デバイス界面の磁気特性に作製プロセスが影響、神戸大が明らかに：理論計算とスパコンを活用

神戸大学の研究グループは、2次元層状物質を用いたトンネル磁気抵抗素子の磁気特性が、デバイス界面を作製する方法によって変わることを発見した。「今後、本研究で発見された知見は、2次元層状物質を用いたスピントロニクスデバイス作製プロセスへの応用が期待される」としている。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

グラフェンの炭素原子と基板の鉄原子における結合の強さが影響

　神戸大学大学院工学研究科の松本尚弥氏（博士前期課程）と植本光治助教、小野倫也教授の研究グループは2025年9月、2次元層状物質を用いたトンネル磁気抵抗素子の磁気特性が、デバイス界面を作製する方法によって変わることを発見したと発表した。研究グループは「今後、本研究で発見された知見は、2次元層状物質を用いたスピントロニクスデバイス作製プロセスへの応用が期待される」としている。

　トンネル磁気抵抗素子は、2つの強磁性金属で絶縁性の材料をトンネル層として挟んだ構造となっている。強磁性金属のスピンの向きを平行／反平行に切り替えれば、トンネル層を透過する電流のオン／オフを制御できる。このトンネル層に向けた材料として注目されているのが、グラフェンなど平たん性に優れたシート状の2次元層状物質だ。

　一方で課題もあった。接合界面を作製する工程で生じる強磁性金属表面の酸化や、2次元層状物質の劣化などである。こうした課題を解決するため、いくつかの界面作製プロセスが提案されているという。

　そこで研究グループは、量子工学に基づく理論計算とスパコンを活用して、作製プロセスに由来する界面原子構造と磁気特性の関係性を調べた。具体的には、NiFe強磁性合金とグラフェンが吸着したモデルを用い、グラフェンの吸着位置や、NiFe強磁性合金基板および表面の構成比を変えながら検証した。

　この結果、グラフェンは表面金属原子の直上に炭素原子が位置する構造を取ることが分かった。また、NiFe強磁性合金基板の鉄原子とニッケル原子の組成比に関わらず、基板表面層に鉄原子が多いと、大きな吸着エネルギーを示すことが判明した。これは、表面の鉄原子のd軌道とグラフェンの炭素原子のp軌道が混成軌道を構成し、ファンデルワールス相互作用より強い結合が発現したためだという。

　これらの状況から「グラフェン上にNiFe強磁性合金を蒸着するプロセス」では、鉄原子の多い層がグラフェン上に形成され、その上にNiFe強磁性合金層が形成されることが分かった。

　次に、グラフェンが転写される前のNiFe強磁性合金基板の表面元素組成を調べた。これによると、NiFe強磁性合金基板の元素構成比に関わらず、ニッケル原子が多い表面が現れやすいことが分かった。このことから、「グラフェンを転写するプロセス」では、グラフェンとNiFe強磁性合金基板の間の基板表面層はニッケル原子が多くなると予想した。

左はNiFe強磁性合金（111）面にグラフェンが吸着した計算モデル、右はグラフェンの吸着サイト［クリックで拡大］ 出所：神戸大学

左は表面元素組成比と吸着エネルギーの関係。右は表面元素組成比と表面形成エネルギーの関係［クリックで拡大］ 出所：神戸大学

　さらに、接合界面の磁気特性を調べた。この結果、基板表面層において鉄原子の割合が高いほど、磁気モーメントは大きいことが分かった。これらのことから、界面を作製するプロセスによって、界面遷移層の磁気モーメントが制御できることを明らかにした。