トポロジカル絶縁体・磁性体界面のスピンホール効果向上メカニズムを解明した研究成果がJournal of Applied Physics誌に掲載されました。本研究はウェスタンデジタル社との共同研究の成果です。

Quang Le, Xiaoyong Liu, Lei Xu, Brian R. York, Cherngye Hwang, Son Le, Maki Maeda, Tuo Fan, Yu Tao, Hisashi Takano, Min Liu, Zhang Ruixian, Shota Namba, and Pham Nam Hai, “Effects of metal, oxide, and hybrid metal-oxide interlayers on spin–orbit torque in BiSb topological insulator and magnetic interfaces”, J. Appl. Phys. 137, 123903 (2025)

トポロジカル絶縁体BiSbにおけるドーピング効果に関する研究成果はJapanese Journal of Applied Physics誌に掲載されました。本研究はウェスタンデジタル社との共同研究の成果です。

Quang Le, Brian R. York, Cherngye Hwang, Xiaoyong Liu, Michael A. Gribelyuk, Son Le, Lei Xu, Jason James, Jose Ortega, Maki Maeda, Tuo Fan, Hisashi Takano, Min Liu, Zhang Ruixian, Shota Namba and Pham Nam Hai, “Transport and material properties of doped BiSbX topological insulator films grown by physical vapor deposition”, Jpn. J. Appl. Phys. 63 123001 (2024).

本研究では、トポロジカル絶縁体BiSbに様々な元素や分子をドーピングし、その効果を評価しました。ドーピングによって表面やバルクの伝導率、格子定数比a/c、融点、硬度、結晶粒径などを制御できることを示し、将来的にSOTデバイス応用に有利に働くことを示しました。

トポロジカル絶縁体のスピンホール効果を用いた磁気センサーに関する研究成果がApplied Physics Letters誌に掲載されました。本研究はウェスタンデジタル社との共同研究の成果です。

Min Liu,  Zhang Ruixian, Quang Le, Brian York, Cherngye Hwang, Xiaoyong Liu, Michael Gribelyuk, Xiaoyu Xu, Son Le, Maki Maeda, Tuo Fan, Yu Tao, Hisashi Takano, Pham Nam Hai, “Spin Hall magnetic field sensing device using topological insulator”, Appl. Phys. Lett. 125, 242401 (2024).

本研究では、先行研究の逆スピンホール効果を用いた磁気センサーの研究に続き、スピンホール効果でも同様に磁界センシングできること、トポロジカル絶縁体BiSbの巨大なスピンホール効果による大きな出力電圧が得られたこと、さらに、トポロジカル絶縁体におけるスピンホール効果と逆スピンホール効果の相反関係も確認できました。

3次元磁性細線メモリに向けたALD成膜Ptのスピンホール効果の評価に関する下記の研究成果がApplied Physics Letter誌に掲載された。

Ken Ishida, Kota Sato, Pham Nam Hai, “Spin Hall effect in platinum deposited by atomic layer deposition”, Appl. Phys. Lett. 125, 162404 (2024).

3次元の磁性細線メモリを実現するためには、スパッタリング成膜だけでは実現不可能のため、3次元成膜が可能なALD法を用いて、磁性層およびSOT層を成膜する必要がある。今回の研究では、SOT層として期待されているPtをALD法を用いて成膜し、そのスピンホール効果を評価した。

BiSbトポロジカル絶縁体/CoFeB/MgO垂直磁化膜における高スピンホール角と低電流磁化反転の実証に成功した研究成果がApplied Physics Letters誌に掲載されました。本研究成果は米ウェスタインデジタル社との共同研究の成果です。

Zhang Ruixian, Ho Hoang Huy, Takanori Shirokura, Pham Nam Hai, Quang Le, Brian York, Cherngye Hwang, Xiaoyong Liu, Michael Gribelyuk, Xiaoyu Xu, Son Le, Maki Maeda, Tuo Fan, Yu Tao, and Hisashi Takano, “High spin Hall angle in BiSb topological insulator and perpendicularly magnetized CoFeB/MgO multilayers with metallic interfacial layers”, Appl. Phys. Lett. 124, 072402 (2024).

BiSbトポロジカル絶縁体は巨大なスピンホール角を示す高性能なスピンホール材料です。一方、CoFeB/MgO垂直磁化膜はMRAMの標準的な自由層です。本研究では、SOT-MRAMの実現に向けて、低電流書き込み用のBiSbと高性能読み出し用のCoFeB/MgO垂直磁化膜の間に、適切な中間層を挿入することによって、高スピンホール角と低電流磁化反転の実証に成功しました。

トポロジカル半金属YPtBi/CoPt接合におけるポストアニール効果に関する研究成果がJapanese Journal of Applied Physics誌に掲載されました。

Sho Kagami, Takanori Shirokura, and Pham Nam Hai, “Effects of post-growth annealing in YPtBi topological semimetal and Co/Pt perpendicular magnetization multilayers”, Jpn. J. Appl. Phys. 63, 02SP98 (2024).

本研究では、YPtBi/CoPt接合を高温300℃までポストアニールすると、CoPtの磁気特性およびYPtBiのスピンホール特性が向上したことを明らかにした。また、YPtBi/CoPt接合はW/CoPt接合よりも高い熱耐久性があることも示した。

トポロジカル半金属YPtBiのSiOx/Si基板上への成膜とスピンホール特性評価に関する研究成果がApplied Physics Letters誌に掲載されました。

Takanori Shirokura, Nguyen Huynh Duy Khang, Pham Nam Hai, “High-efficient spin orbit torque generated by topological semimetal YPtBi deposited on oxidized Si substrates”, Appl. Phys. Lett. 124, 052402 (2024)

トポロジカル半金属YPtBiは高い熱耐久性と高いスピンホール角を両立できる材料としてSOT-MRAMのスピンホール層として有望である。今回の研究では、実用的な基板であるSiOx/Si基板上への成膜およびスピンホール特性評価を行った。その結果、YPtBiが(110)配向するとともに、スピンホール伝導率がYPtBi(111)よりも高いことを見出した。

スピンホール効果を高温で増大させる新原理を発見した研究成果がApplied Physics Letters誌に掲載されました。

Ken Ishida, Takanori Shirokura and Pham Nam Hai, “Enhanced spin Hall effect at high temperature in non-centrosymmetric silicide TaSi₂ driven by Berry phase monopoles”, Appl. Phys. Lett. 123, 262402 (2023).

内因性のスピンホール伝導率の大きさはバンド構造の幾何学的位相である「ベリー位相」の効果により決まる。従来の研究より、多くの金属材料のスピンホール伝導率は不純物や温度によらず一定であることが知られている。今回の研究では、TaSi2という物質において、ベリー位相の強い発生源であることが知られているバンドの縮退点（ベリー位相のモノポール）をフェルミレベル近傍に配置することで、高温においてスピンホール伝導率を増大させる新原理の実証に成功した。本研究成果により、SOT方式を利用した超低消費電力な磁気抵抗メモリの高温での性能の改善が期待できる。

（a）TaSi₂が持つカイラル構造。（b）スピン軌道相互作用を考慮して、第一原理計算により計算されたバンド図。青い矢印はフェルミレベル近傍のディラックポイントを指す。（c）スパッタリング法で製膜したスタックの構造図。（d）スピンホール伝導率の温度依存性。赤い点線はディラックポイントの寄与を考慮したモデルによる理論曲線。

プレスリリース：スピンホール効果を高温で増大させる新原理を発見

BiSb/酸化物中間層/CoFeB/MgOの構造において、垂直磁気異方性と高効率のSOT磁化反転を実現した論文がIEEE Transactions on Magneticsに掲載されました。本論文は日本サムスンとの共同研究の成果です。

Ho Hoang Huy, Zhang Ruixian, Takanori Shirokura, Shigeki Takahashi, Yoshiyuki Hirayama, Pham Nam Hai, “Integration of BiSb Topological Insulator and CoFeB/MgO With Perpendicular Magnetic Anisotropy Using an Oxide Interfacial Layer for Ultralow Power SOT-MRAM Cache Memory”, IEEE Trans. Magn. 59, 3400905/1-5 (2023).

絶縁体の中間層を用いることで、(1) Sbの拡散防止、(2)磁性層へのシャント電流の防止などのメリットがあります。本研究では、CoFeB/MgOに対して、1 nm CrOxが有効な絶縁体の中間層を見だしました。

高温領域（>120℃）におけるBiSbトポロジカル絶縁体のスピンホール効果を評価した研究成果がApplied Physics Letters誌に掲載されました。

Takanori Shirokura, Pham Nam Hai, “High temperature spin Hall effect in topological insulator”, Appl. Phys. Lett. 122, 232404 (2023).

自動車や人工衛星など、過酷な環境に使える不揮発性メモリを実現するためには、高温領域(>120℃)において、動作できることが求められます。今回の研究では、BiSbトポロジカル絶縁体のスピンホール効果を125℃までの高温領域で評価を行いしました。その結果、125℃の高温でもBiSbが巨大なスピンホール効果を維持し、過酷な環境に使える不揮発性メモリSOT-MRAMに応用できることを示しました。また、スピンホール効果の温度依存性から、巨大なスピンホール効果の起源がバルクではなく、表面状態によるものであることを明らかにしました。