東大と東北大、磁性元素を配列した強磁性超格子構造の作製と巨大磁気抵抗の実現

発表日:2021年07月07日

磁性元素を配列した強磁性超格子構造の作製と巨大磁気抵抗の実現

～究極の原子層結晶成長法を駆使したスピントロニクス機能の実現へ新たな道～

1. 発表者

レ デゥック アイン (Le Duc Anh)（東京大学 大学院工学系研究科附属総合研究機構 助教）

早川 奈伊紀（東京大学 大学院工学系研究科電気系工学専攻 修士2年:研究当時）

中川 裕治（東京大学 大学院工学系研究科物理工学専攻 博士3年:研究当時）

新屋 ひかり（東北大学 電気通信研究所 助教）

福島 鉄也（東京大学 物性研究所附属計算物質科学研究センター 特任准教授）

小林 正起（東京大学 大学院工学系研究科附属スピントロニクス学術連携研究教育センター 准教授）

吉田 博（東京大学 大学院工学系研究科附属スピントロニクス学術連携研究教育センター 特任研究員(上席研究員)）

岩佐 義宏（東京大学 大学院工学系研究科物理工学専攻 教授）

田中 雅明（東京大学 大学院工学系研究科電気系工学専攻 教授）

2. 発表のポイント

◆ 原子レベルで制御可能な結晶成長法を駆使して、鉄（Fe）-ヒ素（As）正四面体からなるFeAs単原子層をインジウムヒ素（InAs）半導体結晶で挟んだ強磁性超格子構造（注1）の作製に世界で初めて成功しました。

◆ FeAs層間の距離を変化させた一連の超格子構造において、強磁性転移温度の急増、巨大磁気抵抗効果（～500%）（注2）の実現とその電気的手段による変調、大きな磁気モーメントなど、ユニークかつ有望な物性機能を見いだしました。また、その強磁性が発現するメカニズムも明らかにしました。

◆ 本研究により、ナノ構造の原子分布を制御する最先端の結晶成長技術を利用した機能材料とスピントロニクス（注3）デバイスの実現に新たな道を開くことが期待できます。

3. 発表概要

東京大学大学院工学系研究科のLe Duc Anh助教、小林正起准教授、吉田博特任研究員（上席研究員）、田中雅明教授のグループは、岩佐義宏教授グループ、東京大学物性研究所の福島鉄也特任准教授、東北大学電気通信研究所の新屋ひかり助教と共同で、インジウムヒ素（InAs）半導体結晶中に鉄（Fe）原子をほぼ1原子層の平面内に配列したFeAs-InAs単結晶超格子構造の作製に世界で初めて成功し、様々な新しい物性を観測しました。Fe-As正四面体結合からなる結晶構造は、その結合の分布（密度と形状）によって高温超伝導から高温強磁性まで重要な量子物性が確認され注目されています。InAsは高速トランジスタや長波長光デバイスに使われる半導体であり、エレクトロニクスに応用するためには、InAsのような主要な半導体の中にFe-As正四面体結合を高密度に配列することが望ましいと考えられますが、Feの低い固溶度（注4）のため相分離してしまう等の理由で、その作製は非常に難しいことが知られています。本研究グループは低温分子線エピタキシー結晶成長法（注5）を用いることより、初めてInAs中に等間隔で母材の結晶構造（閃亜鉛鉱型）を保ちながらFeAs単原子層を埋め込んだ超格子構造を作製することに成功しました（図1）。この構造ではFe-As結合が非常に高密度に分布されるため、超格子構造全体が強磁性状態となり、すべてのFe原子が最大に近い5ボーア磁子（5 μB）（注6）の大きな磁気モーメントを持つことを明らかにしました。また、FeAs原子層の間隔を短くすると強磁性転移温度（強磁性を示す温度の上限であるキュリー温度TC）が急増すること、超格子構造の電気抵抗が磁場によって500%も変化する巨大磁気抵抗効果が発現すること、その磁気抵抗効果をゲート電圧で制御できることも示しました。本研究により、半導体ナノ構造中の磁性元素分布を原子レベルで制御し、将来のスピントロニクスデバイスのための機能材料を実現できることが分かりました。

※以下は添付リリースを参照

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添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/614124/01_202107071519.pdf