介川 裕章
磁性・スピントロニクス材料研究センター
スピントロニクスグループ
グループリーダー
Email:SUKEGAWA.Hiroaki[at]nims.go.jp


論文・発表・特許リスト
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  • 専門分野
  • 磁性薄膜
  • スピントロニクス素子(強磁性トンネル接合、TMR素子)
  • 垂直磁化膜
  • ハーフメタル

  • 研究紹介~スピネル型トンネルバリアの開発~
     図1のような強磁性体層/絶縁層(バリア)/強磁性体層の3層構造を持つトンネル磁気抵抗素子(TMR素子,図1)は,2つの強磁性層の相対磁化方向によって電気抵抗を変化させることができます。この特長により,ハードディスクドライブ用の読み出しヘッドや不揮発性メモリ(不揮発磁気抵抗効果型メモリ,MRAM)に応用され,近年の情報化社会の基盤技術として大きな貢献をしています。

    図1:TMR素子の模式図。磁界によって,2つの強磁性体の磁化方向(平行,反平行)を変えることによって抵抗変化が現れる。この抵抗変化率がTMR比である。)

     このTMR素子の出力を左右するのは,TMR比(抵抗変化率)であり,その向上は,TMR素子のさらなる応用の幅を広げるために重要な課題の一つとなっています。そのために私たちが注目しているのは1~2 nm程度という極薄のバリア層に用いる材料です。これまでバリア層の材料として,アモルファスのAl2O3(アルミナ)や結晶質のMgO(酸化マグネシウム)が主として用いられてきました。しかし,それぞれに欠点がないわけではなく,例えば,Al2O3のTMR比は一般的に小さいという問題があり,MgOには潮解性という問題があります。加えてTMR素子に主に用いられる強磁性体(FeやCoFe合金,ホイスラー合金など)とMgOの結晶格子サイズには3~5%の違いがあるため,界面に多数の欠陥が入ってしますという問題もあります。このため,TMR素子のポテンシャルを最大限引き出すことが難しいわけです。例えば,情報読み出しに必要な数百mVのバイアス電圧印加時のTMR比は,ゼロ電圧で観測されるTMR比の半分程度に低下してしまうという問題が知られています。

    図2:MgAl2O4の結晶構造(AB2O4型)の模式図。)

     本テーマでは,新バリア材料として正スピネル構造を有するMgAl2O4スピネル超薄膜(図2)の作製技術の確立を目指しています。このMgAl2O4は,私たちがCo2FeAl0.5Si0.5ホイスラー合金薄膜を用いたTMR素子の開発中に発見したもので,極薄のMg/Al膜をスパッタ法によって作製した後に酸素プラズマを用いて酸化させることによって得ることができます[文献1]。MgAl2O4は,Feやホイスラー合金などの材料に対して格子不整合が極めて小さいため(1%以下),界面に欠陥が非常に少ないエピタキシャル成長※1を実現できます(図3)。また,MgAl2O4には潮解性がなく,自然界に存在する非常に安定な材料であるため,素子化プロセス上のメリットがあります。さらに,最近ではMgAl2O4バリアを用いることで,TMR比がバイアス電圧印加で低下する問題を大幅に改善でき,同時に大きなTMR比の実現も可能であることを明らかにしました[文献2]。今後,作製方法の確立を行うとともに,詳細な伝導特性を明らかにすることで,より高いTMR比を示す素子作製を目指します。
    ※1:エピタキシャル成長:結晶体基板上に,基板と同じ方位関係を持った結晶層を成長させること


    図3:MgO単結晶基板上に作製したFe/MgAl2O4/Fe構造を有するTMR素子の高解像断面透過電子顕微鏡(TEM)像。下部から上部まで結晶方位がそろって成長していることがわかる。)

  • 文献1:Demonstration of Half-Metallicity in Fermi-Level-Tuned Heusler Alloy Co2FeAl0.5Si0.5 at Room Temperature, R. Shan, H. Sukegawa, W. H. Wang, M. Kodzuka, T. Furubayashi, T. Ohkubo, S. Mitani, K. Inomata, and K. Hono, Phys. Rev. Lett. 102, 246601 (2009).
  • 文献2:Tunnel Magnetoresistance with Improved Bias Voltage Dependence in Lattice-Matched Fe/Spinel MgAl2O4/Fe(001) Junctions, H. Sukegawa, H. Xiu, T. Ohkubo, T. Furubayashi, T. Niizeki, W. Wang, S. Kasai, S. Mitani, K. Inomata, and K. Hono, Appl. Phys. Lett. 96, 212505 (2010).

  • 略歴
  • 2023.4 - 現在: 物質・材料研究機構 グループリーダー
  • 2018.4 - 2023.3: 物質・材料研究機構 主幹研究員
  • 2014.4 - 2018.3: 物質・材料研究機構 主任研究員
  • 2007.4 - 2014.3: 物質・材料研究機構 研究員
  • 2007.3: 東北大学大学院工学研究科知能デバイス材料学専攻 博士後期課程修了 工博
  • 2006.4 - 2007.3: 日本学術振興会 特別研究員DC2
  • 2004.9: 東北大学大学院工学研究科材料物性学専攻修了 博士前期課程修了 工修
  • 2002.9: 東北大学工学部材料物性学科中退(博士前期課程進学のため)

  • 所属学会
    日本磁気学会、応用物理学会、日本金属学会、IEEE

    学会委員等
  • 日本磁気学会 第34回学術講演会 実行委員(2010)
  • 応用物理学会 スピントロニクス研究会 企画幹事(2011.4-2013.3)
  • 応用物理学会 アカデミックロードマップ策定委員(2011.4-2013.3)
  • The 12th Joint MMM Intermag Conference, Program Committee(2013)
  • 日本磁気学会 企画委員(2014.4-2017.3)
  • 新世代研究所(ATI)スピントロニクス研究会会員(2018.4-2024.3)
  • 文部科学省科学技術予測センター(NISTEP)専門調査員(2020.4-2022.12)
  • IEEE Magnetics Society Tokyo Chapter(MAG-33 Tokyo)役員(Treasurer)(2021.1-2022.12)
  • IEEE Magnetics Society Tokyo Chapter(MAG-33 Tokyo)役員(Secretary)(2023.1-2024.12)
  • 応用物理学会 スピントロニクス研究会 庶務会計幹事(2023.1-2024.12)
  • 国際固体素子・材料コンファレンス(SSDM) 論文委員(2025.1-2025.12)

  • 受賞
  • 2004.12 財団法人青葉工業振興会 第8回及川研究奨励賞
  • 2010.7 The 2nd International Symposium on Advanced Magnetic Materials and Applications (ISAMMA 2010) Best Poster Award
  • 2011.3 応用物理学会 第29 回(2010 年秋季)講演奨励賞
  • 2017.3 応用物理学会 第9 回(2017 年春季)Poster Award
  • 2017.9 日本磁気学会 優秀研究賞
  • 2019.4 物質・材料研究機構 理事長賞(実用化功績賞)
  • 2020.4 令和2年度科学技術分野の文部科学大臣表彰 若手科学者賞
  • 2020.11 The AUMS Young Researcher Award (Asian Union of Magnetic Societies)

  • Selected Publications All publications (ResearchGate)
    1. Rombang Rizky Sihombing, Thomas Scheike, Jun Uzuhashi, Tadakatsu Ohkubo, Zhenchao Wen, Seiji Mitani, and Hiroaki Sukegawa (corresponding author),
      "Enhanced tunnel magnetoresistance of Fe/MgGa2O4/Fe(001) magnetic tunnel junctions by interface-tuning with atomic scale MgO insertion layers"
      Appl. Phys. Lett. 126, 022407-1~7 (2025).
      Selected as Editor's Pick
      Open access
    2. Jieyuan Song (corresponding author), Thomas Scheike, Cong He, Zhenchao Wen, Tadakatsu Ohkubo, Kwangseok Kim, Hiroaki Sukegawa (corresponding author), and Seiji Mitani,
      "Incommensurate superlattice modulation surviving down to an atomic scale in sputter-deposited Co/Pt(111) epitaxial multilayered films"
      APL Mater. 12, 101120-1~7 (2024).
      Open access
    3. Cong He, Keisuke Masuda, Jieyuan Song, Thomas Scheike, Zhenchao Wen; Yoshio Miura, Tadakatsu Ohkubo, Kazuhiro Hono, Seiji Mitani, and Hiroaki Sukegawa,
      "Nano-crystal domains in Co-based fcc(111) epitaxial magnetic junctions and their impact on tunnel magnetoresistance"
      Acta Mater. 261, 119394-1~14 (2023).
    4. Thomas Scheike, Zhenchao Wen, Hiroaki Sukegawa (corresponding author), and Seiji Mitani,
      "631% room temperature tunnel magnetoresistance with large oscillation effect in CoFe/MgO/CoFe(001) junctions"
      Appl. Phys. Lett. 122, 112404-1~6 (2023).
      Selected as Featured Article
      Open access

    5. Thomas Scheike, Zhenchao Wen, Hiroaki Sukegawa (corresponding author), and Seiji Mitani,
      "Enhanced tunnel magnetoresistance in Fe/Mg4Al-Ox/Fe(001) magnetic tunnel junctions"
      Appl. Phys. Lett. 120, 032404-1~4 (2022).
      Selected as Editor's Pick
      Open access
    6. Muftah Al-Mahdawi, Qingyi Xiang, Yoshio Miura, Mohamed Belmoubarik, Keisuke Masuda, Shinya Kasai, Hiroaki Sukegawa, and Seiji Mitani,
      "Quantum-well tunneling anisotropic magnetoresistance above room temperature"
      Phys. Rev. B 103, L180408-1~6 (2021).
    7. Thomas Scheike, Qingyi Xiang, Zhenchao Wen, Hiroaki Sukegawa (corresponding author), Tadakatsu Ohkubo, Kazuhiro Hono, and Seiji Mitani,
      "Exceeding 400% tunnel magnetoresistance at room temperature in epitaxial Fe/MgO/Fe(001) spin-valve-type magnetic tunnel junctions"
      Appl. Phys. Lett. 118, 042411-1~6 (2021).
      Selected as Featured Article
      Selected as Scilight
    8. Q. Y. Xiang, H. Sukegawa, M. Belmoubarik, M. Al-Mahdawi, T. Scheike, S. Kasai, Y. Miura, and S. Mitani,
      "Realizing Room-Temperature Resonant Tunnel Magnetoresistance in Cr/Fe/MgAl2O4 Quasi-Quantum Well Structures"
      Adv. Sci. 6, 1901438-1~7 (2019).
    9. Ikhtiar, Hiroaki Sukegawa (corresponding author), Xiandong Xu, Mohamed Belmoubarik, Hwachol Lee, Shinya Kasai, and Kazuhiro Hono,
      "Giant tunnel magnetoresistance in polycrystalline magnetic tunnel junctions with highly-textured MgAl2O4(001) based barriers"
      Appl. Phys. Lett. 112, 022408-1~5 (2018).
      Selected as Featured article
    10. Hiroaki Sukegawa, Yushi Kato, Mohamed Belmoubarik, P.-H. Cheng, Tadaomi Daibou, Naoharu Shimomura, Yuuzo Kamiguchi, Junichi Ito, Hiroaki Yoda, Tadakatsu Ohkubo, Seiji Mitani, and Kazuhiro Hono,
      "MgGa2O4 spinel barrier for magnetic tunnel junctions: Coherent tunneling and low barrier height"
      Appl. Phys. Lett. 110, 122404-1~5 (2017).
      Selected as AIP in the news
    11. Hiroaki Sukegawa, Jason Paul Hadorn, Zhenchao Wen, Tadakatsu Ohkubo, Seiji Mitani, and Kazuhiro Hono,
      "Perpendicular magnetic anisotropy at lattice-matched Co2FeAl/MgAl2O4(001) epitaxial interfaces"
      Appl. Phys. Lett. 110, 112403-1~4 (2017).
    12. Thomas Scheike, Hiroaki Sukegawa (corresponding author), Koichiro Inomata, Tadakatsu Ohkubo, Kazuhiro Hono, and Seiji Mitani,
      "Chemical ordering and large tunnel magnetoresistance in Co2FeAl/MgAl2O4/Co2FeAl(001) junctions"
      Appl. Phys. Express 9, 053004-1~4 (2016).
      Selected as Spotlights2016
    13. Mohamed Belmoubarik, Hiroaki Sukegawa (corresponding author), Tadakatsu Ohkubo, Seiji Mitani, and Kazuhiro Hono,
      "MgAl2O4(001) based magnetic tunnel junctions made by direct sputtering of a sintered spinel target"
      Appl. Phys. Lett. 108, 132404-1~5 (2016).
      Selected as APL Editor’s pick
    14. Zhenchao Wen, Hiroaki Sukegawa, Takao Furubayashi, Jungwoo Koo, Koichiro Inomata, Seiji Mitani, Jason Paul Hadorn, Tadakatsu Ohkubo, and Kazuhiro Hono,
      "A 4-Fold-Symmetry Hexagonal Ruthenium for Magnetic Heterostructures Exhibiting Enhanced Perpendicular Magnetic Anisotropy and Tunnel Magnetoresistance"
      Adv. Mater. 26, 6483-6490 (2014).
    15. Hiroaki Sukegawa, Yoshio Miura, Shingo Muramoto, Seiji Mitani, Tomohiko Niizeki, Tadakatsu Ohkubo, Kazutaka Abe, Masafumi Shirai, Koichiro Inomata, and Kazuhiro Hono
      "Enhanced tunnel magnetoresistance in a spinel oxide barrier with cation site disorder",
      Phys. Rev. B 86, 184401-1~5 (2012).
    16. Hiroaki Sukegawa, Huixin Xiu, Tadakatsu Ohkubo, Takao Furubayashi, Tomohiko Niizeki, Wenhong Wang, Shinya Kasai, Seiji Mitani, Koichiro Inomata, and Kazuhiro Hono,
      "Tunnel Magnetoresistance with Improved Bias Voltage Dependence in Lattice-Matched Fe/Spinel MgAl2O4/Fe(001) Junctions"
      Appl. Phys. Lett. 96, 212505-1~3 (2010).
    17. R. Shan, H. Sukegawa, W. H. Wang, M. Kodzuka, T. Furubayashi, T. Ohkubo, S. Mitani, K. Inomata, and K. Hono,
      "Demonstration of Half-Metallicity in Fermi-Level-Tuned Heusler Alloy Co2FeAl0.5Si0.5 at Room Temperature"
      Phys. Rev. Lett. 102, 246601-1~4 (2009).
    18. H. Sukegawa, S. Nakamura, A. Hirohata, N. Tezuka and K. Inomata,
      "Significant Magnetoresistance Enhancement Due to a Cotunneling Process in a Double Tunnel Junction with Single Discontinuous Ferromagnetic Layer Insertion"
      Phys. Rev. Lett. 94, 068304-1~4 (2005).
    Review papers
    1. Kelvin Elphick, William Frost, Marjan Samiepour, Takahide Kubota, Koki Takanashi, Hiroki Sukegawa, Seiji Mitani, and Atsufumi Hirohata,
      "Heusler alloys for spintronic devices: review on recent development and future perspectives"
    2. Sci. Technol. Adv. Mater. 22, 235-271 (2021).
      STAM Altmetrics Award for 2021
      Open access
    3. M. Coll et al.,
      "Towards Oxide Electronics: a Roadmap"
      Appl. Surf. Sci. 482, 1~92 (2019).
      Open access
    4. Atsufumi Hirohata, Hiroki Sukegawa, Hideto Yanagihara, Igor Zutic, Takeshi Seki, Shigemi Mizukami, and Raja Swaminathan,
      "Roadmap for Emerging Materials for Spintronic Device Applications"
      IEEE Trans. Magn. 51, 0800511-1~11 (2015).
      Open access
    5. H. Sukegawa, Z. C. Wen, S. Kasai, K. Inomata, and S. Mitani,
      "Spin transfer torque switching and perpendicular magnetic anisotropy in full Heusler alloy Co2FeAl-based tunnel junctions"
      SPIN 4, 1440023-1~15 (2014).

    (更新日:2024年11月20日)

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