JP6143051B2 - スピントロニクスデバイス - Google Patents

Description

本発明は、スピントロニクスデバイスに関するものであり、例えば、逆スピンホール効果部材として異方導電性を有する部材を用いてスピン流−電流変換効率を高めたスピントロニクスデバイスに関する。

現在の半導体装置等のエレクトロニクス分野においては、電子の有する電荷の自由度を利用しているが、電子は電荷以外にスピンという自由度を有している。近年、このスピンの自由度を利用したスピントロニクスが次世代の情報技術の担い手として注目を集めている。

このスピントロニクスでは電子の電荷とスピンの自由度を同時に利用することによって、従来にない機能や特性を得ることを目指しているが、スピントロニクス機能の多くはスピン流によって駆動される。

スピン流はエネルギーの散逸が少ないため、効率の良いエネルギー伝達に利用できる可能性が期待されており、スピン流の生成方法や検出方法の確立が急務になっている。スピン流の生成方法としては、スピンポンピングによるスピン流が提案されており（例えば、非特許文献１参照）、スピン流の検出方法についても、本発明者等により逆スピンホール効果（ＩＳＨＥ）によるスピン流を電流に変換して電圧として取り出すことが提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

このような逆スピンホール効果を得るために用いる逆スピンホール効果部材としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、ｆ軌道或いは３ｄ軌道を有する遷移金属を有する元素、若しくはそれらの合金のいずれかを有する元素、或いは、前記各材料とＣｕ、Ａｌ、或いは、Ｓｉの合金が用いられており、なかでも、逆スピンホール効果の生成効率の高いＰｔ或いはＢｉドープＣｕが有望視されている。なお、逆スピンホール効果部材に外部磁場を印加すると外部磁場と直交する方向に逆スピンホール電圧Ｅ_ＩＳＨＥが発生する。

このようなスピンホール効果或いは逆スピンホール効果における電子の運動は、下記の式（１）で表わされるボルツマン方程式で記述される。
ここで、ｖ_ｋは電子速度であり、ｆ_ｋσは電子の分布関数であり、ｅは素電荷、Ｅは外部電場であり、ｈはプランク常数であり、ｈスラッシュはｈ／２πを表し、右辺は、不純物による電子の散乱項である。ここで、ｋを電子の運動量とし、ｍを電子の質量とすると、
Ｖ_ｋ＝（ｈ／２π）ｋ／ｍで表わされる。

式（１）における右辺の不純物による散乱項は、下記の式（２）で記述される。
なお、式（２）における左項は、ｋ′σ′の運動量・スピン状態からｋσの運動量・スピン状態への散乱項であり、右項はｋσの運動量・スピン状態からｋ′σ′の運動量・スピン状態への散乱項である。

また、式（２）における右項の分布関数に掛る係数は、下記の式（３）で表わされ、ｋσの運動量・スピン状態（｜ｋσ＞）からｋ′σ′の運動量・スピン状態（｜ｋ′σ′＞）への散乱確率を表す。
また、式中のｎ_ｉｍｐは不純物濃度、Ｔ（山記号付き）は散乱マトリクスである。なお、左項の分布関数に掛る係数も、「′」の位置を変えて表わされる。

このボルツマン方程式を解くことによって、分布ｆ_ｋσは下記の式（４）で記述される。
なお、式（４）におけるσは電気伝導度を表し、τ_ｔｒは不純物に起因する散乱時間を表し、μ（ｒ）は電気化学ポテンシャルを表し、α_Ｈはスピン流−電流変換係数を表し、σ_σσはスピンの向きを表すパウリマトリクスである。

また、α_Ｈは下記の式（５）で表わされる。
式（５）におけるη_ＳＯバーは無次元のスピン−軌道結合パラメータを表し、Ｎ（０）はフェルミ準位における電子の状態密度を表し、Ｖ_ｉｍｐは不純物ポテンシャルの強度を表す。また、電気化学ポテンシャルμは下記の式（６）で表わされる。
なお、μに付けられた矢印はアップスピン或いはダウンスピンを意味する。また、ε_Ｆはフェルミエネルギーであり、φは電気ポテンシャルであり、φ＝−▽Ｅである。

ここで、ｘ方向のスピン流密度ｊ_ｓ ^ｘは下記の式（７）で表わされ、式（７）におけるσ_ｘ（一般式σ_ｉ）は下記の式（８）で表わされる。

また、スピン流から変換される電流密度ｊ_ｃは、下記の式（９）で表わされ、ｘ方向のスピン流に伴うｙ方向に流れる電流ｊ_ｃ ^ｙは下記の式（１０）で表わされ、最終的には、
ｊ_ｃ ^ｙ＝α_Ｈ・ｊ_ｓ ^ｘ
となり、逆スピンホール効果による電流密度ｊ_ｃ ^ｙはスピン流−電流変換係数α_Ｈに規定されることになる。

したがって、逆スピンホール効果によって多くの電流を取り出すためには、大きなスピン流−電流変換係数α_Ｈを有する物質を逆スピンホール効果部材として用いることが重要になる。

Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．，Ｂ１９，ｐ．４３８２，１９７９ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．８８，ｐ．１８２５０９，２００６

上述のように、逆スピンホール効果による電流ｊ_ｃ ^ｙはスピン流−電流変換係数α_Ｈに規定されることになるため、逆スピンホール効果によって多くの電流を取り出すためには、大きなスピン流−電流変換係数α_Ｈを有する物質を逆スピンホール効果部材として用いる必要がある。

しかし、従来、逆スピンホール効果部材として用いられている材料のスピン流−電流変換係数α_Ｈは、大きくてもＰｔの１０パーセント程度であり、ＢｉドープＣｕを用いても２５％程度が期待できるだけであり、スピン流−電流変換係数の増大には限界がある。

したがって、本発明は、スピン流−電流変換効率をさらに高めることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、スピントロニクスデバイスであって、エネルギーの供給により純スピン流或いはスピン波スピン流を発生するスピン流発生部材層と、前記スピン流発生部材層に接合し、スピン流を電流に変換する或いは電流をスピン流に変換するスピン流−電流相互変換部材層と、前記スピン流−電流相互変換部材層に設けられ、前記電流の流れる方向の上流側と下流側に設けられた一対の電極とを有し、前記スピン流−電流相互変換部材層が、スピン流の流入方向の電気伝導度が他の方向の電気伝導度より低い異方導電性を有し、前記異方導電性を有するスピン流−電流相互変換部材層が、導電性ポリマー、有機自己組織化膜、有機電荷移動錯体伝導体、層状遷移金属酸化物、或いは、３次元トポロジカル絶縁体のいずれかからなる。

本発明者は、各種の導電性材料のスピン流−電流変換効率に相当するスピンホール角θ_ＳＨＥを実験により確認した結果、通常の導電体では、θ_ＳＨＥ=α_Ｈであるが、異方導電性を有する導電性材料の場合には、スピン流の流入方向の電気伝導率をσ_ｘ、それと直交する方向の電気伝導率をσ_ｙとすると、スピンホール角θ_ＳＨＥは
θ_ＳＨＥ＝（σ_ｙ／σ_ｘ）×α_Ｈ
で表わされることを発見した。因みに、異方導電性がない材料の場合にはσ_ｙ＝σ_ｘとなる。

したがって、σ_ｙ＞σ_ｘなる異方導電性を有する材料を逆スピンホール効果部材として用いることによって、従来のα_Ｈで規定される１０％程度のスピン流−電流変換効率（スピンホール角θ_ＳＨＥ）を１００％以上にすることが可能であることを新規に見出した。また、このことは、電流をスピン流に変換するスピンホール効果においても、電流からスピン流への変換効率を高めることができることを意味する。

このような異方導電性を有する逆スピンホール効果部材等のスピン流−電流相互変換部材としては、導電性ポリマー、有機自己組織化膜、有機電荷移動錯体伝導体、金属積層膜、層状遷移金属酸化物、或いは、３次元トポロジカル絶縁体のいずれかを用いれば良い。

特に、導電性ポリマーとしては、ＰＥＤＯＴ〔ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）〕とＰＳＳ〔ｐｏｌｙ（４−ｓｔｙｒｅｎｅｓｕｆｏｎａｔｅ）〕とを混合したポリマーであるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、或いは、ＰＢＴＴＴ〔ｐｏｌｙ（２，５−ｂｉｓ（３−ａｌｋｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎ−２−ｙｌ）ｔｈｉｅｎｏ[３，２−ｂ］ｔｈｉｏｐｈｅｎｅ〕とＦ４−ＴＣＮＱ〔２，３，５，６−ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏ−７，７，８，８−ｔｅｔｒａｃｙａｎｏｑｕｉｎｏｄｉｍｅｔｈａｎｅ〕とを混合したポリマーであるＰＢＴＴＴ：Ｆ４−ＴＣＮＱが挙げられる。

異方導電性を有するスピン流−電流相互変換部材層を逆スピンホール効果部材層とした場合、逆スピンホール効果部材層を絶縁性基板上に設けるとともに、逆スピンホール効果部材層の上に磁性層を設けても良い。或いは、磁性層を、絶縁性基板上に設けるとともに、磁性層の上に異方導電性を有する逆スピンホール効果部材層を設けても良い。

開示のスピントロニクスデバイスによれば、従来は逆スピンホール効果部材等のスピン流−電流相互変換部材の有するスピン流−電流変換係数α_Ｈで規定されていたスピン流−電流変換効率をα_Ｈ以上にすることが可能になる。

本発明の実施の形態のスピントロニクスデバイスの構成説明図である。 本発明の実施例１のスピン流−電流変換素子の製造工程の説明図である。 ＰＥＤＯＴとＰＳＳの分子構造図である。 本発明の実施例１のスピン流−電流変換素子の概略的斜視図である。 磁場をＨ方向に印加した場合の特性図である。 磁場を−Ｈ方向に印加した場合の特性図である。 マイクロ波の吸収スペクトル及び出力電圧Ｖの磁場強度依存性の説明図である。 他の諸特性の説明図である。 本発明の実施例２のスピン流−電流変換素子の製造工程の途中までの説明図である。 本発明の実施例２のスピン流−電流変換素子の製造工程の図９以降の説明図である。 本発明の実施例２のスピン流−電流変換素子の概略的斜視図である。 本発明の実施例２のスピン流−電流変換素子のマイクロ波吸収特性及び出力電圧の説明図である。 本発明の実施例２のスピン流−電流変換素子の共鳴磁場強度Ｈ_ＦＭＲのマイクロ波周波数依存性及び出力電圧のマイクロ波周波数依存性の説明図である。 本発明の実施例３のスピン流−電流変換素子の概略的斜図である。 ＰＢＴＴＴとＦ４−ＴＣＮＱの分子構造図である。 本発明の実施例３のスピン流−電流変換素子の出力特性の説明図である。 本発明の実施例４のスピン流−電流変換素子の説明図である。 本発明の実施例５のスピン流−電流変換素子の概略的斜視図である。 本発明の実施例６のスピン流−電流変換素子の概略的斜視図である。 本発明の実施例７のスピンＲＡＭの説明図である。

ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態のスピントロニクスデバイスを説明する。図１は、本発明の実施の形態のスピントロニクスデバイスの構成説明図であり、図１（ａ）は、本発明の実施の形態のスピントロニクスデバイスの概念的斜視図であり、図１（ｂ）はスピン流及び電流の状態を示す図である。

図１（ａ）に示すように、絶縁性基板１上に異方導電性を有するスピン流−電流相互変換部材層２を設け、その上に、エネルギーの供給により純スピン流或いはスピン波スピン流を発生するスピン流発生部材層３を形成するとともに、スピン流−電流相互変換部材層２の両端に一対の電極４_１，４_２を形成する。なお、試験測定に際しては、一対の電極４_１，４_２に引出電極５_１，５_２を介して電圧計６に接続する。

このスピントロニクスデバイスをスピン流−電流変換素子として説明すると、上記の一対の電極と直交する方向に磁場を印加した状態でマイクロ波を照射してスピンポンピングを行うことにより、スピン流発生部材層３である磁性層に誘起されたスピン流ｊ_ｓがｘ方向に流れ、スピン流−電流相互変換部材層２である逆スピンホール効果部材層との界面近傍においてスピン−軌道相互作用によってｙ方向の電流ｊ_ｃに変換されて一対の電極４_１，４_２の間に起電力Ｅ_ＩＳＨＥが出力される。

本願発明者は、大きなスピン流−電流変換効率を実現する過程で、スピン−軌道相互作用がほとんどなく、したがって、スピンホール角θ_ＳＨＥが０に近いと予測される有機導電体についても、逆スピンホール効果の検証を行った。その結果、強いスピン−軌道相互作用を有しているＧａＡｓのスピンホール角θ_ＳＨＥが０．１％程度であるのに対して、０．０４２％以上という予想外の大きな値が得られた。

この測定結果について、鋭意検討を行った結果、スピンホール角θ_ＳＨＥはα_Ｈとイコールではなく、逆スピンホール効果部材の有する異方導電性により、スピン流の流れる方向の電気伝導度をσ_ｘとし、電流の流れる方向の電気伝導度をσ_ｙとすると、
θ_ＳＨＥ＝（σ_ｙ／σ_ｘ）×α_Ｈ
で表わされるとの結論に至った。したがって、σ_ｙ／σ_ｘの値の大きな異方導電性を有する材料を用いることにより１００％以上の変換効率も可能になることを見出した。

なお、この場合の絶縁性基板１としては、表面が絶縁性であれば何でも良いが、ガラス基板、表面にＳｉＯ_２膜を設けたシリコン基板或いはサファイア基板等が挙げられ、スピン流発生部材層３を単結晶にする場合には、ＧＧＧ（Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）等の単結晶基板を用いる。

スピン流発生部材層３を磁性体層とする場合には、原理的には、Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０等の金属磁性体でも、磁性半導体でも、或いは、磁性誘電体でも良い。磁性誘電体としては、ＦｅやＣｏを含むものであれば何でも良いが、ガーネットフェライト、スピネルフェライト、或いは、六方晶フェライト、特に、実用的には、入手が容易で且つスピン角運動量の散逸の小さいＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）やイットリウムガリウム鉄ガーネット、即ち、一般式で表記するとＹ_３Ｆｅ_５-ｘＧａ_ｘＯ_１２（但し、０≦ｘ＜５）からなるガーネットフェライト、或いは、ＹＩＧのＹサイトをＢｉ等の原子で置換したガーネットフェライト、例えば、Ｂｉ_ｘＹ_３−ｘＦｅ_５Ｏ_１２等を用いることが望ましい。

また、磁性体層として、Ｙ_３Ｆｅ_５-ｘＧａ_ｘＯ_１２（但し、０≦ｘ＜５）等の磁性誘電体を用いる場合には、スパッタ法、ＭＯＤ法（Ｍｅｔａｌ-ｏｒｇａｎｉｃ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ：有機金属塗布熱分解法）、ゾル−ゲル法、液相エピタキシー法、フローティングゾーン法、或いは、エアロゾルデポジッション法のいずれを用いても良い。また、磁性誘電体の結晶性としては単結晶でも良いし或いは多結晶でも良い。

ＭＯＤ法を用いる場合には、例えば、ＧＧＧ（Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）単結晶基板上に、例えば、Ｙ_３Ｆｅ_４ＧａＯ_１２組成のＭＯＤ溶液をスピンコート法で塗布する。この場合のスピンコート条件としては、まず、５００ｒｐｍで５秒間回転させたのち、３０００〜４０００ｒｐｍで３０秒間回転させてＭＯＤ溶液を焼成後の膜厚が１００ｎｍになるように均一に塗布する。なお、ＭＯＤ溶液としては、例えば、（株）高純度化学研究所製のＭＯＤ溶液を用いる。

次いで、例えば、１５０℃に加熱したホットプレート上で５分間乾燥させて、ＭＯＤ溶液に含まれる余分な有機溶媒を蒸発させ、次いで、電気炉中において、例えば、５５０℃で５分間加熱する仮焼成によって酸化物層とする。

次いで、電気炉中において、７５０℃で１〜２時間加熱する本焼成において酸化物層の結晶化を進めてＹＩＧ層とする。最後に、ＹＩＧ層を所定のサイズに切り出せば良い。

また、エアロゾルデポジション法を用いる場合には、例えば、平均粒径が１μｍのＦｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ,ＺｎＯそれぞれ、５０ｍｏｌ％、２７ｍｏｌ％、２３ｍｏｌ％のエアロゾル用粉体を用い、例えば、開口が０．４ｍｍ×１０ｍｍのノズルを用いてキャリガスとなるＡｒガスを１０００ｓｃｃｍ流して基板上に噴射させて堆積させれば良い。

また、スピン流発生部材は、磁性体に限られるものではなく、エネルギーの供給により純スピン流或いはスピン波スピン流を発生する部材であれば何でも良く、例えば、閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体、例えば、ＧａＡｓ等を用いても良い。閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体は、半導体の有する基礎吸収端よりエネルギーが少し大きな円偏光した光で励起されると、価電子帯から伝導帯にスピン偏極電子が励起されてスピン流が発生する。

また、このような異方導電性を有するスピン流−電流相互変換部材をスピンホール効果部材として用いた場合には、発生するスピン流を増大することができ、例えば、磁化スイッチングによる磁気メモリの性能を高めることができる。

また、異方導電性を有するスピン流−電流相互変換部材としては、導電性ポリマー、有機自己組織化膜、有機電荷移動錯体伝導体、層状遷移金属酸化物、或いは、３次元トポロジカル絶縁体のいずれかを用いれば良い。

導電性ポリマーとしては、π共役系ポリマーが好ましい。電子（ホール）がπ軌道を経由して移動するため、π軌道の方向に起因した電気伝導の異方性を有するからである。π共役系ポリマーとしては、ポリアセチレン等の脂肪族共役系ポリマー、ポリパラフェニレン等の芳香族共役系ポリマー、ポリパラフェニレンビニレン等の混合型共役系ポリマー、ポリチオフィン、ポリピロール、ＰＥＤＯＴ〔ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）〕等の複素環共役系ポリマー、グラフェン等の二次元共役系ポリマーが挙げられる。ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ：ｐｏｌｙ（４−ｓｔｙｒｅｎｅｓｕｆｏｎａｔｅ））を高分子ドーパントにして水や有機溶剤に分散したＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは、スピンコートという簡便な方法で導電性薄膜を製膜できるため好ましい。ＰＳＳに代えてＰＶＳ（ポリビニルスルホン酸）を用いても良い。或いは、ＰＢＴＴＴ〔ｐｏｌｙ（２，５−ｂｉｓ（３−ａｌｋｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎ−２−ｙｌ）ｔｈｉｅｎｏ[３，２−ｂ］ｔｈｉｏｐｈｅｎｅ〕とＦ４−ＴＣＮＱ〔２，３，５，６−ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏ−−７，７，８，８−ｔｅｔｒａｃｙａｎｏｑｕｉｎｏｄｉｍｅｔｈａｎｅ〕が挙げられる。

また、層状遷移金属酸化物としてはＬａ_２−ｘＳｒ_ｘＣｕＯ_４等が挙げられる。なお、３次元トポロジカル絶縁体は、名称は絶縁体であるが内部が絶縁性であるだけで、表面は伝導体になっている。

また、素子の積層構造としては、図１（ａ）に示した構造に限られるものではなく、絶縁性基板１上にスピン流発生部材層３を形成し、その上に異方導電性を有するスピン流−電流相互変換部材層２を形成しても良い。

本発明の実施の形態においては、スピン流−電流相互変換部材として異方導電性を有する部材を用いているので、スピンホール角θ_ＳＨＥは（σ_ｙ／σ_ｘ）×α_Ｈとなり、注入されたスピン流を１００％以上の変換効率で電流に変換することができる。また、スピン流−電流相互変換部材層２からスピン流発生部材層３に電流を注入した場合には、注入された電流を１００％以上の変換効率でスピン流に変換することができる。

ここで、図２乃至図８を参照して、本発明の実施例１のスピン流−電流変換素子を説明する。図２は、本発明の実施例１のスピン流−電流変換素子の製造工程の説明図であり、まず、図２（ａ）に示すように、ガラス基板１１上にＰＥＤＯＴ〔ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）〕とＰＳＳ〔ｐｏｌｙ（４−ｓｔｙｒｅｎｅｓｕｆｏｎａｔｅ）〕とを混合した液を滴化し、スピンコート法によりＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜１２を形成する。

次いで、図２（ｂ）に示すように、電子ビーム蒸着法を用いてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜１２上に２．０ｍｍ×２．５ｍｍのサイズのＮｉ_８０Ｆｅ_２０膜１３を堆積する。なお、電子ビーム蒸着法の代わりにスパッタリング法を用いても良い。次いで、図２（ｃ）に示すように、マスク蒸着法を用いて、Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０膜１３の端部から５００μｍ離れた位置に２．０ｍｍ×０．５ｍｍの細部で一対のＡｕ電極１４_１，１４_２を形成することによって、スピン流−電流変換素子の基本構造が完成する。

図３は、ＰＥＤＯＴとＰＳＳの分子構造図であり、図３（ａ）はＰＥＤＯＴの分子構造図であり、図３（ｂ）はＰＳＳの分子構造図である。このＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜１２は、スピンコートした面内方向の電気伝導度が膜厚方向の電気伝導度より非常に大きくなる。

図４は、本発明の実施例１のスピン流−電流変換素子の概略的斜視図であり、一対のＡｕ電極１４_１，１４_２を結ぶ線と直交する方向に磁場Ｈを印加した状態でマイクロ波を照射する。

図５は、磁場をＨ方向に印加した場合の特性図であり、図５（ａ）は出力電圧Ｖの磁場強度依存性の説明図であり、共鳴磁場Ｈ_ＦＭＲが１３６ｍＴ近傍にあり、この、共鳴磁場Ｈ_ＦＭＲの近傍で大きな出力電圧が観測された。図５（ｂ）は出力電圧のマイクロ波電力依存性の説明図であり、出力電圧はマイクロ波電力の増大と共にリニアに増大する。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは、σ_ｙ／σ_ｘ＞１０^５であることは知られており、スピン−軌道相互作用が極めて小さいにもかかわらず、このような出力電圧が得られた理由は非常大きな異方導電性にあると考えられる。

図６は、磁場を−Ｈ方向に印加した場合の特性図であり、図６（ａ）は出力電圧Ｖの磁場強度依存性の説明図であり、図６（ｂ）は出力電圧のマイクロ波電力依存性の説明図であり、出力電圧はマイクロ波電力の増大と共にリニアに増大する。この場合、図４の特性と出力電圧の正負が反対になった特性が得られた。

図７は、図５及び図６の結果をまとめたものであり、図７（ａ）はマイクロ波の吸収スペクトルであり、１３６ｍＴの近傍に吸収ピークが見られ、この位置が共鳴磁場Ｈ_ＦＭＲとなる。図７（ｂ）は、出力電圧Ｖの磁場強度依存性の説明図であり、ここでは、Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０膜１３とＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜１２との間にＳｉＯ_２膜を介在させた試料の測定結果も併せて示している。ＳｉＯ_２膜を介在させた試料においては、ＳｉＯ_２が絶縁膜であることからＮｉ_８０Ｆｅ_２０膜１３からＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜１２にスピン流が注入されないので、出力電圧は０になる。

図８は、他の諸特性の説明図である。図８（ａ）は、測定開始から１５秒後に１００ｍＷのマイクロ波を照射した場合の出力電圧の説明図であり、マイクロ波を照射すると５μＶ程度の出力電圧ΔＶ＝Ｖ_{１００ｍＷ}−Ｖ_０ｍＷ）が得られた。

図８（ｂ）は出力電圧のスイープレート依存性の説明図であり、スイープレートを１ｍＴ／s，３ｍＴ／ｓ，５ｍＴ／ｓの３つのレートでマイクロ波を照射しても出力電圧に変化は見られなかった。この結果は、マイクロ波を吸収すると素子温度が上昇するが、出力電圧に変化がないということは、出力電圧に温度は寄与していないことを意味する。なお、スイープレート１ｍＴ／ｓは、１秒間に１ｍＴ〔ミリテスラ〕変化させる磁場スイープを表す。

図８（ｃ）は、出力電圧のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ膜厚依存性の説明図であり、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの膜厚が５０ｎｍを超えると出力電圧が低下することが実験的にも確認された。これは、スピン−軌道相互作用によるスピン流−電流変換が、Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０膜１３とＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜１２との界面近傍で生じていることを意味する。

このように、本発明の実施例１においては、逆スピン−ホール効果部材として異方導電性の大きなＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを用いているので、スピン−軌道相互作用が非常に小さいにもかかわらず、大きな出力電圧Ｅ_ＩＳＨＥが得られた。

次に、図９乃至図１３を参照して、本発明の実施例２のスピン流−電流変換素子を説明する。図９及び図１０は、本発明の実施例２のスピン流−電流変換素子の製造工程の説明図であり、まず、図９（ａ）に示すように、ＧＧＧ（Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）単結晶基板２１上に、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２組成のＭＯＤ溶液をスピンコート法で塗布する。この場合のスピンコート条件としては、５０００ｒｐｍで６０秒間回転させてＭＯＤ溶液２２を焼成後の膜厚が２００ｎｍになるように均一に塗布する。

次いで、図９（ｂ）に示すように、例えば、５０℃に加熱したホットプレート上で５分間乾燥させて、ＭＯＤ溶液２２に含まれる余分な有機溶媒を蒸発させ、次いで、電気炉中において、例えば、４８０℃で６０分間加熱する仮焼成によって酸化物層２３とする。

次いで、図９（ｃ）に示すように、電気炉中において、７２５℃で１０時間加熱する本焼成において酸化物層２３の結晶化を進めてＹＩＧ層２４とする。次いで、図１０（ｄ）に示すように、ＹＩＧ層２４を２ｍｍ×２ｍｍのサイズにＧＧＧ単結晶基板２１ごと切り出す。

次いで、図１０（ｅ）に示すように、ＹＩＧ層２４の表面にＰＥＤＯＴとＰＳＳとを混合した液を滴化し、スピンコート法により厚さが５０ｎｍのＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜２５を形成する。最後に、図１０（ｆ）に示すように、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜２５の両端に一対のＡｕ電極２６_１，２６_２を形成する。

図１１は、本発明の実施例２のスピン流−電流変換素子の概略的斜視図であり、一対のＡｕ電極２６_１，２６_２を結ぶ線と直交する方向に磁場Ｈを印加した状態でのマイクロ波を照射する。

図１２は、本発明の実施例２のスピン流−電流変換素子のマイクロ波吸収特性及び出力電圧の説明図であり、図１２（ａ）に示すように、この実施例２においても実施例１と同様のマイクロ波吸収特性が得られた。また、図１２（ｂ）に示すように、６．５ＧＨｚのマイクロ波を照射した場合、実施例１と同様の出力特性が得られた。

図１３は、本発明の実施例２のスピン流−電流変換素子の共鳴磁場強度Ｈ_ＦＭＲのマイクロ波周波数依存性及び出力電圧のマイクロ波周波数依存性の説明図である。図１３（ａ）に示すように、共鳴磁場強度Ｈ_ＦＭＲはマイクロ波周波数の増大と共に増大する。また、図１３（ｂ）に示すように、出力電圧はマイクロ波周波数の増大と共に若干低下する。

本発明の実施例２においては磁性体として、磁性誘電体を用いているが、金属磁性体を用いた場合と同様に、逆スピンホール効果部材の有する大きな異方導電性によりスピン−軌道相互作用の強さからは予測し得ない程度の大きさの出力電圧が得られた。

次に、図１４乃至図１６を参照して、本発明の実施例３のスピン流−電流変換素子を説明する。図１４は、本発明の実施例３のスピン流−電流変換素子の概略的斜図であり、ガラス基板３１上にＮｉ_８０Ｆｅ_２０膜３２を形成し、その上に、逆スピンホール効果部材層となるＰＢＴＴＴとＦ４−ＴＣＮＱとを混合した溶液を滴化して、スピンコート法により厚さが５０ｎｍのＰＢＴＴＴ：Ｆ４−ＴＣＮＱ膜３３を形成する。

次いで、ＰＢＴＴＴ：Ｆ４−ＴＣＮＱ膜３３の両端に一対のＡｕ電極３４_１，３４_２を形成し、一対のＡｕ電極３４_１，３４_２を結ぶ線と直交する方向に磁場Ｈを印加した状態でのマイクロ波を照射する。

図１５は、ＰＢＴＴＴとＦ４−ＴＣＮＱの分子構造図であり、図１５（ａ）はＰＢＴＴＴの分子構造図であり、図１５（ｂ）はＦ４−ＴＣＮＱの分子構造図である。このＰＢＴＴＴ：Ｆ４−ＴＣＮＱ膜３３も、スピンコートした面内方向の電気伝導度が膜厚方向の電気伝導度より非常に大きくなる。

図１６は、本発明の実施例３のスピン流−電流変換素子の出力特性の説明図であり、この場合も理論計算結果とほぼ一致する出力電圧特性が得られた。

本発明の実施例３においては、導電性ポリマーとして、ＰＢＴＴＴとＦ４−ＴＣＮＱを用いているが、実施例１に示したＰＥＤＯＴ：ＰＳＳと同様の出力電圧特性が得られた。このことは、逆スピンホール効果によるスピン流−電流変換効率の増大は、限られた特定の材料によるものではなく、異方導電性を有する部材であれば、同様な結果が得られることを意味する。

次に、図１７を参照して、本発明の実施例４のスピン流−電流変換素子を説明する。図１７は、本発明の実施例４のスピン流−電流変換素子を説明図であり、図１７（ａ）は本発明の実施例４のスピン流−電流変換素子の概念的斜視図であり、図１７（ｂ）は電流とスピン流の関係を示す斜視図である。

図１７（ａ）に示すように、４.７×１０^１８ｃｍ^−３のＳｉをドープしたｎ型ＧａＡｓ層４１の上に、ＰＥＤＯＴとＰＳＳとを混合した液を滴化し、スピンコート法により厚さが５０ｎｍのＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜４２を形成する。次いで、マスク蒸着法を用いて、２．０ｍｍ×０．５ｍｍの細部で一対のＡｕ電極４３_１，４３_２を形成することによって、スピン流−電流変換素子の基本構造が完成する。

このスピン流−電流変換素子に波長λがλ＝６７０ｎｍ（ｈν＝１．８５ｅＶ）で１０ｍＷの円偏光光４４を照射すると、ＧａＡｓ層４１においてスピン流が発生する。即ち、ＧａＡｓの有する基礎吸収端よりエネルギーが少し大きな円偏光光４４で励起しているので、価電子帯から伝導帯にスピン偏極電子が励起されてスピン流が発生する。なお、この場合、円偏光光４４は、一対のＡｕ電極４３_１，４３_２を結ぶ方向と交差する方向に照射する必要があり、典型的には直交する方向に照射する。

図１７（ｂ）に示すように、発生したスピン流Ｊ_ｓはＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜４２に流入する際に、界面においてスピン−軌道相互作用によって電流に変換され、一対のＡｕ電極４３_１，４３_２の間に起電力Ｅ_ＩＳＨＥが出力される。この時、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜４２はスピン流Ｊ_ｓの流入方向の導電性が低い異方導電性を有しているので、変換効率が高くなる。

この実施例４のスピン流−電流変換素子は、円偏光光の高感度な検出素子として使用することが期待できるともに、環境中の光における円偏光成分を電力変換することも可能になる。

次に、図１８を参照して、本発明の実施例５のスピン流−電流変換素子を説明する。図１８は、本発明の実施例５のスピン流−電流変換素子の概略的斜視図であり、ＧＧＧ単結晶基板５１上に、ＹＩＧ層５２を形成する。その上に、ＰＥＤＯＴとＰＳＳとを混合した液を滴化し、スピンコート法により厚さが５０ｎｍのＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜５３を形成する。次いで、マスク蒸着法を用いて、２．０ｍｍ×０．５ｍｍの細部で一対のＡｕ電極５４_１，５４_２を形成することによって、スピン流−電流変換素子の基本構造が完成する。

ここで、磁場Ｈを図において長手方向に印加した状態でＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜５３を設けなかった側に熱源５５を当接させて、図において長手方向に温度差▽Ｔを形成すると、スピン−ゼーベック効果により熱的にスピン流が発生し、逆スピンホール効果によりＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜５３の両端に設けた一対のＡｕ電極５４_１，５４_２の間に熱起電力が得られる。

この実施例５のスピン流−電流変換素子は、熱電素子とし機能するので、環境中の熱源、例えば、体温や廃熱を利用した発電が可能になる。

次に、図１９を参照して、本発明の実施例６のスピン流−電流変換素子を説明する。図１９は、本発明の実施例６のスピン流−電流変換素子の概略的斜視図であり、一対の電極６３_１，６３_２で挟まれたＰＺＴ層６２からなるピエゾ効果素子６１上に、ＹＩＧ層６４を設ける。その上に、ＰＥＤＯＴとＰＳＳとを混合した液を滴化し、スピンコート法により厚さが５０ｎｍのＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜６５を形成する。次いで、マスク蒸着法を用いて、２．０ｍｍ×０．５ｍｍの細部で一対のＡｕ電極６６_１，６６_２を形成し、その上にヒートシンクとなるシリコーン樹脂層６７を設けることによって、スピン流−電流変換素子の基本構造が完成する。

ここで、磁場Ｈを図において長手方向に直交する方向に印加した状態でピエゾ効果素子６１に交流電圧を印加するとバルク音波が発生して、ＹＩＧ層６４中に伝達される。ＹＩＧ層６４中においてマグノン−フォノン相互作用により音波からスピン波へエネルギー移行することによって音響誘起のスピン流が発生する。

発生したスピン流は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜５３に流入して逆スピンホール効果によりＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜６５の両端に設けた一対のＡｕ電極６６_１，６６_２の間に起電力が得られる。

ここでは、原理を明らかにするために、ピエゾ効果素子を設けているが、ピエゾ効果素子の代わりに振動源に対してＹＩＧ層／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜からなるスピン流−電流変換素子を当接することによって、振動源の振動を電圧に変換することができる。

次に、図２０を参照して、本発明の実施例７のスピンＲＡＭを説明するが、スピンＲＡＭ自体の構造は、従来のスピンＲＡＭを同様であり、メモリセル部分が異なるだけであるので、メモリセル部分を説明する。なお、この実施例は、逆スピンホール効果を用いるものではなく、電流をスピン流に変換するスピンホール効果を用いるものである。

図２０は、本発明の実施例７のスピンＲＡＭの説明図であり、図２０（ａ）はメモリセルを構成する磁気抵抗効果素子近傍の概略的斜視図であり、図２０（ｂ）は純スピン流の注入原理の説明図である。図２０（ａ）に示すように、下部電極７１上にフリー層７３、ＭｇＯ或いはＡｌ−Ｏ等のトンネル絶縁膜７４、ピンド層７５、及び、反強磁性層７６からなるＴＭＲ要素７２を設け、反強磁性層７６に接するようにビット線７７を設ける。

一方、フリー層７３に接するように層状遷移金属酸化物であるＬａ_２−ｘＳｒ_ｘＣｕＯ_４からなるスピン注入電極７８を設け、このスピン注入電極７８に対して接続配線７９_１，７９_２を設ける。この場合、スピン注入電極７８の長手方向がＴＭＲ要素７２の長手方向と直交する方向になるように配置する。ここでは、層状遷移金属酸化物であるＬａ_２−ｘＳｒ_ｘＣｕＯ_４の結晶方位を制御することによって、薄膜面直方向の電気伝導度が面内方向の電気伝導度より大きくして、異方導電性を持たせている。

図２０（ｂ）に示すように、スピン注入電極７８に対して電流Ｊ_ｃを流すと、電流Ｊ_ｃ に垂直な向きに電荷の流れを伴わない純スピン流Ｊ_ｓが発生してフリー層７３に注入される。この時、純スピン流Ｊ_ｓにおけるスピンの向きσ_ｓは電流Ｊ_ｃ及び純スピン流Ｊ_ｓの双方に対して直交する向きとなり、フリー層７３の磁化方向Ｍを変換するように作用する。

この実施例７においては、スピン注入電極として異方導電性を有する層状遷移金属酸化物を用いているので、スピン流の注入効率を材料自身が有する電流−スピン流変換効率より大きくすることができる。

１ 絶縁性基板
２ スピン流−電流相互変換部材層
３ スピン流発生部材層
４_１，４_２ 電極
５_１，５_２ 引出電極
６ 電圧計
１１ ガラス基板
１２ ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜
１３ Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０膜
１４_１，１４_２ Ａｕ電極
２１ ＧＧＧ単結晶基板
２２ ＭＯＤ溶液
２３ 酸化物層
２４ ＹＩＧ層
２５ ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜
２６_１，２６_２ Ａｕ電極
３１ ガラス基板
３２ Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０膜
３３ ＰＢＴＴＴ：Ｆ４−ＴＣＮＱ膜
３４_１，３４_２ Ａｕ電極
４１ ＧａＡｓ層
４２ ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜
４３_１，４３_２ Ａｕ電極
４４ 円偏光光
５１ ＧＧＧ単結晶基板
５２ ＹＩＧ層
５３ ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜
５４_１，５４_２ Ａｕ電極
５５ 熱源
６１ ピエゾ効果素子
６２ ＰＺＴ層
６３_１，６３_２ 電極
６４ ＹＩＧ層
６５ ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被膜
６６_１，６６_２ Ａｕ電極
６７ シリコーン樹脂
７１ 下部電極
７２ ＴＭＲ要素
７３ フリー層
７４ トンネル絶縁膜
７５ ピンド層
７６ 反強磁性層
７７ ビット線
７８ スピン注入電極
７９_１，７９_２ 接続配線

Claims (8)

1. エネルギーの供給により純スピン流或いはスピン波スピン流を発生するスピン流発生部材層と、
   前記スピン流発生部材層に接合し、スピン流を電流に変換する或いは電流をスピン流に変換するスピン流−電流相互変換部材層と、
   前記スピン流−電流相互変換部材層に設けられ、前記電流の流れる方向の上流側と下流側に設けられた一対の電極と
   を有し、
   前記スピン流−電流相互変換部材層が、スピン流の流入方向の電気伝導度が他の方向の電気伝導度より低い異方導電性を有し、
   前記異方導電性を有するスピン流−電流相互変換部材層が、導電性ポリマー、有機自己組織化膜、有機電荷移動錯体伝導体、層状遷移金属酸化物、或いは、３次元トポロジカル絶縁体のいずれかからなるスピントロニクスデバイス。
2. 前記スピン流発生部材層が磁性体層であり、
   前記スピン流−電流相互変換部材層が、逆スピンホール効果部材層である請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
3. 前記供給されるエネルギーが、熱、マイクロ波、光或いは音波のいずれかである請求項２に記載のスピントロニクスデバイス。
4. 前記逆スピンホール効果部材層を、絶縁性基板上に設けるとともに、前記逆スピンホール効果部材層の上に前記磁性層を設けた請求項３に記載のスピントロニクスデバイス。
5. 前記磁性層を、絶縁性基板上に設けるとともに、前記磁性層の上に前記逆スピンホール効果部材層を設けた請求項３に記載のスピントロニクスデバイス。
6. 前記スピン流発生部材層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体層であり、
   前記スピン流−電流相互変換部材層が、逆スピンホール効果部材層であり、
   前記供給されるエネルギーが円偏光光である請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
7. 前記スピン流発生部材層が磁性体層であり、
   前記スピン流−電流相互変換部材層が、スピンホール効果部材層であり、
   前記供給されるエネルギーが注入電流である請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
8. 前記導電性ポリマーが、ＰＥＤＯＴとＰＳＳとを混合したポリマーであるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳまたはＰＢＴＴＴとＦ４−ＴＣＮＱとを混合したポリマーであるＰＢＴＴＴ：Ｆ４−ＴＣＮＱである請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。