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
2021-07-07 東京大学,東北大学,科学技術振興機構
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パーセント）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デバイスの実現に新たな道を開くことが期待できます。
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、さまざま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ー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の低い固溶度のため相分離してしまうなどの理由で、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。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、全てのＦｅ原子が最大に近い５ボーア磁子（５μＢ）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パーセント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。
本研究成果は、２０２１年７月７日（英国夏時間）に科学誌「Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」に掲載されます。
本研究は、科学研究費補助金、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「強磁性半導体を用いたトポロジカル超伝導状態の実現」（ＪＰＭＪＰＲ１９ＬＢ）およびＣＲＥＳＴ「強磁性量子ヘテロ構造による物性機能の創出と不揮発・低消費電力スピンデバイスへの応用」（ＪＰＭＪＣＲ１７７７）、スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク（Ｓｐｉｎ－ＲＮＪ）の支援を受けて行われました。
＜論文タイトル＞
- “Ferromagnetism and giant magnetoresistance in zinc-blende FeAs monolayers embedded in semiconductor structures”
- ＤＯＩ：10.1038/s41467-021-24190-w
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
Ｌｅ Ｄｕｃ Ａｎｈ（レ デゥック アイン）
東京大学 大学院工学系研究科 附属総合研究機構／電気系工学専攻 助教
田中 雅明（タナカ マサアキ）
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 センター長／電気系工学専攻 教授
新屋 ひかり（シンヤ ヒカリ）
東北大学電気通信研究所 助教
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
嶋林 ゆう子（シマバヤシ ユウコ）
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
＜報道担当＞
科学技術振興機構 広報課
