证实了世界最高性能的自旋电子学界面多铁氧体结构--通往自旋电子学器件电压信息写入技术的新途径--

2022年5月20日 领域:自然科学类关键词:复铁、自旋电子学、自旋器件、SDGs 证实了世界最高性能的自旋电子学界面多铁氧体结构--通往自旋电子学器件电压信息写入技术的新途径-- 【研究成果要点】 在强磁性体(磁铁)※1和压电体※2的结构(界面多铁氧体结构※3 )中，实现了自旋电子学界面多铁氧体材料的世界最高性能。 证实了施加电场引起的磁化方向的重复开关。 提出了作为包括作为非易失性存储器被期待的STT-MRAM※4在内的所有自旋电子学器件※5中的低功耗磁化控制技术被期待的"新的电压信息写入技术"的可能性。

概要 大阪大学研究生院基础工程研究科藤井竣平(当时研究生院博士前期课程)、宇佐见乔政特任研究员、滨屋宏平教授、该大学研究生院工程研究科白土优副教授、东京工业大学物质理工学院的合田义弘副教授等人的联合研究小组，为自旋电子学器件中的新的电压信息写入技术，开发了高性能的自旋电子学界面多铁氧体结构，实现了世界最高水平的性能指标(磁耦合系数※6 )，同时证实了外加电场对非易失性存储器状态的重复开关。

作为新一代半导体非易失性存储器备受瞩目的STT-MRAM等自旋电子学存储器设备，由于在写入信息时施加了电流，因此写入时的能量消耗大成为了课题。 因此，作为低功耗写入方式，各种电场施加方式※7的技术开发正在进行中。其中，最近，如图1(a )所示的利用由强磁性体(磁铁)和压电体这两层构成的界面复铁结构的电场施加方式备受关注。 这是通过使压电应变向强磁性体传播来控制强磁性体的磁化方向的方法。

图1. (a )界面多铁结构和通过施加电场控制磁化方向示意图。 ( b )界面多铁结构中性能指标(磁耦合系数)的现状。

为了在新一代自旋电子学器件中应用于低功耗信息写入技术，开发能够以更小的电压控制磁化方向的界面多铁氧体材料很重要，在世界各地进行着材料开发。 界面多铁氧体材料的性能指标称为磁电耦合系数。 该值越大，意味着在小电场中会出现大的磁化变化，为了实用化，需要超过10^-5s/m。 但是，迄今为止，作为强磁性体，使用自旋极化率※8高的物质时，磁耦合系数停留在不到10^-5 s/m，很难越过该壁。

在本研究中，作为强磁性体，作为具有高自旋极化率而公知的Co系惠斯勒合金磁铁※9的一种即Co2 FeSi、和作为具有高压电性能的压电体的一种即Pb(Mg1/3 Nb 2/3) O3 -PbTiO3(PMN-PT)的高质量界面复铁结构，在世界上首次证实了作为实用化壁垒存在的10^-5s/m台的磁耦合系数[图1(b ) ]。 并且，证实了通过施加电场进行的非易失性存储器状态的反复开关(图2 )。 随着近年来IoT技术·ai技术的日益发展，可以预想半导体元件的耗电量会急剧增加。 本成果表明了“新的电压信息写入技术”的可能性，因为期待作为非易失性存储元件的包括被期待的MRAM在内的所有自旋电子学元件的低功耗的磁化方向控制技术。 本研究成果的相关信息将刊登在英国科学杂志Nature系的专业杂志《NPG Asia Materials》(在线: 5月20日)上。

图2 .通过施加电场控制磁化方向(状态)的情况。 当电场e的符号反转时，磁化方向发生变化。 另外，在零电场( E = 0)状态下，能够保持高磁化状态和低磁化状态这两种状态.。

研究背景与研究成果 在使磁铁的磁化方向( n极和s极)与信息的“1”和“0”对应的磁存储器中，由于能够非易失性地记录信息，所以硬盘驱动器( HDD )※10等大容量存储器被用于世界上的数据中心等 作为将该磁铁的非易失性存储器功能应用于电子器件的“自旋电子学器件”的代表例，MRAM以国内外的研究机构为首，全世界的半导体制造商都在积极地进行研究开发。 这里，作为MRAM的存储元件使用的磁隧道结元件※11中，为了在信息写入时切换磁铁的磁化方向，要求在元件上施加大电流。 其结果，基于电流施加的信息写入方式伴随着焦耳发热引起的能量损失，功耗大成为课题 。 因此近年来作为低功耗写入方式，正在进行各种电场施加方式的技术开发，但最近如图1(a )所示的利用由强磁性体(磁铁)和压电体这两层构成的界面多铁氧体结构的方式备受关注。 这是通过使压电应变向强磁性体传播来控制强磁性体的磁化方向的方法。 与其他方法相比，该界面多铁氧体结构在器件应用上具有许多优点，因为材料组合丰富，可以在包括室温在内的广泛温度下工作。 迄今为止，在界面多铁结构研究领域中，为了有效的磁化控制，使作为其性能指标的磁耦合系数提高到10^-5 s/m台 ，进行了很多使用不适用于自旋电子学器件的“磁致伸缩材料※12”的研究。 但是，还没有达到使用应用上重要的“自旋电子学器件用磁铁”的高性能实证。 本联合研究组着眼于作为自旋电子学器件用的磁铁而具有重要指标的“高自旋极化率”的Co系惠斯勒合金磁铁的一种Co2FeSi，与具有高压电性能的压电体PMN-PT相组合，开发出高品质的界面多相位合金磁铁。 结果表明，如图1(b )所示，在使用自旋电子学用磁铁的原理实证中，界面多铁氧体结构的性能指标(磁耦合系数)将达到世界最高值1.8 × 10^-5 s/m。 这是迄今为止最高值的2倍以上的值。 此外，还证实了通过施加电场进行的非易失性存储器状态的反复开关(图2 )。 本研究成果对社会的影响(本研究成果的意义) 在作为使用磁铁的非易失性存储元件而备受期待的包括STT-MRAM在内的所有自旋电子学器件中，控制磁化方向相当于信息的写入。 在现行的电流施加方式中，需要约0.1 pJ/bit的写入电力，但在电场施加方式中，期待能够以比其低3位的约0.1 fJ/bit的超低消耗电力进行写入。 此次开发的技术，展示了自旋电子学器件“新的电压信息写入技术”的可能性，期待着它有可能成为使用界面多铁氧体材料的新型MRAM和非易失性逻辑器件。 今后，计划以与新一代高集成、低功耗半导体器件的融合等为视野，进行研究。 特别记载事项 有关本研究成果的信息将刊登在英国科学杂志Nature系的专业杂志《NPG Asia Materials》(在线: 5月20日)上。 标题: giant converse magneto electric effect in a multiferroic hetero structure withpolycrystalline CO2 fesi 作者姓名: Shumpei Fujii，Takamasa Usami，Yu Shiratsuchi，Adam M. Kerrigan，Amran Mahfudh Yatmeidhy，Shinya Yamada，Takeshi Kanashima Vlado K. Lazarov，Tamio Oguchi，YoshihiroGohda，and Kohei Hamaya DOI : 10.1038/s41427-022-00389-1 杂志: NPG Asia材料14，43 ( 2022 )。 本研究是在以下事业的支持下进行的。 科学技术振兴机构( JST )战略创造研究推进事业团队型研究CREST [格兰特号JPMJCR18J1] 研究领域"融合实验和理论计算数据科学的材料开发创新. "(研究总结:东京工业大学荣誉教授细野秀雄/元素战略研究中心组长) 研究课题“界面多铁蛋白材料的创制” (研究代表:谷山智康名古屋大学研究生院理学研究科教授) 用语说明 ※1强磁性体(磁铁) 物质中原子的磁矩在同一方向对齐的状态称为强磁性状态，该物质称为强磁性体。 指磁铁。 ※2压电体 施加外场时构成物质的原子和离子的相对位置发生变化，表面产生正电荷(极化)的现象称为压电效应。 另一方面，通过施加电场改变物质的形状称为逆压电效应。 这些现象明显出现的物质称为压电体。 压电体使机械变化和电变化相互变化。因为可以更换，所以被用于振动传感器、压力传感器、驱动器等。 ※3界面多铁氧结构 由强磁性体和压电体或强电介质(压电体中，也是自发产生极化，其自发极化可通过电场反转的物质)的双层结构构成，能够通过电场控制磁性状态。 ※4 STT-MRAM 磁阻随机存取存储器( MRAM )的一种。 MRAM是即使关闭电源也保持信息的非易失性存储器。 由于具有高速动作、高写入耐性等，因此被期待作为下一代的随机存取存储器。 特别是利用自旋转移转矩( STT )现象，通过电流引起磁化反转，进行信息写入的MRAM称为STT-MRAM。 ※5自旋电子学器件 在利用电子电气性质(电荷)的电子器件中，也活用电子的磁性性质(自旋)，由此将以开发低功耗器件为目标的研究领域称为自旋电子学，将利用自旋电子学技术的新功能器件称为自旋电子学器件。※6磁耦合系数 用作界面多铁氧体材料的性能指标的值，使用对施加的电场( e )调制的磁化( m )的值，用μ0(dM/dE )表示。 这里，μ0是真空的磁导率。 该值越大，意味着是能够有效地通过电场控制磁性的材料。 ※7电场施加方式 是指通过施加电场来调制磁化方向的方法。 该方式不会产生伴随通电的焦耳损失，因此被期待作为能量消耗少的新型磁化控制技术。 除了积极利用应变效应的界面多铁结构外，还研究了通过对超薄膜金属强磁性体/电介质界面施加电场来调制界面磁各向异性(使磁化朝向特定方向的性质)，从而控制磁化方向的方法。 ※8自旋极化率 有助于物质导电的电子自旋采取向上和向下两种状态。 自旋极化率由该向上自旋数和向下自旋数之差定义，自旋极化率为1的材料被称为半金属。 是自旋电子学器件高性能工作的重要指标。 ※9惠斯勒合金磁铁 是一种有序排列的有序合金磁体，由德国惠斯勒发现。 根据其构成元素和规则性，发现了表现出各种特性的物质。 特别是Co2FeSi等Co类惠斯勒合金磁铁，理论上可以预想到完全自旋极化的半金属状态，作为高性能的自旋电子学材料受到关注。 ※10硬盘驱动器(硬盘) 是指以强磁性体为记录介质，通过移动磁头来读写信息的大容量磁存储器设备。 硬盘具有大容量、低成本、非易失性的优点，在数据中心被用作主存储设备。 ※11磁隧道结元件 由铁磁性层/绝缘层/铁磁性层三层构成的结构称为磁隧道结。 在这种结构中，根据两个磁性层的磁化配置是平行还是反平行，出现元件的电阻变化很大的“隧道磁阻效应”。 该效果被用于HDD的读取头和MRAM的记录单元等。 ※12磁致伸缩材料 通过施加磁场使形状发生较大变化的效果称为磁致伸缩效果，相反，通过改变形状使磁化调制的效果称为逆磁致伸缩效果。 具有这种性质的材料称为磁致伸缩材料。 磁致伸缩材料被应用于超声波振子等。