基板にひずみを加えるだけで素子内の熱流方向を制御――スピンカロリトロニクス現象と磁気弾性現象を組み合わせて実現 大阪大など

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フレキシブル基板上に形成したΠ字型の金属磁性薄膜の光学顕微鏡象(左)ゼロ磁界における試料の熱分布(右)

大阪大学は2019年9月13日、東京大学、豊田工業大学、物質・材料研究機構と共同で、数~十数ナノメートル厚の金属磁性体薄膜に電流を流した際に発生する熱流の方向を、ひずみを加えることによって能動的に制御できることを実証したと発表した。

この新しい熱エネルギー制御手法は、磁性体における熱流と電流の変換に関する物理現象「スピンカロリトロニクス現象」と、磁性体に加わるひずみによって磁気特性が変化する物理現象「磁気弾性現象」とを組み合わせたものだという。

実験ではフレキシブル基板上に製膜した数~十数ナノメートル厚の金属磁性体の薄膜を準備。薄膜はひずみを加えていない状態では磁化が膜面に垂直な方向を向くようになっている。この基板を引っ張ることによって金属磁性体薄膜にひずみを加えると、磁気弾性現象により、外部磁界がゼロのときの磁化の方向は膜面垂直方向から膜面内方向へ90度変化する。これによって、スピンカロリトロニクス現象により生じる熱流方向も、磁化方向の変化に付随して90度変化することが期待できるという。

実際にフレキシブル基板上の金属磁性体の薄膜を、Πの字型の細線形状に加工した試料に電流を流しながら熱分布を測定したところ、ひずみがゼロのときはΠの字型細線の端に異なる符号の温度変化が生じた。これは、上図の左のように、スピンカロリトロニクス現象により熱流がΠ の字型の細線の幅方向に生じていることが分かった。

一方、基板を引っ張り金属磁性体薄膜にひずみを与えると熱分布が大きく変化し、上図の右のように、膜面垂直方向の熱流が支配的に生じていることが判明した。

今回観測された温度変化信号は小さな値ではあるが、大きなスピンカロリトロニクス現象を示す磁性材料の開発や最適な熱設計により、加熱・冷却能を大幅 に向上させることで、ナノスケールにおけるエレクトロニクスデバイスの熱エネルギー制御技術に展開できる可能性があるという。そして将来的には、今回のような機械的な手法ではなく、近年研究が進む電圧で磁化の方向を制御する省エネルギーかつ電気的手法でも熱流制御できるようになる可能性があるとしている。

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