菊池  大介

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菊池,  大介

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磁性三層構造におけるスピン流生成と界面スピン交換相互作用に関する研究

博士学位論文の要旨及び審査結果の要旨 (Summary of Thesis(DR))othe

菊池, 大介

Tohoku University Repository (TOUR) / 東北大学機関リポジトリ

磁性三層構造におけるスピン流生成と界面スピン交換相互作用に関する研究著者 菊池 大介号 70学位授与機関 Tohoku University学位授与番号 理博第2945号URL http://hdl.handle.net/10097/64225論 文 内 容 要 旨(NO．1) 氏  名 菊池 大介 提出年 平成 27 年 学位論文の題   目磁性三層構造におけるスピン流生成と界面スピン交換相互作用に関する研究論 文 目 次第 1 章 研究の背景と目的 5 1.1 諸言. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5 1.2 本論文の構成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 1.3 本研究の背景、目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1.3.1 スピンゼーベック効果の増大. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1.3.2 常磁性金属/非磁性磁性絶縁体/磁性絶縁体三層構造でのスピン流現象. . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4 スピン流の物理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 1.4.1 スピン流の定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4.2 伝導電子スピン流. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 1.4.3 スピン波スピン流. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 1.4.4 スピン拡散方程式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4.5 常磁性体/磁性体二層構造におけるスピン流. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.4.6 スピンホール効果と逆スピンホール効果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.5 スピン流によって誘起される現象. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 18 1.5.1 スピンゼーベック効果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 18 1.5.2 スピンホール磁気抵抗効果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.5.3 スピンポンピング. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.6 イットリウム鉄ガーネットの基礎物性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 第 2 章 実験方法 25 2.1 試料設計・作製方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.1.1 マグネトロンスパッタによる金属薄膜の製膜. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 25 2.1.2 単結晶 YIG の作製. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25                                      (NO．2) 2.1.3 原子層堆積（Atomic Layer Deposition：ALD）法による Al2O3 薄膜の作製. . . . . .. . . . 26  2.2 実験系の設計と測定方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27  2.2.1 スピンゼーベック効果（Spin Seebeck effect：SSE) の測定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27  2.2.2 スピンホール磁気抵抗効果（Spin-Hall magnetoresistance：SMR) の測定. . . . . . . . . . . . 27  2.2.3 スピンポンピングによる逆スピンホール効果の測定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27  2.2.4 X 線磁気円二色性（X-ray magnetic circular dichroism：XMCD） 測定. . . . . . . . . . . . . . 28   第 3 章 磁性三層構造におけるスピンゼーベック効果の増大                                   31 3.1 常磁性金属/強磁性金属/磁性絶縁体におけるスピンゼーベック効果の増大. . . . . . . . . . . . . . . .32  3.2 実験設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33  3.3 Pt/BiYIG におけるスピンゼーベック効果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34  3.3.1 Pt/Fe70Cu30/BiYIG におけるスピンゼーベック効果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 34  3.3.2 Pt/Fe70Cu30/BiYIG におけるスピンゼーベック効果の Fe70Cu30 膜厚依存性. . . . . . . . .. . 35  3.3.3 Pt/Fe70Cu30/BiYIG におけるスピンゼーベック効果の増大. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 38  3.4 本章のまとめ. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 40   第 4 章 Pt/ Al2O3/YIG 構造におけるスピン流現象                     43 4.1 ALD 法による Al2O3試料の評価. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44  4.2 Pt/ Al2O3/YIG におけるスピンゼーベック効果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47  4.3 Pt/ Al2O3/YIG におけるスピンポンピング誘起逆スピンホール効果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50  4.4 Pt/ Al2O3/YIG におけるスピンホール磁気抵抗効果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54  4.5 Al2O3挿入による減衰定数のまとめ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57  4.6 Pt/ Al2O3/YIG における Pt 層への磁気近接効果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59  4.6.1 Pt/ Al2O3/YIG 試料の作製・評価. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  60  4.6.2 Pt/ Al2O3/YIG 試料を用いた XAS 測定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60  4.6.3 Pt/ Al2O3/YIG 試料を用いた ESM 測定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61  4.7 磁気近接効果とスピン流起源現象の比較. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62  4.8 本章のまとめ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62   第 5 章 結論                                                                             67  参考文献                                                                                 69  謝辞                                                                                     73  出版物と学会発表                                                                         75   (NO．3) 電子は「電荷」「スピン」「軌道」の3 つの自由度を有している。エレクトロニクスではこの自由度のうち「電荷」の自由度を利用して発展を遂げてきた。近年、「電荷」の自由度に加え「スピン」の自由度も利用することでエレクトロニクスの更なる発展を目指す研究が盛んに行われている。この分野がスピントロニクスである。スピントロニクスではスピン角運動量の流れである「スピン流」が重要な役割を果たし、スピン流を制御することが重要な課題の一つとなっている。 本論文では、スピンゼーベック効果、スピンポンピング、スピンホール磁気抵抗効果という3つのスピン流に由来する現象に着目している。これら現象は常磁性金属/磁性絶縁体の二層構造において発現し、常磁性金属/磁性絶縁体界面のスピン交換相互作用が本質的な役割を果たしている。本論文では常磁性体金属/磁性絶縁体の二層構造を三層構造に拡張することで、常磁性体金属/磁性絶縁体界面を制御し、スピン交換相互作用によるスピン流の注入を制御することを目的とした。具体的には常磁性金属/磁性絶縁体に中間層として極薄の強磁性体および非磁性絶縁体を挿入し、スピン流に由来する現象を測定することで、常磁性金属/磁性絶縁体界面とスピン交換相互作用の関係を解明することとした。 本論文は以下の通りに構成される。第1章では、本研究の背景・目的を述べ、研究の遂行にあたり必要となるスピン流の概念およびスピン流によって発現する現象の概説を行った。第2章では、本研究で用いた試料の作製方法を述べ、各種スピン流を起源とする現象の実験方法を概説した。第3章では、強磁性金属を常磁性金属/磁性絶縁体界面に挿入し、スピン注入効率の増大を目指している。結果、スピンゼーベック効果の信号が、常磁性金属/強磁性金属/磁性絶縁体三層構造では常磁性金属/磁性絶縁体二層構造に比べ増大することが分かった。この増大は、磁性絶縁体層から常磁性層に注入されるスピン流の注入効率が挿入された強磁性体によって改善されることに起因している。第4章では、非磁性絶縁体を常磁性金属/磁性絶縁体界面に挿入し、スピン注入効率の抑制を目指している。常磁性金属/非磁性絶縁体/磁性絶縁体の三層構造では、スピンゼーベック効果、スピンポンピング、スピンホール磁気抵抗効果の出力信号が/非磁性絶縁体の膜厚に対して指数関数的に減衰することが分かった。また、同構造を用いて元素選択的磁化測定を行い、常磁性金属/磁性絶縁体で常磁性金属層に誘起される磁化とスピンゼーベック効果等のスピン流現象との関連を議論した。第5章では本研究の結論をまとめた。本研究で得られた成果は以下の点にまとめられる。 1. Pt/Fe70Cu30/BiY2Fe5O12三層構造では、Pt/ BiY2Fe5O12二層構造に比べ、スピンゼーベック効果の出力が増大することを示した。これはFe70Cu30層を挿入することで、界面の磁気モーメントが増大したことに起因する。この増大はFe70Cu30層の膜厚が薄い場合のみ生じることが明らかになった。これはBiY2Fe5O12層からPt層に注入されるスピン流がFe70Cu30層で拡散されることに依るものである。2. Pt/Al2O3/Y3Fe5O12三層構造では、スピンゼーベック効果、スピンポンピング、スピンホール磁気(NO．4) 抵抗効果の出力信号がAl2O3層の膜厚の増大につれて指数関数的に減衰することを示した。また各現象での減衰定数は同程度の値をとった。 3. X線を用いた元素選択的磁化測定の結果、Pt/Y3Fe5O12二層構造およびPt/Al2O3/Y3Fe5O12三層構造ではPt層に非常に小さい磁化が誘起されていることが分かった。Al2O3層挿入によるスピンゼーベック効果、スピンポンピング、スピンホール磁気抵抗効果の減衰長とPt層に誘起される磁化の減衰長とでは大きく異なることが示された。本論文により明らかになったスピン界面交換相互作用に関する知見は、スピンゼーベック効果、スピンポンピング、スピンホール磁気抵抗効果といった今後更なる発展が期待されるスピンロトニクスの基幹技術の本質的な理解を促進させるものと期待される。                                      論文審査の結果の要旨  物質中の電子スピン角運動量の流れをスピン流と呼ぶ。スピン流の生成・利用法の開発は、スピントロニクスの学理の進展を牽引してきた。スピン流を用いることで、ナノ領域での磁性制御や情報の読み取りが可能になっており、情報デバイスやエネルギー変換素子への応用も始まっている。スピン流を生成・検出するための基本素子構造として、磁性絶縁体/金属二重膜構造が広く利用されている。この構造を用いることで、同一素子中でスピンゼーベック効果、スピンポンピング効果、スピンホール効果によってスピン流を生成し、このスピン流を金属層の逆スピンホール効果を介して検出する実験を行うことができる。素子構造を変えずに多様な実験を行えることから様々な実験が行われてきたが、スピン流生成を担う磁性絶縁体/金属 界面におけるスピン角運動量変換過程を調べる実験は殆ど行われてこなかった。 本研究は、中間層を挿入することで磁性絶縁体/金属界面を修飾し、この界面でのスピン角運動量変換過程を詳しく調査することを目的に行われた。その結果、磁性を持つ極薄金属膜を挿入した場合、スピン角運動量変換効率が向上することを見出した。この結果は、磁性絶縁体/金属界面におけるスピン角運動量変換が界面の磁性イオンの密度と関連することを予言した理論計算と良く整合する。また、界面に極薄の絶縁体膜を挿入した場合、スピンゼーベック効果、スピンポンピング効果、スピンホール効果が類似の絶縁体膜厚依存性を示し、これらの現象が同じ界面スピン変換機構に支配されていることを示した。 本論文は全５章から構成される。第１章では、本研究の背景と目的を述べた後、スピン流やそれに付随する物理現象について概説している。第２章では、実験に用いた試料の作製方法や、スピンゼーベック効果、スピンポンピング効果、スピンホール効果の測定方法について述べている。第３章では、常磁性金属/強磁性金属/磁性絶縁体三層構造におけるスピンゼーベック効果の測定結果を報告している。強磁性金属中間層の膜厚に対するスピンゼーベック効果の依存性を系統的に測定し、最適膜厚の中間層を挿入することによりスピン角運動量変換効率が大きく向上することを見出した。第４章では、常磁性金属/非磁性絶縁体/磁性絶縁体三層構造におけるスピンゼーベック効果、スピンポンピング効果、スピンホール効果の測定結果を報告し、これらの現象が非磁性絶縁体中間層の膜厚増加に対して類似の減衰を示すことを明らかにした。この減衰を特徴付ける長さスケールについて考察し、上記スピン流現象の実験で観測されている信号は、常磁性金属層における磁気的近接効果とは無関係であることを示した。第５章では、本研究の結論がまとめられている。 菊池大介提出の論文は、磁性絶縁体/金属界面でのスピン角運動量変換過程に対して系統的にアプローチしたものであり、スピン流の基礎学理のみならず、スピン流デバイスの性能向上にも寄与するものと評価できる。この成果は、提出者の菊池大介が学識と自立して研究する能力があることを示すと判定される。よって、博士（理学）の学位論文として合格と認める。  

Tohoku University博士(理学)博士学位論文 (Thesis(doctor))doctoral thesi

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