東北大ら,磁気のない金属からナノ薄膜磁石を作製

東北大学,産業技術総合研究所(AIST)と共同で,新しいナノ薄膜磁石の開発に成功した(ニュースリリース)。

ナノ薄膜磁石を用いた素子の磁極の向きをビット情報とする不揮発性磁気メモリは,システム・オン・チップ等への応用が進んでおり,人工知能技術への展開も見据えて世界的な規模で研究開発が展開されている。

さらなる研究開発の方向性として超高集積MRAM(磁気抵抗ランダムアクセスメモリ:STT-MRAM)の開発が挙げられる。その技術的な課題の一つが,MRAMの情報記録の源である薄膜磁石の磁力の低減。高集積化が進むと,ナノ薄膜磁石の発する磁力によって素子同士に干渉が起き,誤動作することが予想される。これは,磁石を用いるというMRAMのデバイスコンセプトに直結する本質的な課題ともいえる。

現行のSTT-MRAMでは鉄を主成分とする材料が用いられており,その強い磁力を抑える様々な工夫が研究されている。これまで研究グループは,磁石としての性質を示しつつも強い磁力を発しない金属元素であるマンガンを成分とする材料の研究を進め,その優れた特性を実証するとともにナノ結晶薄膜を有する素子の開発にも成功した。

今回研究グループは,磁気のない磁石のような物質である反強磁性体を用いる手法を使った。反強磁性体に関する研究で,これをTMR素子に応用した報告例はあまりなかった。研究グループがこれまで主たる成分元素として用いてきたマンガンは,純元素単体の塊(バルク)では磁気のない反強磁性体あるいは常磁性体をとる。

今回の研究では,数原子層の純マンガンを規則合金(常磁性体)下地の上に真空スパッタリング法によって堆積し,酸化マグネシウムで挟み込んだ素子構造を作製した。この界面に挟み込まれたマンガン層は微弱な磁気を発するナノ薄膜磁石へと変化し,その磁気の強さは強磁性体である鉄の約1/70となることが分かった。

これは,マンガンが界面に挟み込まれることでフェリ磁性体に変化したことに起因すると考えられる。磁気が微弱であるにも関わらず,その素子は明瞭なTMR効果を室温で発現することが明らかとなった。また,マンガンナノ薄膜磁石の磁気を保持する力(垂直磁気異方性)は磁場に換算すると19テスラを超えるほどに大きいこと,またその磁気を保持する力が素子に電圧を加えることで制御できることを見出した。

この電圧印加による垂直磁気異方性の変調効果は,鉄などの強い磁気を示す物質で観測されこれまで多くの研究報告があるが,磁気をほとんど示さないマンガン金属単体で観測された例はなかったという。研究グループは,今回の研究がメモリの超高集積化を進めるために重要なナノ薄膜磁石材料の開発に新しい視点を与えるとしている。

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