研究成果のポイント
- 電圧を印加すると磁気キャパシタンス効果が増大することを世界で初めて発見。
- 量子力学を取り入れた誘電体理論によりメカニズムを解明。
- 超高感度磁気センサーや磁気メモリーに新たな道を拓く。
研究成果の概要
北海道大学電子科学研究所（所長 中垣俊之教授）附属グリーンナノテクノロジー研究センターの海住英生准教授，西井準治教授，同大学院工学研究院の長浜太郎准教授らは，東北大学多元物質科学研究所の北上 修教授, 茨城大学大学院理工学研究科小峰啓史准教授, ブラウン大学物理学科のGang Xiao教授と共同で，電圧を印加すると磁気キャパシタンス効果が増大する新しい現象を発見しました。２つの磁性層の間に薄い絶縁層を挟んだ磁気トンネル接合は，磁場により電気抵抗が大きく変化するトンネル磁気抵抗(TMR)効果を示します。しかし，接合に電圧を加えるとその効果が小さくなることが大きな問題となっていました。今回，磁気トンネル接合のキャパシタンス(電気容量；電気が溜まる量)に注目した結果，接合に電圧を加えると磁気キャパシタンス(TMC)効果(=磁場によりキャパシタンスが変化する現象)が大きくなることを世界で初めて発見しました。これはTMR効果には見られない，TMC効果特有の新現象です。この成果は，次世代超高感度磁気センサーや磁気メモリーに新たな道を切り拓くものです。
本研究は，科学研究費補助金基盤研究（B），「人・環境と物質をつなぐイノベーション創出ダイナミック・アライアンス」，「物質・デバイス領域共同研究拠点」，「スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク拠点整備事業共同研究プロジェクト」, 及びブラウン大学 National Science Foundationなどの支援を受けて実施されました。
論文発表の概要
| 研究論文名 | Robustness of Voltage-induced Magnetocapacitance（電圧誘起磁気キャパシタンスのロバスト性） |
| 著者 | 海住英生1, 三澤貴浩1, 長浜太郎2, 小峰啓史3, 北上修4, 藤岡正弥1, 西井準治1, Gang Xiao5（1北海道大学電子科学研究所, 2北海道大学大学院工学研究院, 3茨城大学大学院理工学研究科,4東北大学多元物質科学研究所,5ブラウン大学物理学科） |
| 公表雑誌 | Scientific Reports（ネイチャー・パブリッシング・グループ） |
| 公表日 | 英国時間2018年10月2日（火）（オンライン公開） |
【背景】
電子の持つ「電荷（電気量）」と「スピン（電子の自転に相当するもの）」の２つの性質を利用するスピントロニクス※１は，次世代のエレクトロニクス※２として期待され，近年大きな注目を集めています。中でも，２つの磁性層（磁気を帯びた層）の間に薄い絶縁層を挟んだ磁気トンネル接合※３は室温で大きな磁気抵抗（TMR）効果を示すことから，世界中で盛んに研究が進められてきました。TMR効果とは磁場によって電気抵抗が大きく変化する現象です。しかし，電圧を加えるとその効果が小さくなることが応用上大きな問題※４となっていました。
【研究手法・成果】
今回，海住准教授らの研究グループは, 磁気トンネル接合のキャパシタンス（電気容量；電気が溜まる量）に注目しました。磁気トンネル接合では絶縁層を介し電荷を蓄えることができます。つまり，キャパシタンスをもちます。このキャパシタンスも，電気抵抗と同様に，磁場によって変化します。これは磁気キャパシタンス（TMC）効果と呼ばれます。TMC効果では，２つの磁性層の磁化（磁石の向き）が互いに平行であるときキャパシタンスが大きくなり, 反平行のとき小さくなります。
このような通常のTMC効果はよく知られていましたが，昨年，同研究グループは，その逆の現象である逆磁気キャパシタンス（iTMC）効果※５を発見しました。iTMC効果では，磁性層の磁化が平行であるときキャパシタンスが小さくなり, 反平行であるとき大きくなります。ここでのキャパシタンスの変化率は数パーセント程度と小さい値でしたが，興味深いことに，電圧を加えると，その変化率が大きくなることがわかりました。このような現象は，通常のTMC効果でも見出されると考えられます。特に，同研究グループは100パーセント程度の大きな磁気キャパシタンス変化率(TMC比)を示す高品質磁気トンネル接合の作製に成功していますので，これまで培ってきた技術を用い高品質接合を作製すれば，電圧によるTMC効果の増大をより明瞭に見出せるのではないかと考えました（図１）。
そこで, 同研究グループは高度なマグネトロンスパッタ技術※６を駆使して, ２つの鉄コバルトホウ素磁性膜の間に薄い酸化マグネシウム絶縁膜を挟んだ, 超高品質な磁気トンネル接合を作製しました（図２）。この接合を磁場中にセットし, キャパシタンスの振る舞いを調べたところ, 電圧を印加するとTMC効果が増大することを初めて発見しました（図３）。これはTMR効果には見られない，TMC効果特有の新現象です。また，これによりTMC比は100%を超えることも明らかになりました。
さらに, 実験のみならず, 理論的な検討も行ったところ, 誘電体理論に量子力学を取り入れた新たな計算手法により, 実験結果をよく説明できることがわかりました。理論計算によると, 磁気トンネル接合を最適化すると，TMC比は今回得られた値より約１０倍も大きくなることもわかりました。
【今後への期待】
今後は, 本研究成果が発端となり, 電圧誘起TMC効果に関する研究が広く展開していくものと期待されます。これによりTMC比の向上が見込まれ，超高感度磁気センサーやメモリー誕生に向け新たな道が切り拓かれるものと期待できます。また, 次世代IoT技術として活用される可能性も秘めており，昨今注目されているビッグデータの取得・蓄積・解析にも大きく貢献するものと期待できます。将来的には，IT/ICT分野のみならず，環境エネルギー，医療ヘルスケア，運輸交通，農業，製造業など幅広い分野での実用化が期待できます。
お問い合わせ先
北海道大学電子科学研究所 准教授 海住 英生（かいじゅう ひでお）
ＴＥＬ 011-706-9349
ＦＡＸ 011-706-9346
メール kaiju
ＵＲＬ http://nanostructure.es.hokudai.ac.jp/
【参考図】
上下２層の鉄コバルトホウ素磁性層の磁化が反平行になっており，電荷の溜まる量が少なくなっている。右図では，磁石を近づけることで磁化を平行にしており，電荷の溜まる量が多くなっている。このとき，電圧を加える（＝電池がある）と，電荷の溜まり方が大きく変化する。
２つの鉄コバルトホウ素合金（磁性層）の間にナノメートル程度に薄い酸化マグネシウム（絶縁層）が挟まれている。鉄コバルトホウ素合金と酸化マグネシウムの間に，スピンをもった電荷が蓄積され，この電荷の蓄積量（キャパシタンス）が磁場（磁石）によって変化する。電圧を加えると，その変化率が向上する現象（電圧誘起TMC効果）を今回初めて見出した。
よく知られているトンネル磁気抵抗(TMR)効果は，電圧を加えると，小さくなる（赤プロット）。それに対し，TMC効果は，電圧を加えると，大きくなる（青プロット）。これはTMR効果には見られないTMC効果特有の新現象である。この現象は２つの鉄コバルトホウ素合金層の磁化が反平行状態であるとき，鉄コバルトホウ素合金層と酸化マグネシウム層の間にスピンキャパシタンスと呼ばれる新しいキャパシタンスが現れるため生じる。これは実験データを理論解析することで明らかになった。
【用語解説】
- ※１ スピントロニクス：
- 従来のエレクトロニクスは電子の流れを利用するため，電子機器の抵抗が大きくなり，省エネ化の限界が懸念されている。一方で, スピントロニクスはスピンの流れを利用するため抵抗の影響を軽減でき，省エネ化に大きく貢献できると期待されている。
- ※２ エレクトロニクス：
- 電子の働きを利用した通信・計測などに関する科学・技術の総称。電子工学。
- ※３ 磁気トンネル接合：
- ２つの磁性層の間に薄い絶縁層が挟まれた接合。通常，絶縁層は電流を流さないが，絶縁層がナノメートル程度の薄さの場合，トンネル効果と呼ばれる量子力学的効果により電流が流れる。
- ※４ 電圧を加えるとTMR効果が小さくなる問題：
- 一般に，抵抗検出型の磁気センサーの感度は，電圧の平方根と磁気抵抗変化率の積に比例するので，感度を上げるためには，電圧を上げると同時に，磁気抵抗変化率を大きくする必要がある。しかし，磁気トンネル接合では，電圧を上げるとTMR効果が小さくなるため，高感度化が難しくなっている。
- ※５ 逆磁気キャパシタンス（iTMC）効果：
- ２つの磁性層の磁化が平行であるときキャパシタンスが小さくなり, 反平行であるとき大きくなる現象。よく知られているTMC効果では，磁化が平行であるときキャパシタンスが大きくなり, 反平行であるとき小さくなるため，通常のTMC効果とはキャパシタンスの大小関係が逆となる。
- ※６ マグネトロンスパッタ技術：
- 超高真空中で不活性ガス（例えば，アルゴンガス）を原料に衝突させることで，その原料物質をはじき飛ばし（＝スパッタし），これにより基板上に薄膜を形成させる技術。不活性ガス原子を原料に衝突させる頻度を増やすため，磁石（＝マグネット）を用いることから，マグネトロンスパッタと呼ばれる。
