2024-10-23 九州大学
理学研究院 木村 崇 教授
ポイント
- スピンの性質を積極的に活用したデバイスが次世代ナノエレクトロニクスとして注目されている。それらのデバイスに革新をもたらす材料として二次元層状物質が期待を集めている。
- 室温で垂直磁気異方性を有する二次元層状強磁性体Fe₃GaTe₂薄膜に、圧力を加えることに成功。圧力により層状物質の隙間が縮まり、垂直磁気異方性が飛躍的に向上することを実証。
- Fe₃GaTe₂が持つ優れた磁気熱電特性や磁気伝導特性と組み合わせて、様々な環境下で利用可能な発電装置やスピンメモリデバイスへの実用化が期待。
概要
二次元層状物質＊1は、高い伝導性、柔軟性、透明性など、さまざまな魅力的な特性を持つため、多彩なアプリケーションが提案されており、特に次世代エレクトロニクスの新材料として大きな注目を集めています。近年、強磁性を示す二次元層状物質も発見され、「二次元磁石」として磁気記録やスピントロニクス＊2への応用が期待されています。特に、最近発見されたFe₃GaTe₂は、室温で磁性を維持し、磁気の向きが面に垂直な方向に向きやすい（垂直磁気異方性）ため、スピンメモリや熱電デバイス＊3への応用が期待されています。しかしながら、室温において、垂直磁気異方性の強度が不十分なため、磁場を印加しない状態では磁気の向きを垂直に保つことができませんでした。
本研究では、この二次元層状磁石に圧力を加えることで、垂直磁気異方性が著しく向上することを世界で初めて明らかにしました。九州大学大学院理学府博士課程3年の飯森陸氏と理学研究院の木村崇教授らの研究グループは、絶縁基板上に転写されたFe3GaTe3薄膜に微細電極を取り付けたホール効果測定素子を、独自に開発した微細圧力セル内に設置し、同薄膜の垂直磁気異方性が圧力によってどのように変化するかを評価しました。その結果、圧力の印加に伴い垂直磁気異方性が飛躍的に向上し、室温で磁場を加えない状態でも磁気の向きが垂直に保たれる（完全垂直磁化状態）ことを明らかにしました。
本成果は、スピントロニクスデバイスにおける課題であった垂直磁気異方性の増強に大きく貢献することが期待され、二次元層状磁石の可能性を大きく広げるものです。また、熱電デバイス応用においても、より高温領域での効率的な動作が可能となり、二次元層状物質への圧力の印加はさまざまなデバイスの性能向上に大きく寄与することが期待されます。
本成果は、2024年10月23日（現地時間）に英国Nature Publishing Groupの科学誌Communication Materialsのオンライン版に掲載されました。
研究者からひとこと
本結果は、二次元層状物質特有の隙間の存在に起因しており、従来金属や絶縁体では起こり得ない現象です。圧力が印加可能なデバイス実装技術が確立され、同物質の大面積薄膜作成技術および量産技術が確立されれば、各種スピンデバイスのエネルギー効率が飛躍的に向上し、今後のデジタル社会に大きく貢献することが期待されます。
圧力印加によるファンデルワールスギャップの変調と完全垂直磁化状態の実現
(a) 複数の微細電極を取り付けたホール効果測定デバイスの電子顕微鏡像 (b) 作成されたFe₃GaTe₂薄膜の断面透過電子顕微鏡像とX線回折パターン。(c) 圧力セルに内包されたFe₃GaTe₂薄膜ホール効果デバイスの概念図。(d)ホール抵抗曲線の圧力依存性。
用語解説
※1 二次元層状物質
厚さが単原子、または単分子レベルの二次元層内のみで、物質の性質をつかさどる強い原子間結合が形成された単原子、または単分子の二次元薄膜で構成される物質を二次元物質と呼び、そのようなファンデルワールス結合を介して積層した二次元物質を二次元層状物質と呼んでいます。
※2 スピントロニクス
電子が持つスピン角運動量の性質（強磁性、不揮発性、スピン依存伝導など）を積極的に用いて、低消費電力なエレクトロニクスの実現を目指す研究分野で、巨大磁気抵抗効果、トンネル磁気抵抗効果、スピン角運動量移行効果やスピンホール効果等を基軸にして構成されたスピン注入メモリなどが代表的なデバイスです。
※3 熱電デバイス
主に固体を用いて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換、または、その逆変換するデバイスを熱電デバイス、または熱電変換デバイスといいます。代表的な熱電効果として、温度差から起電力を発生するゼーベック効果や、電流から熱を発生するペルチェ効果が知られています。磁石では、スピンの向きに応じてゼーベック効果の大きさや符号が異なるスピン依存ゼーベック効果が現われ、更にスピン軌道相互作用が大きい物質中では、温度差と磁石の両方の向きに起電力が生じる異常ネルンスト効果が発現します。異常ネルンスト効果は、一種の横方向ゼーベック効果であるため、横型熱電変換とも言われています。
論文情報
掲載誌：Communication Materials
タイトル：Substantial enhancement of perpendicular magnetic anisotropy in van der Waals ferromagnetic Fe3GaTe2 film due to pressure application
著者名：Riku Iimori, Shaojie Hu, Akihiro Mitsuda, Takashi Kimura
DOI：10.1038/s43246-024-00665-3
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