铁硅化合物室温下电流感应磁化反转的实现—迈向不使用稀有资源的省电新一代磁存储器
1 .发表要点：
◆发现来自晶体内部电子状态拓扑的FeSi表面的传导状态·磁状态可以通过接合的非磁性绝缘体进行很大程度的控制。
◆磁化反转操作所需的电流值与其他物质相比也较小，有望应用于抑制贵金属资源的制约和环境负荷的同时省电的新一代磁存储器。 2 .发布概述： 通过同时利用电子所具有的电学性质(电荷)和磁性性质(自旋，注1 )来对磁铁状态进行电学操作的技术，作为促进现代电子学发展的要素备受瞩目。 其中，迄今为止，对能够对自旋状态进行电高效操作的物质的探索十分盛行，但现有的候选物质需要含有重元素，从材料的观点来看，在稀有性和毒性等方面存在问题。近年来发现其表面具有以电流诱导磁化反转(用电流反转磁化方向)为首的自旋电子学功能(注1 )，但该功能只能在120开尔文以下的低温下实现。 以东京大学研究生院工学系研究科的堀智洋研究生、金泽直也讲师、平山元昭特任副教授、理化学研究所创发物性科学研究中心的十仓好纪中心长等为中心的研究小组，与东北大学金属材料研究所的冢崎敦教授、藤原宏平准教授等研究小组共同，对FeSi所具有的拓扑表面状态( topologration stion ) 发现了通过接合各种绝缘体会受到很大调制，特别是通过接合氟化物绝缘体实现了室温下的电流感应磁化反转。 通过此次发现，明确了拓扑物性(注2 )和自旋电子学功能，即使是常见元素的化合物也可以在室温下实现。 期待应用于在抑制资源制约和环境负荷的同时，使电子设备的省电化和高功能化取得重大进展的新一代MRAM (注3 )。 3 .发表内容： <研究背景> 现代电子面临着半导体集成度的极限和信息处理的能量消耗量急剧增加等课题，不仅是微细化技术的提高，半导体器件的高性能化和赋予新功能也成为重要的开发战略。 其中，利用电子自旋自由度的自旋电子学的发展备受期待，物质器件的开拓正在积极研究。 作为通过电流实现高效率、省电的自旋操作的物质开拓方针，一直以来都是利用重元素所具有的强自旋轨道相互作用(注1 )。 另一方面，从材料的观点来看，这些重元素在稀有性和毒性等方面存在问题。 近年来发现，FeSi这种物质的结晶内部为非磁性绝缘体(不具有磁铁性质且不通电的状态)，而表面具有来自结晶内部电子状态拓扑(注2 )的金属强磁性状态(具有磁铁性质且通电的状态)。 另外，尽管不含重元素，但在其表面产生了强自旋轨道相互作用，表明实现了电流诱导磁化反转。 虽然作为只使用丰富元素的自旋电子学材料的可能性备受期待，但另一方面，由于磁转变温度(具有磁铁性质的温度)低至200开尔文左右，磁化反转只在极低的温度下实现。 <研究内容> 本研究为了在具有拓扑表面状态的FeSi中实现更高温下的强磁性及自旋电子学功能，如图1(a )所示，在Si基板上制作的FeSi薄膜上接合了各种非磁性绝缘体薄膜，调查了表面对电子状态的接近效果。 如图1(b )所示，发现FeSi具有的表面强磁性磁化被接合的绝缘体材料大幅调制，在Si接合中磁化几乎被抑制，另一方面，在氟化物接合中磁化的大小增大，磁转变温度也大幅超过室温。 氧化物结显示了这些中间性质。 另外，通过界面电子态的第一性原理计算还表明，这些邻近效应取决于FeSi表面电子和结的绝缘体材料之间电子态的混合程度。 并且，使用通过氟化物结使磁转移温度上升的FeSi，在室温下也成功地通过电流控制了磁化的方向。 图2是表示通过电流，FeSi表面的垂直磁化(表示磁铁强度和方向的量)上下反转的示意图和实验结果。 通过霍尔效应(注4 )检测磁化方向，发现通过流过阈值以上的大电流，可以反复反转磁化方向。 特别是还表明，不施加外部磁场也可以进行磁化反转。 此外，可以看出，反转其磁化方向所需的阈值，即使与室温下可以进行磁化反转的现有物质相比也非常小。 由此，有可能在室温下以更低的电力和低环境负荷实现例如以磁化方向记录信息的磁存储器(注3 )的电气控制。 <社会意义今后的打算> 由原子序数较小的轻元素构成的化合物中强自旋轨道相互作用的出现打破了以往的常识，成为运用拓扑概念设计自旋电子学物质的新范式。 此次，利用该物质实现了室温以上温度下的自旋电子学功能，在产业应用上也具有重大意义，扩大了实现环境负荷小、省电、高性能的新一代MRAM的可能性。 今后也希望提高和开拓自旋电子学功能，以应用于使用FeSi具有的拓扑表面状态的器件。 <研究支援> 本研究由科学技术振兴机构( JST )开创性的研究支持事业FOREST“为新一代计算元件创建技能百万物质基础(研究代表者:金泽直也)”( Grant No. JPMJFR2038 )、 该战略性创造研究推进事业PRESTO“电子材料系统中非原子轨道的物质设计(研究代表者:平山元昭)”( Grant No. JPMJPR21Q6)、该战略性创造研究推进事业CREST“使用纳米自旋结构的电子量子相位控制(研究代表者:永长直人)”( grant no ) 日本学术振兴会( JSPS )科学研究费补助金基础研究b“基于zak相位控制的表面状态设计和自旋电子学功能实现(研究代表者:金泽直也)”( Grant No. JP20H01859 )，该挑战性研究(萌芽)“手性晶体薄膜合成和手性自旋电子学开拓(研究代表人:金泽直也)”( No. JP22K18965 )的支持下进行。 ４．発表雑誌： 杂志名称:“Advanced Materials”(在线版: 12月20日)
论文标题: a noble-metal-free spin tronic system with proximity-enhanced ferromagnetic topological surface state of fesi above room temperom
作者: Tomohiro Hori，Naoya Kanazawa*，Motoaki Hirayama，Kohei Fujiwara，Atsushi Tsukazaki，Masakazu Ichikawa，masashi kawi
DOI编号: 10.1002/adma.202206801
URL:https://doi.org/10.1002/adma.202206801 主讲人: 堀智洋(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业博士课程)
金泽直也(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业讲师)
平山元昭(东京大学研究生院工学系研究科附属量子相电子学研究中心特任副教授/理化学研究所创发物性科学研究中心拓扑学材料设计研究单元组长)
藤原宏平(东北大学金属材料研究所副教授)
冢崎敦(东北大学金属材料研究所教授)
市川昌和(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业名誉教授)
川崎雅司(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业教授/理化学研究所创发物性科学研究中心副中心主任)
十仓好纪(理化学研究所创发物性科学研究中心主任/东京大学卓越教授(国际高等研究所东京学院) ) 5 .术语解说: (注1 )自旋、自旋轨道相互作用、自旋电子学
来自电子自转运动的角动量叫做自旋，相对于旋转轴的方向具有方向。 如果物质中的电子集团显示出相同的自旋方向，就会显示出磁铁的性质。 电子的动量和自旋之间的作用力称为自旋轨道相互作用，一般情况下，越重的原子表现为越大的效应。 将使用自旋的电子技术称为自旋电子学，利用自旋轨道相互作用的技术开发正在研究中。
(注2 )拓扑、拓扑表面状态、拓扑物性
拓扑是被称为位相几何学的数学之一，根据形状对于连续的变形是否发生变化来分类物体的形状。 当物质内部的电子状态具有用特殊拓扑表示的结构时，反映该结构的特征性状态出现在表面，表现出与物质内部不同的性质。 在此，将这种表面状态和性质分别称为拓扑表面状态和拓扑物性。
(注3 ) MRAM、磁存储器
MARM (磁随机存取存储器)是以磁化(磁铁)的方向为信息的比特的磁记录元件的一种，用作个人计算机和智能手机等设备的主存储器。 由于磁化方向无需从外部施加能量就能保存，因此是维持信息不需要电力的非易失性存储器的一种。 在MRAM中，利用基于电流的感应磁场控制磁化的方式和注入仅具有一定方向自旋的电流，通过传递角动量控制磁化的自旋注入方式等目前正在被广泛使用，但更小型、省电、高性能的新一代存储器的研究开发正在兴起。
(注4 )霍尔效应、霍尔电导率
电流方向因磁场等而向垂直方向弯曲的现象称为霍尔效应，表示向与电场垂直的方向弯曲的电流大小的量称为霍尔电导率。 特别是由磁化引起的霍尔效应称为异常霍尔效应，通常与垂直于电流的磁化大小成正比。 本研究利用异常霍尔效应，评价了磁化的大小和方向。 6 .附件:
图1各种非磁性绝缘体结调制FeSi的磁状态传导状态调制
( a )非磁性绝缘体薄膜和FeSi薄膜异质结结构的示意图； FeSi晶体内部为非磁性绝缘体，而在与接合层的界面上具有强磁性金属状态。 ( b )接合了各种绝缘体的FeSi中的每表面晶胞的磁化的温度依赖性。 与Si结和氧化物( MgO )结的情况相比，通过氟化物( BaF2，CaF2)结，磁化在室温以上也有所表现。
图2 BaF2结的FeSi在室温( 300开尔文)下的电流诱导磁化反转
( a，b )电流感应磁化反转的示意图( a )和实验结果( b )。 在像FeSi这样存在强自旋-轨道相互作用的表面，通过加载电流积蓄特定方向的自旋，通过角动量的交接发生磁化方向反转的现象。 本研究通过霍尔效应检测了磁化方向。 如图( b )所示，如果使电流脉冲的大小向正方向增加，则在外部磁场下，在阈值下可以观测到霍尔电阻率的值(磁化方向)从正(垂直向上)向负(垂直向下)变化的情况。 当电流方向相反(负)时，霍尔电阻率的值(磁化方向)从负(向下)变化为正(向上)。 这发挥了作为能够电气控制磁铁方向的磁存储器的功能。 另外，即使不施加磁场也能实现电流引起的磁化反转现象。 ( c )室温下实现电流诱导磁化反转的各物质的磁化反转的阈值电流值的比较表。 为了公平比较阈值电流值，比较除以器件宽度的电流值。 本研究的FeSi通过减薄膜厚，理想上可以只在表面状态流通电流，此时的阈值电流值与其他材料相比为非常小的值，有望作为省电的磁存储器材料。
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高级材料:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206801
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