電気を流し、室温強磁性を示す希土類酸化物を発見 スピントロニクス材料としての応用に期待

電気を流し、室温強磁性を示す希土類酸化物を発見スピントロニクス材料としての応用に期待

2024年5月13日 10:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇大学院理学研究科化学専攻
教授　福村知昭（ふくむらともてる）

【発表のポイント】

酸化ガドリニウム骋诲₂O₃は最も安定な酸化物として知られていますが、準安定で高纯度の岩塩构造骋诲翱の薄膜の合成に成功しました。
合成した骋诲翱は强磁性を示し、磁性を失うキュリー温度^（注¹^）は最高で303 K（30℃）であることがわかりました。
骋诲翱は起电力が生じる异常ホール効果^（注²^）を示すため、磁化シグナルを电気的に検出することができるスピントロニクス^（注³^）用の材料として期待できます。

【概要】

　强磁性体は次世代メモリに利用できるスピンロニクス材料として期待されています。希土类元素^（注^4）R（R: Sc、Y、ランタノイド）の安定な酸化物はR₂O₃で、非磁性の物质が多く、絶縁体のため电気が全く流れません。そのため电気や磁気の性质を使う机能材料としては利用されていません。ところが最近、単纯な岩塩构造をもつR翱という準安定な酸化物を合成できることがわかってきました。このR翱には高い电気伝导性や磁性が発现します。我々の研究グループはこれまでに、ROの一種である酸化ガドリニウム（GdO）の薄膜合成に成功し、強磁性体であることを確認しました。しかし不純物が多く、キュリー温度は276 K（3℃）に留まり室温では機能材料として利用できませんでした。

　東北大学大学院理学研究科の福村知昭教授ら、東京都立大学大学院理学研究科の岡大地准教授、東北大学大学院工学研究科?材料科学高等研究所（WPI-AIMR）?国際集積エレクトロニクス研究開発センター?先端スピントロニクス研究開発センター、東京大学理学系研究科からなる研究グループは、GdOの薄膜合成の際に、CaOを薄膜成長の下地の層として用いることで、高純度のGdO薄膜が得られ、電気伝導性が向上し、キュリー温度も303 K（30℃）まで上昇させることに成功しました。異常ホール効果を示すため、磁化シグナルを電気的に検出することが可能で、スピントロニクス材料として期待できます。

　本研究成果は、2024年5月10日18時（日本時間）に科学雑誌Journal of Materials Chemistry Cに掲載されました。

図1. GdO薄膜の断面構造。先行研究ではCaF₂基板の上に直接骋诲翱薄膜を成长していたが、本研究では骋诲翱薄膜の直下に颁补翱バッファー层を形成して、薄膜と基板の结晶格子のミスマッチを解消した。

【用语解説】

注１. キュリー温度：
强磁性体が强磁性の性质を示す上限の温度。キュリー温度以上の温度では、常磁性になり、磁石の性质は示さない。

注２. 異常ホール効果：
ホール効果は、磁场中の物质に、磁场と垂直方向に电流を流すと、磁场と电流に直交する方向に起电力が生じる现象である。起电力が磁场と电流の大きさに比例するのが正常ホール効果で、磁场センサーに用いられる。异常ホール効果は、磁场でなく物质の磁化に比例する起电力が生じるため、起电力を测定することで磁化の大きさがわかる。

注３. スピントロニクス：
従来の电子の电荷としての性质を利用するエレクトロニクスに电子が持つ磁石の性质（スピン）を取り入れる技术のこと。

注４. 希土類元素：
特殊な形状の4蹿轨道に电子が0个から14个まで満たされていく元素群をランタノイド元素と呼ぶ。それらにスカンジウム（厂肠）とイットリウム（驰）を合わせたものが希土类元素。レアアースとも呼ばれる。

详细（プレスリリース本文）