原子膜半導体中のスピン情報を高効率で取り出し：障壁の高さを従来の10分の1に低減

TMDスピントロニクスの研究をさらに加速

　京都大学大学院工学研究科電子工学専攻のSachin Gupta特定助教と白石誠司教授らによるグループは2021年2月、東京都立大学大学院理学研究科の宮田耕充准教授らと共同で、原子膜半導体である「二硫化モリブデン（MoS₂）」の中にあるスピン情報を効率よく取り出すことに成功したと発表した。

　原子膜半導体である遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）は、モリブデン（Mo）やタングステン（W）などの遷移金属元素と、硫黄（S）やセレン（Se）、テルル（Te）といったカルコゲン元素からなる化合物で、次世代半導体材料の有力な物質として注目されている。固体潤滑剤として有名なMoS₂は、TMDの1つである。

　白石教授らの研究グループはこれまで、TMDの中にあるスピン情報を効率よく取り出し、低電力で演算を行うための研究を行ってきた。ここで課題となったのが、強磁性体（FM）である垂直磁化膜とTMDの界面に存在する高い障壁である。

　研究グループは今回、気相成長法を用いて作製した高品質のMoS₂上に、垂直磁化膜としてコバルト（Co）と白金（Pt）からなる多層膜を新たに成長させた。試作した素子の障壁高さを測定した結果、従来に比べて障壁の高さは10分の1に下がり、FMとMoS₂の間にほぼ障壁がない状態を作りだすことに成功した。

左は二硫化モリブデン（MoS₂）の構造図、右は今回作製した素子の模式図 出典：京都大学

　研究グループは、Co／Pt多層膜を用いたことで障壁の高さを下げられた理由について、「気相成長法によるTMDを用いたことで、その電子構造が維持された」ことや、「Ptが比較的周囲の材料から影響を受けて、電子構造を変えやすい材料である」ことを挙げた。

　今回の研究成果により、MoS₂などのTMD材料が持つスピン情報を、効率よく外部に取り出すことが可能となった。これにより「TMDスピントロニクス」という新たな研究領域が大きく進展するとみている。