独立行政法人日本原子力研究開発機構/国立大学法人千葉大学/大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構

平成25年7月16日
独立行政法人日本原子力研究開発機構
国立大学法人千葉大学
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構

グラフェンと磁性金属の界面で起こる特異な電子スピン配列を発見
−グラフェンへのスピン注入の効率化に新たな指針−

【発表のポイント】

独立行政法人日本原子力研究開発機構(理事長 松浦祥次郎)先端基礎研究センターの松本吉弘任期付研究員、境誠司グループリーダー、国立大学法人千葉大学(学長 齊藤康)大学院融合科学研究科の小出明広氏、藤川高志教授、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構(機構長 鈴木厚人)物質構造科学研究所の雨宮健太教授らは、グラフェン1)と磁性金属(ニッケル)薄膜の接合体について、界面の近傍で生じる電子スピン2)の特異な配列状態の存在を明らかにしました。

グラフェンは、スピン情報の伝達に優れた性質を有することから、次世代スピントロニクス3)の基盤材料として世界的に注目されています。グラフェンをスピン素子に用いるためには、電子スピンの向きに偏り(スピン偏極)2)を持つ磁性金属などから、グラフェンにスピン偏極した電子を移動(スピン注入)させる必要があります。その際に電子のスピン偏極を保つことなど、スピン注入効率の向上が応用の実現に向けた課題となっています。スピン注入は、磁性金属等のスピン注入源とグラフェンの接合面(界面)を介して行うため、効率的なスピン注入源の設計には界面の電子スピン状態の理解が重要です。

今回、当研究チームは、原子層スケールの分解能で表面からの深さが異なる場所の電子スピン状態を検出できる、深さ分解X線磁気円二色性分光法4)を用いて、グラフェンと磁性金属(ニッケル)薄膜の接合体を分析しました。通常、磁性金属の薄膜はスピンの向きが面に沿って(面内方向に)配列する性質があります。しかし、本研究の結果、グラフェンとニッケル薄膜の界面では、界面からわずか数原子層の領域で、電子スピンの配列の向きが面内方向から面に垂直な方向(面直方向)に回転していることが明らかになりました。これまでのスピン注入源では、このような界面に特有の電子スピン配列状態は考慮されておらず、スピン注入を妨げる原因になっていた可能性があります。今後、本成果を新たな設計指針とすることで、グラフェンへの高効率スピン注入の実現に道を拓くことが期待できます。

本研究成果は、英国王立化学会誌「Journal of Materials Chemistry C」に近日中に掲載されます。

以上

参考部門・拠点:先端基礎研究センター

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