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室温で強磁性・強誘電性が共存した物質を実現 ~低消費電力・超高密度磁気メモリー開発に道~

 東京工業大学,名古屋工業大学,九州大学は2016年12月27日,東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所の北條元・元助教(現九州大学 総合理工学研究院 准教授),東正樹教授,名古屋工業大学の壬生攻教授らの研究グループが,セラミックス結晶中に磁石の性質(強磁性)と電気を蓄える性質(強誘電性)が室温において共存することを確認したと発表した.室温での両性質の共存は,低電力・高性能次世代磁気メモリー実現のための鍵として注目されていたが,これまで本質的であると実験で確認されたことはなかったという.本成果はドイツの材料系科学誌Advanced Materialsのオンライン版で公開された(注).

 スマートフォンの普及やビッグデータなどにより蓄積情報量が急増しつつあり,低消費電力・高記録密度・不揮発性の次世代メモリーデバイス出現が強く待望され,強磁性と強誘電性を併せ持つ物質はこれに応える材料の一つである.両者の相関が強く,電場によって磁化方向を反転することができれば,不揮発性・高安定性という磁気メモリーの特徴を持ち,低消費電力・高記録密度かつ簡易な素子構造を有する次世代磁気メモリーを実現できると期待される.これまで検討の対象となっていた,菱面体晶ペロブスカイト結晶構造(ABO3型)の鉄酸ビスマス(BiFeO3)には反強磁性(厳密には反強磁性秩序に加えて,サイクロイド変調(サイクロイド曲線に沿うようにスピンが少しずつ回転した配列)が重畳している)と強誘電性が存在することが知られていた.しかし,反強磁性のためスピンの磁化は打ち消し合って自発磁化は現れない.

 今回研究グループは,鉄酸ビスマスの鉄を一部コバルトで置換したコバルト酸鉄酸ビスマス(BiFe1-xCoxO3,x ≤ 0.15)を,強誘電性の評価が可能な薄膜形態で安定化させることに成功し,誘電特性評価の結果,薄膜試料が室温で±400kV/cm付近で極性が反転する強誘電体であることを確認した.磁化特性の評価については,薄膜の成長する方向を工夫することにより,室温で弱強磁性(保磁力0.1T程度)が現れることを明らかにした.強磁性相はコバルトの置換量が多いほど安定化し,1割以上でコンスタントな特性となっている.また,温度は高いほど強磁性相は安定化される.なお,この磁性が本質的強磁性であることを確かめるため,メスバウアー分光分析で磁気構造解析を行った.この結果,コバルト酸鉄酸ビスマスではスピンが傾斜しており,反強磁性の磁化が打消し合わずに自発磁化が現れることが分かった.

 室温における強磁性と強誘電性の共存する材料の存在が証明された.強誘電電気分極と自発磁化の間には互いに直交するという関係があるため,電気分極の反転によって磁気情報を書き込む新しい磁気メモリーの開発や,電荷と磁化の両方を情報として用いる大容量多値メモリーとしての応用への道筋も拓ける.これにより,鉄酸ビスマスをベースとしたマルチフェロイック物質の開発に拍車がかかるものと期待している.

(注)Hajime Hojo, Ryo Kawabe, Keisuke Shimizu, Hajime Yamamoto, Ko Mibu, Kartik Samanta, Tanusri Saha-Dasgupta, and Masaki Azuma, "Ferromagnetism at room temperature induced by spin structure change in BiFe1-xCoxO3 thin films", Advanced Materials, Early View, First published: 21 December 2016, DOI: 10.1002/adma.201603131