[論文レビュー] Spinel ferrites: old materials bring new opportunities for spintronics

Ulrike Lueders, A. Barthélémy+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2005

Chemical and Physical Properties of Materials参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ペロブスカイト基板上に成長した超薄膜エpitaxial NiFe2O4 spinelフェリット膜が、バルクNiFe2O4の2倍以上の飽和磁化を示し、抵抗率が数個のオーダーで調整可能であるなど、顕著に向上した磁気的および電気的特性を示すことを実証している。これにより、スピントロニクス素子において導電電極またはスピンフィルタリング絶縁バリアとしての応用が可能となり、単一の機能材料系を用いたモノリシックスピントロニクスアーキテクチャの実現が可能となる。

ABSTRACT

Over the past few years, intensive studies of ultrathin epitaxial films of perovskite oxides have often revealed exciting properties like giant magnetoresistive tunnelling and electric field effects. Spinel oxides appear as even more versatile due to their more complex structure and the resulting many degrees of freedom. Here we show that the epitaxial growth of nanometric NiFe2O4 films onto perovskite substrates allows the stabilization of novel ferrite phases with properties dramatically differing from bulk ones. Indeed, NiFe2O4 films few nanometres thick have a saturation magnetization at least twice that of the bulk compound and their resistivity can be tuned by orders of magnitude, depending on the growth conditions. By integrating such thin NiFe2O4 layers into spin-dependent tunnelling heterostructures, we demonstrate that this versatile material can be useful for spintronics, either as a conductive electrode in magnetic tunnel junctions or as a spin-filtering insulating barrier in the little explored type of tunnel junction called spin-filter. Our findings are thus opening the way for the realisation of monolithic spintronics architectures integrating several layers of a single material, where the layers are functionalised in a controlled manner.

研究の動機と目的

• スピンペロブスカイトフェリット、特にNiFe2O4が、高度なスピントロニクス素子用の機能材料としての可能性を調査すること。
• スピンペロブスカイト酸化物の構造的および電子的多様性を活用することで、従来の材料の限界を克服すること。
• ペロブスカイト基板上にナノスケールのNiFe2O4膜をエピタキシャル成長させることで、優れた特性を示す新相を安定化できることを実証すること。
• NiFe2O4をスピン依存トンネルヘテロ構造に統合し、実用的なスピントロニクス応用を実現すること。
• 機能的チューナブルな層を有する単一材料系を用いてモノリシックスピントロニクスアーキテクチャを実現すること。

提案手法

• パulsed laser deposition や分子線エピタキシーを用いて、単結晶ペロブスカイト基板上に数ナノメートルの厚さのエピタキシャルNiFe2O4膜を成長させること。
• 酸素圧および基板温度の精密な調整により、膜の特性を制御すること。
• 構造的・磁気的・電気的特性を分析するため、in situおよびex situの分析技術（例：XRD、SQUID磁化測定、輸送測定）を用いること。
• 磁気トンネル接合（MTJ）ヘテロ構造にNiFe2O4層を統合し、導電電極またはスピンフィルタリングバリアとしての性能を評価すること。
• 磁気抵抗およびトンネル電導度を測定し、スピン依存輸送挙動を評価すること。
• 膜の特性をバルクNiFe2O4と比較することで、強化効果を定量すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペロブスカイト基板上にエピタキシャル成長された超薄膜NiFe2O4膜が、磁気的および電気的特性が向上した新相を安定化させることができるか？
• RQ2 成長条件の調整により、NiFe2O4膜の飽和磁化および抵抗率をどの程度向上・調整できるか？
• RQ3 NiFe2O4が磁気トンネル接合において効果的にスピンフィルタリング絶縁バリアとして機能できるか？
• RQ4 同様の材料（例：NiFe2O4）の複数の機能化層を用いてモノリシックスピントロニクス素子を実現することは可能か？
• RQ5 エピタキシャルNiFe2O4膜の磁化および抵抗率は、バルクNiFe2O4と比較してどの程度異なるか？

主な発見

• 超薄膜エピタキシャルNiFe2O4膜は、バルクNiFe2O4の2倍以上の飽和磁化を示し、磁気的特性の顕著な向上を示している。
• 成長条件に応じて、NiFe2O4膜の抵抗率は2桁以上（2オーダー以上）の範囲で調整可能であり、精密な電気的制御が可能である。
• NiFe2O4膜は、磁気トンネル接合において導電電極として機能し、スピン依存トンネル効果を示している。
• 同じ材料が、新しいタイプのトンネル接合におけるスピンフィルタリング絶縁バリアとしても機能でき、機能的多様性が拡張されている。
• NiFe2O4をヘテロ構造に統合することで、同じ材料の複数層を制御された成長により機能的に異なる層として分離可能なモノリシックスピントロニクスアーキテクチャの実現が可能になった。
• 本結果は、特にNiFe2O4を含むスピンペロブスカイトフェリットが、チューナブルで強化された特性を有するため、次世代スピントロニクス素子の有望なプラットフォームを提供することを示している。