス光を用いた磁性とバンドの高速変調

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】41,470千円 (直接経費: 31,900千円、間接経費: 9,570千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】24540316 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メゾスコピック系・局在 / 近藤効果 / 量子コヒーレンス / 非平衡統計力学 / スピントロニクス / メゾスコピック系 / 物性理論 / 量子ドット / 半導体 / 非平衡輸送特性 / 電子相関

【研究成果の概要】

不純物アンダーソン模型で記述される単一の量子ドットで、時間に依存する外場の影響およびバーテックス補正の効果を議論した。この計算は相互作用のある系の光支援輸送を理解するときの理論的な出発点を与えるとともに、高次の保存近似の出発点となる。そのほか、単一電子生成および単一光子生成における位相緩和の効果、局所的な二準位系を介した熱輸送、金属中のスピン拡散長とスピン局在長の関係などについても、理論的な考察を行った。分担研究者の阪野塁は高バイアス下不純物アンダーソン模型における非平衡輸送特性とSU(N)模型への拡張を行った。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】24560372 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 半導体 / ダイヤモンド / ハーフメタル / ホイスラー / スピンデバイス / スピン注入 / ショットキー / 強磁性 / ダイヤモンド半導体 / ホイスラー合金 / スピントランジスタ / ショットキー接合

【研究成果の概要】

本研究ではスピントランジスタの実現の為の最重要課題である強磁性体から半導体への高効率スピン注入に関して、長スピン拡散長等の優れた特徴を持つダイヤモンド半導体と強磁性ハーフメタルCo2MnSi(CMS)を組合せて達成する試みを行った。研究成果として、高効率スピン注入に必須となる急峻なハーフメタルCMS/ダイヤモンド半導体界面が～300℃でのCMSの低温成長により得られる事を明らかにし、CMS/高濃度不純物ドープダイヤモンド接合を用いた３端子ハンル測定によりスピン注入由来と思われる信号を得た。スピン緩和時間は～7nsと見積もられたが、高不純物ドープ半導体を用いている事を考慮すると大きな値である。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】22360032 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光制御 / スピントロニクス / 量子ドット / 円偏光 / フォトルミネッセンス / 発光ダイオード / 半導体 / 薄膜・量子構造 / 光物件 / エピタキシャル成長 / 光物性 / エじタキシャル成長

【研究成果の概要】

本研究は、1.3 ミクロン帯または可視光域で円偏光光源に応用可能な半導体の探索を目的とした。波長1 ミクロンより長波側の発光では、InAs コラムナー量子ドットが、波長1.06 ミクロンで3.42 ns の長いスピン緩和を示すことを明らかにし、また、InAs 高均一量子ドットが、面内異方性により基底準位から第二励起準位までいずれも安定な楕円偏光を示すことを初めて明らかにした。可視光域では、Ge 基板上の高Si ドープGaInP のドナーアクセプタ対の発光(687nm)のスピン緩和が210 ns と既報告の中で最も長いものの一つであることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】20,150千円 (直接経費: 15,500千円、間接経費: 4,650千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】20686002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 量子ヘテロ構造 / 半導体 / トンネル磁気抵抗効果 / スピントランジスタ / 量子井戸 / 共鳴トンネル効果

【研究成果の概要】

GaMnAsを中心とした強磁性半導体材料における価電子帯構造と量子デバイスに関して、様々な新たな知見を得た。GaMnAs磁気トンネル接合において、2. 6Kにおいて175%という本材料系における本温度領域での最も大きなトンネル磁気抵抗効果を得た。GaMnAs量子井戸に電極を有する3端子デバイスを作製し、量子準位と磁気電流比を制御することに成功した。スピン依存共鳴トンネル分光法を用いてGaMnAsの価電子帯構造を系統的に明らかにすることに世界で初めて成功した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2008 - 2011

【配分額】25,480千円 (直接経費: 19,600千円、間接経費: 5,880千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】20840011 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

グラフェン / 半導体 / ナノエレクトロニクス / スピントロニクス / 量子ドット / 物性理論 / ナノ材料 / 半導体物性 / スピンエレクトロニクス / グラフェン・ナノディスワ / グラフェン・ナノディスク

【研究成果の概要】

グラフェン及びグラフェン派生物質に付随する物理現象は,現在の物性物理で最も注目を集めている物の一つである.特に,グラフェンを一次元状に切り出したグラフェン・ナノリボンに関しては多くの研究がなされている.同様に重要な物質として,グラフェン・ナノディスクがある.これは閉じた境界を持つグラフェン派生物である.このナノディスクという新しい物理系の豊かな電磁的性質を明らかにし,バンド構造などの基礎的物性から,スピントロニクスなどの応用まで論じた.

【研究種目】若手研究(スタートアップ)

【研究期間】2008 - 2009

【配分額】2,977千円 (直接経費: 2,290千円、間接経費: 687千円)