ひずみ方向を検出する「フレキシブルスピンデバイス」を東大が開発、動作実証に成功

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実験で用いた素子の構造と写真

東京大学は2018年2月9日、ひずみ方向を検出する「フレキシブルスピンデバイス」の動作実証に成功したと発表した。

ひずみセンサは、電気抵抗が長さに比例し、断面積に反比例する仕組みを用いてひずみの大きさを検出する。そのため、従来のセンサでは、ひずみを検出する方向が予め決まっていた。一方、磁石は、伸び縮みさせると、その方向に応じて磁化の方向も変化する磁気弾性効果という性質が知られている。また、磁石ではない層(スペーサ層)を二枚の金属磁石の層(フリー層・ピン層)で挟み込んだ素子構造をスピンバルブというが、スペーサ層が、銅などの磁石ではない金属のときに、抵抗が変化する現象を巨大磁気抵抗効果という。

研究グループは、この磁気弾性効果と巨大磁気抵抗効果に着目。コバルト層とパーマロイ(鉄・ニッケルの合金)で銅の層を挟み込んだスピンバルブを、柔らかいポリエチレンナフタレートフィルム上に作製した。

コバルト層は引っ張られた方向に磁化が向きやすく、パーマロイ層の磁化はひずみに対して鈍感な性質がある。スピンバルブは通常、「磁界に対する磁化応答の敏感度」に差をつけてフリー層とピン層を作り分けるが、このスピンバルブは「ひずみに対する敏感度」に差をつけて作製した。この素子のピン層(パーマロイ)の磁化とひずみ方向がなす角度を大きくしていくと、フリー層(コバルト)の磁化方向だけがひずみ方向に追従し、ピン層の磁化に対して相対角度が大きくなる。そのため、巨大磁気抵抗効果により電気抵抗が増大する。その抵抗の変化の様子は、予測と一致し、ひずみの大きさではなく、方向を検出することに成功した。

同研究グループによると、スピンバルブ構造は集積化も容易であるため、場所によって異なるひずみの方向を素子ごとの抵抗の違いとして可視化することもできるという。また、同成果は、電子の磁気的性質であるスピンを活用する「スピントロニクス」と、柔らかい電子部品を創り出す「フレキシブルエレクトロニクス」を融合した学際研究であるとし、今後の展開が期待されるとしている。

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