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論文

Antiferromagnetic films and their applications

廣畑 貴文*; Lloyd, D. C.*; 窪田 崇秀*; 関 剛斎*; 高梨 弘毅; 介川 裕章*; Wen, Z.*; 三谷 誠司*; 小泉 洸生*

IEEE Access, 11, p.117443 - 117459, 2023/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:11.24(Computer Science, Information Systems)

Spintronic devices are expected to replace the recent nanoelectronic memories and sensors due to their efficiency in energy consumption and functionality with scalability. To date, spintronic devices, namely magnetoresistive junctions, employ ferromagnetic materials by storing information bits as their magnetization directions. However, in order to achieve further miniaturization with maintaining and/or improving their efficiency and functionality, new materials development is required: 1) increase in spin polarization of a ferromagnet or 2) replacement of a ferromagnet by an antiferromagnet. Antiferromagnetic materials have been used to induce an exchange bias to the neighboring ferromagnet but they have recently been found to demonstrate a 100% spin-polarized electrical current, up to THz oscillation and topological effects. In this review, the recent development of three types of antiferromagnets is summarized with offering their future perspectives towards device applications.

論文

PSTEP: Project for solar-terrestrial environment prediction

草野 完也*; 一本 潔*; 石井 守*; 三好 由純*; 余田 成男*; 秋吉 英治*; 浅井 歩*; 海老原 祐輔*; 藤原 均*; 後藤 忠徳*; et al.

Earth, Planets and Space (Internet), 73(1), p.159_1 - 159_29, 2021/12

 被引用回数:7 パーセンタイル:43.49(Geosciences, Multidisciplinary)

PSTEPとは、2015年4月から2020年3月まで日本国内の太陽・地球惑星圏に携わる研究者が協力して実施した科研費新学術領域研究である。この研究枠組みから500以上の査読付き論文が発表され、様々なセミナーやサマースクールが実施された。本論文では、その成果をまとめて報告する。

論文

Anomalous temperature dependence of current-induced torques in CoFeB/MgO heterostructures with Ta-based underlayers

Kim, J.*; Sinha, J.*; 三谷 誠司*; 林 将光*; 高橋 三郎*; 前川 禎通; 山ノ内 路彦*; 大野 英男*

Physical Review B, 89(17), p.174424_1 - 174424_8, 2014/05

 被引用回数:95 パーセンタイル:93.86(Materials Science, Multidisciplinary)

磁気トンネル接合素子に用いられるCoFeB/Mgoヘテロ構造膜の下地に用いられるTa膜の影響を調べた。Ta下地膜は電流による磁化反転に大きな効果を持っていることがわかった。この結果はスピン拡散モデルで解析された。

論文

Thermal engineering of non-local resistance in lateral spin valves

葛西 伸哉*; 平山 悠介*; 高橋 有紀子*; 三谷 誠司*; 宝野 和博*; 安立 裕人; 家田 淳一; 前川 禎通

Applied Physics Letters, 104(16), p.162410_1 - 162410_4, 2014/04

 被引用回数:16 パーセンタイル:54.76(Physics, Applied)

We study the non-local spin transport in Permalloy/Cu lateral spin valves (LSVs) fabricated on thermally oxidized Si and MgO substrates. While these LSVs show the same magnitude of spin signals, significant substrate dependence of the baseline resistance was observed. The baseline resistance shows much weaker dependence on the inter-electrode distance than that of the spin transport observed in the Cu wires. A simple analysis of voltage-current characteristics in the baseline resistance indicates the observed result can be explained by a combination of the Peltier and Seebeck effects at the injector and detector junctions, suggesting the usage of high thermal conductivity substrate (or under-layer) is effective to reduce the baseline resistance.

論文

Bias voltage dependence of tunneling magnetoresistance in granular C$$_{60}$$-Co films with current-perpendicular-to-plane geometry

境 誠司; 三谷 誠司*; 松本 吉弘; 圓谷 志郎; Avramov, P.; 大伴 真名歩; 楢本 洋*; 高梨 弘毅

Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 324(12), p.1970 - 1974, 2012/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:14.09(Materials Science, Multidisciplinary)

Voltage-dependence of the tunneling magnetoresistance effect in the granular C$$_{60}$$-Co films has been investigated under the current-perpendicular-to-plane geometry. The transport measurements demonstrate that the granular C$$_{60}$$-Co films show unusually an exponential MR-V dependence. Small characteristic energies of less than 10's meV are derived from the temperature dependences of the characteristic voltage in the exponential relationship. Considering the voltage drops between Co nanoparticles and also the effect of cotunneling on the energy values, the characteristic energies for the voltage-induced degradation of the spin polarization are found to show a satisfactory agreement with that for the thermally-induced one. It can reasonably be expected that the onset of magnetic disorder to the localized d-electron spins at the interface region of the C$$_{60}$$-Co compound with Co nanoparticles will lead to the unusual voltage and temperature dependence of the MR ratio and the spin polarization.

論文

Time-domain observation of the spinmotive force in permalloy nanowires

林 将光*; 家田 淳一; 山根 結太; 大江 純一郎*; 高橋 有紀子*; 三谷 誠司*; 前川 禎通

Physical Review Letters, 108(14), p.147202_1 - 147202_5, 2012/04

 被引用回数:40 パーセンタイル:82.66(Physics, Multidisciplinary)

磁壁移動に伴うスピン起電力を、パーマロイ細線における通常の誘導起電力を適切に差し引いた実時間電圧測定により直接検出する。磁壁の移動速度は印加磁場の大きさに対して非線形な振る舞いを示すが、出力電圧は磁場に対して線形となる。電圧信号の符号は、磁壁の運動方向に応じて反転することが示される。これらの振る舞いは、数値シミュレーションにより定量的に説明され、磁壁運動が周期的な磁化構造変化によって特徴付けられないような磁場領域にあったとしても、出力が外部磁場に対して線形に応答する様子が示される。

論文

Effect of cotunneling and spin polarization on the large tunneling magnetoresistance effect in granular C$$_{60}$$-Co films

境 誠司; 三谷 誠司*; 菅井 勇; 高梨 弘毅; 松本 吉弘; 圓谷 志郎; 楢本 洋*; Avramov, P.; 前田 佳均

Physical Review B, 83(17), p.174422_1 - 174422_6, 2011/05

 被引用回数:8 パーセンタイル:34.87(Materials Science, Multidisciplinary)

Magnetotransport properties of the granular C$$_{60}$$-Co films are investigated over the broad bias voltage range from the region near zero bias by using the samples with the CPP (current-perpendicular-to-plane) geometry. It is revealed that the granular C$$_{60}$$-Co films show the I-V characteristics ascribed to cotunneling whose magnitudes are comparable to other molecular-based granular films. Furthermore, by considering the contribution of cotunneling on the magnitude of the TMR effect, it is successfully demonstrated that the tunnelling electrons generated at the interface between Co nanoparticles and a C$$_{60}$$-based matrix (C$$_{60}$$-Co compound) in the films have a significantly higher spin polarization (50-80%) than those in Co crystal and at the Al-oxide/Co interface. The present results clearly suggest that the high interfacial spin polarization is the most important cause of the large TMR effect in the granular C$$_{60}$$-Co films, in spite of the cotunneling-induced enhancement.

論文

Composition dependence of magnetic and magnetotransport properties in C$$_{60}$$-Co granular thin films

菅井 勇*; 境 誠司; 松本 吉弘; 楢本 洋*; 三谷 誠司*; 高梨 弘毅; 前田 佳均

Journal of Applied Physics, 108(6), p.063920_1 - 063920_7, 2010/09

 被引用回数:8 パーセンタイル:33.64(Physics, Applied)

Composition dependence of magnetic and magnetotransport properties in C$$_{60}$$Co$$_{x}$$ thin films exhibiting large magnetoresistance TMR effect was investigated in the Co composition range of x=8-20, where x denotes the number of Co atoms per C$$_{60}$$ molecule. The composition dependence of magnetic property revealed a structural transition from well-defined granular structures in the range of x=8-17 to magnetically and electronically coupled states of Co nanoparticles over x=17. As a result of the structural change, the MR behavior became different between the two composition regions separated at x=17. It is found that the zero-bias MR ratio and also the strength of the voltage dependence are in proportion to the charging energy to Co nanoparticles in the samples with well-defined granular structures. The present results indicate that the charging effect of Co nanoparticles plays an important role in the anomalously large MR effect of C$$_{60}$$-Co granular films.

論文

X-ray absorption spectroscopy and magnetic circular dichroism in codeposited C$$_{60}$$-Co films with giant tunnel magnetoresistance

松本 吉弘; 境 誠司; 高木 康多*; 中川 剛志*; 横山 利彦*; 島田 敏宏*; 三谷 誠司*; 楢本 洋*; 前田 佳均

Chemical Physics Letters, 470(4-6), p.244 - 248, 2009/03

 被引用回数:17 パーセンタイル:50.07(Chemistry, Physical)

X線吸収分光(XAS)、及び磁気円偏光二色性(MCD)分光により巨大トンネル磁気抵抗(TMR)効果を示すC$$_{60}$$-Co薄膜の電子・スピン状態解析を行った。結果として薄膜中のC$$_{60}$$-Co化合物中に局在するスピン偏極状態(C$$_{60}$$分子の$$pi$$軌道とCo原子の3d軌道間の混成由来)の存在を明らかにした。また同局在スピンの温度に対する磁化方向の変化と、C$$_{60}$$-Co薄膜で観測された温度による磁気抵抗比の大きさの変化が良い一致を示した。これはC$$_{60}$$-Co化合物のスピン偏極状態がTMR効果発現に寄与していることを明確に示す結果である。

論文

Giant tunnel magnetoresistance in codeposited fullerene-cobalt films in the low bias-voltage regime

境 誠司; 菅井 勇; 三谷 誠司*; 高梨 弘毅; 松本 吉弘; 楢本 洋*; Avramov, P.; 岡安 悟; 前田 佳均

Applied Physics Letters, 91(24), p.242104_1 - 242104_3, 2007/12

 被引用回数:30 パーセンタイル:71.14(Physics, Applied)

Magnetotransport properties in the low bias-voltage regime were investigated for co-deposited C$$_{60}$$-Co films. A giant tunnel magnetoresistance (MR) ratio ($$Delta$$$$R$$/$$R$$$$_{max}$$) of 80%, which is the highest in ferromagnetic metal/organic molecule systems, was found at low temperatures. The observed bias-voltage dependence of the MR ratio is expressed by an unusual exponential form, suggesting that the MR ratio of nearly 100% can be realized in the low bias-voltage limit.

論文

Magnetic and magnetotransport properties in nanogranular Co/C$$_{60}$$-Co film with high magnetoresistance

境 誠司; 薬師寺 啓*; 三谷 誠司*; 菅井 勇; 高梨 弘毅*; 楢本 洋*; Avramov, P.; Lavrentiev, V.*; 鳴海 一雅; 前田 佳均

Materials Transactions, 48(4), p.754 - 758, 2007/04

 被引用回数:9 パーセンタイル:50.45(Materials Science, Multidisciplinary)

10-80%のトンネル磁気抵抗効果を示す交互蒸着法によるC$$_{60}$$-Co薄膜の磁気的性質を調べた。磁化特性の磁場及び温度への依存性について、Coナノ粒子に起因するブロッキング温度が約40Kの超常磁性が明らかになった。磁化応答は粒径分布を考慮したランジュバン関数で表され、それによりCoナノ粒子の平均粒径は3.1nm,粒径分布1nmと見積もられた。磁気的性質の測定結果に基づいて、C$$_{60}$$-Co薄膜の構造と磁気伝導現象の詳細を議論した。

論文

Tunnel magnetoresistance in Co nanoparticle/Co-C$$_{60}$$ compound hybrid system

境 誠司; 薬師寺 啓*; 三谷 誠司*; 高梨 弘毅*; 楢本 洋; Avramov, P.; 鳴海 一雅; Lavrentiev, V.; 前田 佳均

Applied Physics Letters, 89(11), p.113118_1 - 113118_3, 2006/09

 被引用回数:59 パーセンタイル:85.80(Physics, Applied)

本論文では、Co-C$$_{60}$$ハイブリッド薄膜におけるスピン依存伝導について初めての結果を報告する。Co-C$$_{60}$$ハイブリッド薄膜は超高真空中でCoとC$$_{60}$$を交互に蒸着して作成したもので、Co-C$$_{60}$$化合物の母相中にCoナノ粒子が分散した状態であることが同定された。Co-C$$_{60}$$ハイブリッド薄膜は、印加バイアスに強く依存する特有なトンネル磁気抵抗効果を示し、磁気抵抗は低バイアス下で数10%であったが、高バイアス下では最大で80%に達することを見いだした。この磁気抵抗の大きさは、ナノグラニュラー薄膜の磁気抵抗効果として異常に大きな値である。磁気抵抗のバイアス依存性から、観測されたトンネル磁気抵抗効果はCo-C$$_{60}$$化合物の電子構造との関連が推察される。

口頭

フラーレン-コバルト系薄膜における高スピン偏極トンネル電流

境 誠司; 松本 吉弘; 圓谷 志郎; 菅井 勇*; 高梨 弘毅; 三谷 誠司*; 楢本 洋*; 前田 佳均

no journal, , 

共蒸着法により組成がC$$_{60}$$Co$$_{6-16.5}$$の範囲のCPP(current-perpendicular-to-plane)型,CIP(current-into-plane)型のグラニュラーC$$_{60}$$-Co素子を作製し、試料の磁気伝導特性を調べた。グラニュラー薄膜のTMRの磁気抵抗率(MR)の大きさには、スピン偏極率(P)の効果に加えて高次トンネル過程による増長効果が反映されるため、MRから一義的にPを見積もることができないという問題がある。そこで本研究では、素子の電流-電圧特性から高次トンネル過程の次数を評価し、高次過程の寄与を考慮した高橋らの理論モデルに基づきトンネル電子のPを計算した。素子構造や組成が異なるすべての試料でコンシステントな解析結果が得られ、ゼロ温度でのPの値は80%以上であることが示された。本結果から、C$$_{60}$$-Co薄膜中の界面に完全に近くスピン偏極した状態が存在することが明らかになった。講演では、Pの温度依存性の原因などについても議論する。

口頭

巨大TMR効果を示すフラーレン-コバルト薄膜におけるスピン偏極電流

境 誠司; 松本 吉弘; 圓谷 志郎; 菅井 勇*; 三谷 誠司*; 高梨 弘毅; 前田 佳均

no journal, , 

共蒸着法により組成が異なるCPP(current-perpendicular-to-plane)型及びCIP(current-into-plane)型のグラニュラーC$$_{60}$$-Co素子を作製し、試料の磁気伝導特性を調べた。ここで、グラニュラー薄膜のTMR効果の磁気抵抗率(MR)の大きさには、スピン偏極率(P)の効果に加えて高次トンネル過程による増長効果が反映されるため、MRから一義的にPを見積もることができないという問題がある。そこで本研究では、素子の電流-電圧特性から高次トンネル過程の次数を評価し、高次過程の寄与を考慮した高橋らの理論モデルに基づきトンネル電子のPを計算した。素子構造や組成が異なるすべての試料でコンシステントな解析結果が得られ、ゼロ温度でのPの値は80%以上であることが示された。本結果から、C$$_{60}$$-Co薄膜中の界面に完全に近くスピン偏極した状態が存在することが明らかになった。

口頭

巨大トンネル磁気抵抗効果を示すC$$_{60}$$-Co共蒸着薄膜の電子・磁気状態

松本 吉弘; 境 誠司; 楢本 洋*; 中川 剛志*; 高木 康多*; 横山 利彦*; 島田 敏宏*; 三谷 誠司*; 高梨 弘毅; 前田 佳均

no journal, , 

フラーレン(C$$_{60}$$)-コバルト(Co)化合物中にCoナノ粒子が分散した構造を持つC$$_{60}$$-Co共蒸着薄膜において、低温で巨大なトンネル磁気抵抗効果の発現が確認されている。その磁気抵抗率は従来の無機材料とは異なり、膜中に存在する強磁性体のCoナノ粒子のスピン分極率のみでは十分に説明することができない。本研究では組成比の異なるC$$_{60}$$Co薄膜に対してX線吸収分光及びX線磁気円二色性測定を行った。結果として、C$$_{60}$$-Co化合物のCo原子にC$$_{60}$$分子とCo原子間の結合形成に起因する3d準位の多重項分裂状態が観測された。それらの状態が明瞭な磁気円二色性を示したことから、C$$_{60}$$-Coにスピン偏極状態の存在が明らかとなった。さらにC$$_{60}$$-Co化合物のスピン偏極状態の磁気モーメントの大きさから予想される磁気抵抗率のモデル計算値は、実測値と一致することが明らかとなった。この結果は、C$$_{60}$$-Co化合物に存在するスピン偏極状態によって、伝導電子のスピン分極率が大きく影響を受けていること示している。

口頭

C60-Co薄膜の巨大TMR効果と界面スピン偏極状態

境 誠司; 松本 吉弘; 圓谷 志郎; 菅井 勇*; 三谷 誠司*; 高梨 弘毅; 楢本 洋*; 前田 佳均

no journal, , 

最近、有機分子やグラフェンを用いた分子スピントロニクスが注目されている。本研究では、グラニュラーC60-Co薄膜(C60-Co化合物中にCoナノ粒子が分散)が示す巨大TMR効果が、おもにC60-Co化合物/Coナノ粒子界面の高スピン偏極状態により生じることをCPP(current-perpendicular-to-plane)素子の磁気伝導特性から明らかにした。磁気伝導特性の測定は、C60-Co薄膜(厚さ:300nm)を銀電極層で挟んだCPP素子について二端子法(磁場:0-70kOe)で行った。10K以下の温度でスピン分極率によるMRの上限値50%を越える巨大TMR効果を観測した。巨大TMR効果が生じる一因として、高次トンネル過程によるMR増長効果の寄与が考えられる。今回、CPP素子のゼロバイアス電圧付近のI-V特性からトンネル過程の次数を計算し、高次トンネル過程によるMR増長の程度を見積もることで、C60-Co化合物/Coナノ粒子界面でのスピン偏極率(P)を評価した。その結果、Co結晶と比較して著しく大きなスピン偏極率(P$$>$$60%)が見積もられた。本結果は、最近のX線磁気円二色性分光の実験結果と符合するものであり、界面の高スピン偏極状態を明示する結果である。

口頭

グラニュラーC60-Co薄膜の巨大TMR効果の解析

境 誠司; 松本 吉弘; 圓谷 志郎; 菅井 勇*; 三谷 誠司*; 高梨 弘毅; 楢本 洋*; 前田 佳均

no journal, , 

近年、有機分子やグラフェンのスピントロニクスへの応用が検討され、分子スピントロニクスとして注目を集めている。講演者らは、これまでにC60-Co化合物中にCoナノ粒子が分散したグラニュラーC60-Co薄膜が、約10K以下の温度で磁気抵抗率MRが80%を越える巨大TMR効果を示すことを明らかにした。最近行った放射光X線磁気円二色性分光の結果、TMR効果による同薄膜の磁気抵抗率とC60-Co化合物中に含まれる局在dスピンの磁化の温度依存性に相関が見いだされ、C60-Co化合物/Coナノ粒子界面で、局在dスピンとの相互作用によりトンネル伝導に関与する伝導電子のスピン偏極率が著しく増大する可能性(界面スピン変調作用)が示唆された。本研究では、界面スピン変調作用のTMR効果への関与について物性面から確証を得ることを目的に、CPP素子構造を有するグラニュラーC60-Co薄膜の磁気伝導特性の解析を行った。その結果、巨大TMR効果が界面でのスピン偏極の効果と高次トンネル過程の複合効果によることが明らかになり、さらに、C60-Co化合物/Coナノ粒子界面ではCo結晶より著しく大きなスピン偏極(スピン偏極率:60%以上)が生じることが示された。

口頭

C$$_{60}$$-Co薄膜のトンネル磁気抵抗効果の組成依存性

境 誠司; 菅井 勇; 松本 吉弘; 三谷 誠司*; 高梨 弘毅; 楢本 洋*; Avramov, P.; 岡安 悟; 前田 佳均

no journal, , 

これまでの研究で同時蒸着法C$$_{60}$$-Co薄膜の磁気抵抗率が電圧とともに指数関数的に減少,増大する特異な振る舞いを見いだした。本研究では、薄膜中のCo濃度による磁気伝導特性の変化と微視的構造の対応から磁気抵抗効果の原因機構を議論する。Co濃度がx=8-17(C$$_{60}$$Cox)の範囲で、グラニュラー薄膜で完全スピン分極の条件で生じ得る磁気抵抗率の上限(50%)を超える磁気抵抗効果が観測された。同組成領域でゼロ電圧付近の磁気抵抗率はxの減少とともに増大し、x=8の試料で極限値100%付近に達することが示された。巨大効果の原因として、Coナノ粒子/C$$_{60}$$-Co化合物界面での著しいスピン偏極に加えて、磁気抵抗率の電圧依存性と関連する増長機構の関与が推察される。

口頭

グラニュラーC$$_{60}$$-Co薄膜の巨大TMR効果と高スピン偏極界面

境 誠司; 松本 吉弘; 圓谷 志郎; 菅井 勇*; 三谷 誠司*; 高梨 弘毅; 楢本 洋*; 前田 佳均

no journal, , 

最近、有機分子やグラフェンを用いた分子スピントロニクスが注目されている。本研究では、分子スピントロニクス材料の中で特に顕著な磁気抵抗効果を示す系として、C$$_{60}$$-Co化合物中にCoナノ粒子が分散したグラニュラーC$$_{60}$$-Co薄膜のTMR効果について、CPP(current-perpendicular-to-plane)素子の磁気伝導特性を報告する。C$$_{60}$$-Co薄膜(厚さ: 300nm)をAg電極層でサンドイッチしたCPP素子試料(組成: C$$_{60}$$Co$$_{6}$$, C$$_{60}$$Co$$_{7}$$)について、低温で最大70%のMRを観測し、トンネル次数jについてj=1-5(2-20K)を得た。グラニュラー薄膜のTMR効果について、界面でのスピン偏極率(P)の効果に加えて高次トンネル過程による増長効果が働くことが指摘されている。そこで、MR値からjに依存する高次トンネル過程による増長分を差し引き、Julliereモデルに基づきスピン偏極率を計算した結果、Co結晶内(P=30%)と比較して著しく大きな値(P=60%(2K))が得られた。本研究により、C$$_{60}$$-Co化合物/Coナノ粒子界面の高スピン偏極状態を示唆する結果が得られた。

口頭

C$$_{60}$$-Co薄膜の巨大トンネル磁気抵抗効果とスピン状態

境 誠司; 松本 吉弘; 菅井 勇*; 三谷 誠司*; 高梨 弘毅; 高木 康多*; 中川 剛志*; 横山 利彦*; 島田 敏宏*; 前田 佳均

no journal, , 

グラニュラーC$$_{60}$$-Co薄膜の巨大トンネル磁気抵抗(TMR)効果の大小を支配する構造上の要因を明確にし、巨大効果の発現機構を議論するため、磁気抵抗効果の組成依存性の系統的評価及びX線磁気円偏光二色性(XMCD)実験(Co L3端)による磁気・スピン状態の分光実験を行った。グラニュラーC$$_{60}$$-Co薄膜の時期抵抗率(MR)は約10K以上でTに逆比例する著しい減少を示した。XMCD実験において、C$$_{60}$$-Co化合物がCo3d軌道が関与する磁性を示すことが見いだされ、そこでの磁気モーメントの大きさをTMR効果の理論モデルに適用するとMRの大きさ・温度変化を良く再現できることがわかった。本結果は、トンネル伝導を生じる電子のスピン偏極・輸送過程へのC$$_{60}$$-Co化合物の関与を明示するものである。

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