A03:「スピンエレクトロニクス材料の探索」佐藤和則（阪大基礎工）

小田竜樹（金沢大数理）

研究組織 「スピンエレクトロニクス材料の探索」

研究代表者 佐藤和則（阪大基礎工）

研究分担者 小田竜樹（金沢大数理）

小倉昌子（阪大理）

野崎隆行（阪大基礎工）

連携研究者 黒田眞司（筑波大）

鈴木義茂（阪大基礎工）

朝日一（阪大産研）

吉田博（阪大基礎工）

下司雅章（阪大ナノ）

赤井久純（阪大理）

理論、デザイン

実証実験

理論、デザイン

実験グループとの緊密な連携。

スピンエレクトロニクス材料のデザインとその実証。

役割分担

半導体スピントロニクス

デザイン

佐藤、下司、吉田 ナノ構造制御による半導体スピントロニクス材料設計

小倉、赤井 オーダーN手法の開発と半導体スピントロニクスデバイスデザイン

実証実験

黒田、朝日 ナノ構造制御による半導体スピントロニクス材料デザインの実証実験ZnTe系、GaN系

金属系スピントロニクス

デザイン

小田 有効遮蔽媒質法による電解印加計算コードの開発と磁気異方性の電界制御

実証実験

野崎、鈴木 電界誘起磁化反転の実証実験

半導体スピントロニクス H. Ohno et al. JMMM 200 (1999) 110. Nature 408 (2000) 944. Nature 402 (1999) 790.

キュリー温度の第一原理計算

新しいDMSのデザイン

不揮発性（省エネルギー）、高速、高集積の次世代エレクトロニクス

磁性半導体 (Dilute magnetic semiconductor; DMS) (Ga, Mn)As TC ~ 190 K (In, Mn)As TC ~ 90 K

DMSのデザイン

Jij: exchange interactionei: direction of the moment

K. Sato et al., RMP 82 (2010) 1633

DMSのキュリー温度の第一原理計算法の確立 ZnCrTe（黒田）、GaN（朝日）での強磁性の予測と実証

INHOMOGENEOUS DMSExperiments. Singh et al., APL 86 (2005)12504, Gu et al., JMMM 290-291(2005)1395.T. Devillers et al., PRB 76 (2007) 205306. Ploog et al., J. Vac. Sci. Technol. B21 (2003) 1756Martinez-Criado et al., APL 86 (2005) 131927.

(Al, Cr)N

(Ga, Cr)N

(Ge, Mn)

(Ga, Mn)N

DMS中で磁性不純物は強い不均一分布を示す。

ナノ構造の自己組織化

不均一DMSのシミュレーション

Hybrid法 = 第一原理による相互作用計算＋モンテカルロ法

Ducastelle and Gautier: ‘Generalized perturbation method’J. Phys. F6 (1976) 2039Turchi et al., PRL 67 (1991) 1779.

不均一の制御による物性コントロールの例

(Ga, Mn)N

(Zn, Cr)Te

K. Sato et al., RMP 82 (2010) 1633

ナノ構造の自己組織化

界面の効果、多体相互作用

ブロッキング現象による磁性制御

実証実験

a) 不純物の均一な分布

b) 不純物が3次元的に拡散するとき

c) 拡散が結晶成長面内に限定されるとき(MBE結晶成長)

d) ナノ構造の成長位置の制御

e) ナノ構造の形状制御

不均一制御によるナノテクノロジーの創出

不均一を積極的に用いた新しい機能創出。

そのための材料設計と実証実験

不均一混晶半導体ナノ構造自己組織化

高効率太陽電池材料

巨大応答を示す磁性半導体

Cu-Niナノ構造における巨大ペルチェ効果

A. Sugihara et al., Appl. Phys. Exp. 3 (2010) 065204..

自己相互作用補正による計算(Zn,Co)O

LDA

SIC

Kobayashi, PRB (2005). Wi, phys. sol. stat. (b) (2004). Lee, J. Appl. Phys. (2006)

EF - 3.0 eV

PES

SICにより光電子分光の結果を良く再現 計算負荷はLDAとほぼ同じ 材料設計に活用

M. Toyoda et al., Physica B 376 (2006) 647

SCREENED KKR （オーダーN法）の開発

The screened KKR method makes use of an assembly of repulsive, constantfinite potential as the reference system. Green’s function of such a referencesystem decreases exponentially with distance. Consequently, the KKR matrixbecomes block diagonal and Dyson’s equation can be solved with the timescaling O(N).

ScreenedKKR

TraditionalKKR

O(N3)

O(N)

R. Zeller et al, PRB 52 (1995) 8807, K. Wildberger et al., PRB55 (1997) 10074

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

∗ ∗∗ ∗ ∗

∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗

∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗

∗ ∗ ∗∗ ∗

AL(001)/GAN(001) INTERFACE

n-type GaN (Ga0.98As0.02N) p-type GaN (GaN0.98B0.02)

Band bending, implying a Schottky barrier is observed. For p-type GaN, alllayers have finite density of states at the Fermi level. Hence, this contactnever shows rectifying character in spite of the large band bending.

Al 8 layers + GaN 80 layers

Density of states

Al GaN

研究計画

Screened KKR法による多層膜構造のシミュレーション

金属／半導体界面

界面構造

GMR, TMR

磁性半導体GaMnAsの量子井戸

三次元系でのオーダー N 計算

スピントロニクスデバイスシミュレーター

ハイブリッド法によるナノ構造制御物質デザインと実証

スピントロニクス

高効率太陽電池材料

熱電材料

∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ * ∗∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗

∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗

∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗

スピンエレクトロニクス材料の探索 （佐藤班）

期待される成果：

•ナノ超構造制御による半導体スピンエレクトロニクス材料のデザインと実証

•電界印加による磁気異方性制御法のデザインと実証•デバイスシミュレーターの実現

手法：• 相対論的擬ポテンシャル法•有効遮蔽媒質法

Intel Xeon 5160 3.00GHz 1 node

手法：•SIC-LDA法•KKR-CPA法•モンテカルロ法•O(N)-KKR法•分子線エピタキシー法

ZnCrTe

(↑)希薄磁性半導体中のナノ超構造制御シミュレーション(←)1.8ミクロン銅薄膜のオーダーN計算

分子線エピタキシー実験装置とEDSによるZnCrTe中のCr分布測定

tFeCo: 0.58 nm

-200 V

200 V

Nature Mat. 2007

Nature Nano. 2009

半導体スピントロニクス材料の探索と実証

磁気異方性制御法の

デザインと実証

Screened KKR

平成２２年度科学研究費補助金（新学術領域研究）「コンピューティクスによる物質デザイン：複合相関と非平衡ダイナミクス」

キックオフ・ミーティング、平成２２年 ９月１８日(土）、東京大学工学部６号館、東京大学本郷キャンパス

スピンエレクトロニクス材料の探索 （佐藤和則班）

代表者：佐藤和則（大阪大学基礎工学研究科・特任准教授）分担者：小田竜樹（金沢大学 理工研究域数物科学系・准教授）

小倉昌子（大阪大学理学研究科・助教）野崎隆行（大阪大学基礎工学研究科・助教）

連携研究者：黒田眞司(筑波大物質・教授)、吉田博(阪大基礎工・教授)朝日一(阪大産研・教授)、鈴木義茂(阪大基礎工・教授)赤井久純(阪大理・教授)、下司雅章(阪大ナノセ・特任講師)

金属系スピントロニクス材料の探索

第一原理マテリアルデザイン小田竜樹（金沢大学 理工研究域数物科学系）

実証実験：野崎隆行（大阪大学基礎工学研究科・助教）鈴木義茂（大阪大学基礎工学研究科・教授）[連携研究者]

グループ半導体系スピントロニクス材料の探索金属系スピントロニクス材料の探索

成果目標：電界印加による磁気異方性制御法のデザインと実証磁気異方性シミュレーターの開発

研究背景：

スピン軌道相互作用起源の現象

エネルギー問題：環境に負荷をかけず持続的に発展可能な省エネルギーシステムの提案（省電力化技術）

ゴードン・ムーアの法則の破たん予想社会的要請：次世代の基盤技術となりうる

次世代エレクトロニクスの開発

超高集積・超高速・超省エネルギー

電気磁気効果の復古・応用

マルチフェロイック（強磁性・強誘電性・強弾性 等）

EMM

α+= 0

P

M

R

ラシュバ効果、磁気異方性、…小さいエネルギースケール物理現象

観測測定

制御

HPP

β+= 0

強磁性磁気制御

スピントロニクスMRAM（磁気抵抗メモリ）

スピントランスファー効果

電流駆動型

電界駆動型

電界による磁性制御技術の確立が重要

研究背景２

の低電力磁化反転制御に向けて

磁化方向の熱安定性 ⇒ 大きな磁気異方性

磁化反転電流の低減 ⇒ 小さな磁気異方性相反微細化

ナノスケール磁性素子

磁気異方性エネルギーの電界制御

電流磁場

Ｉ

メモリ書き込み

磁気異方性の電界制御（希薄磁性半導体）

Chiba et. al., Nature. 455, 515 (2008).

Chiba et. al., Science 301, 943 (2003).

Mn)As (Ga,

Mn)As (In,

Ohno et. al., Nature 408, 948 (2000).

magnetic semico.

強磁性転移温度が室温以下

M. Weisheit, S. Fähler, A. Marty, Y. Souche, C. Poinsignon, and D. Givord, Science 315, 349 (2007)

磁気異方性の電界効果（金属系の先駆的実験）

FePtεinward electric fieldFePt For 2nm-thick system of

FePt, 4.5% change of coercivity

in the difference of 600mV.Coercivity decreases by the inward electric field

FePdFePd

FePt

Kerr rotationof surface magnetism

MAE is reduced by 13% at electric field －1.97 V/Åslope rate：0.35 meV/Fe/(V/Å)

(72 fJ/Vm)

これまでの研究（小田）

MAEadded electron

M. Tsujikawa and T. Oda, Phys. Rev. Lett. 102, 247203 (2009)Z

vac. EMSPt/Fe/Pt(001) ε

[1010 V/m]

EF-induced MAE densityMAE is decreased around Fe atom

(meV/Å3)

FePt

Electric field dependence of MAE for Pt/Fe/Pt(001)

電界印加による超薄膜Fe(Co)層の垂直磁気異方性(PMA)制御に成功T. Maruyama, T. N., Y. S. et al., Nature Nanotech. 4, 158 (2009)

Au (001)

Fe(Co)(001) 2~4 MLMgO(001) 10 nm

Polyimide (1.5 µm)ITO

室温・固体素子における電界誘起磁気異方性変化

磁場

これまでの研究（野崎）

応用上重要なFeとMgOの接合系で実現

tFeCo: 0.58 nm

-200 V200 V -200 V

200 V

Modulation of angular orbitalson magnetic atom Change of MAE

研究課題と今後の研究予定（小田）

（１）磁気異方性の第一原理マテリアルデザイン

Substrate metal

Insulating layer

Magnetic layer

Electrode metal

界面の磁気異方性とその電界効果

)layersofnumber(N

MAE

0

)field electric(ε∆

物質依存性、界面依存性Fe, Co, Ni, Pt, Pd, Au

rεdielectric constantMgO(001)

ε∆

Ex. MgO/Fe/Pt(001)

研究課題と今後の研究予定（小田）

（２）電界印加第一原理電子状態計算コード開発、磁気異方性シミュレーターの開発

Substrate metal

Insulating layer

Magnetic layer

Electrode metal GP-GPUによる高速化

２つの電極を採り入れた電場印加状態の実現を目指す

複数のフェルミレベル

双極子双極子相互作用

研究課題と今後の予定（野崎）

理論計算との比較による電界効果の起源解明

素子構造 磁性層膜厚異方性変化レート

(fJ/Vm)

Experiment 1 Au/Fe/MgO/Polyimide/ITO 0.48 nm 93

Experiment 2 FeCo / MgO / Fe 0.5 nm 38

Theory 1 Pt/Fe/Vacuum 1 ML 62

Theory 2 Fe/Vacuum 1 ML 38

Theory 3 Fe/ Vacuum 1 ML 19

Theory 1: M. Tsujikawa, T. O. et al. Phys. Rev. Lett. 102, 247203 (2009).Theory 2: K. Nakamura et al. Phys. Rev. Lett. 102, 187201 (2009).Theory 3: C. -G. Duan et al. Phys. Rev. Lett. 101, 137201 (2008).

現状での実験・理論の比較

1. 磁性層材料の効果:Ⅰ. Fe, Co, Ni alloy バンド構造と電界効果の関係Ⅱ. FePt alloy (high Ku材料)

2. 下地層材料の効果: Au, Ag, Pt etc.3. 絶縁層材料の効果 : MgO, Al2O3, その他high-k材料 etc.4. 界面効果: 界面酸化状態、非磁性層挿入の影響など5. Dzyaloshinskii-Moriya相互作用の電界制御

検討事項（野崎）

理論研究との連携により、電界効果の起源解明と材料設計からのアプローチによる電界効果の増大を目指す

終わり

佐藤班１.pdfA03:「スピンエレクトロニクス材料の探索」研究組織　「スピンエレクトロニクス材料の探索」役割分担半導体スピントロニクスDMSのデザインInhomogeneous DMS不均一DMSのシミュレーション不均一の制御による物性コントロールの例不均一制御によるナノテクノロジーの創出自己相互作用補正による計算(Zn,Co)OScreened KKR （オーダーN法）の開発Al(001)/GaN(001) interface研究計画スライド番号 14

佐藤班２スライド番号 1スライド番号 2スライド番号 3スライド番号 4磁気異方性の電界制御（希薄磁性半導体）　磁気異方性の電界効果（金属系の先駆的実験）スライド番号 7スライド番号 8スライド番号 9研究課題と今後の研究予定（小田）研究課題と今後の研究予定（小田）スライド番号 12スライド番号 13終わり