日本神戶大學研究生院工學研究科的松本尚彌（碩士生）、植本光治助教、小野倫也教授的研究團隊於9月18日宣佈，通過運用基於量子力學的理論計算與超級電腦，闡明瞭在採用二維層狀材料的隧道磁阻元件中，製備工藝差異對器件界面磁特性產生的影響。研究發現，先行製備NiFe強磁性合金基板的墨烯轉印工藝，與在石墨烯上後續製備NiFe強磁性合金基板的蒸鍍工藝，兩者的界面磁特性存在差異。理論計算表明，石墨烯碳原子與基板鐵原子的結合強度，會影響界面磁特性的製備工藝依賴性。該成果有望應用於採用二維層狀材料的自旋電子器件製備工藝。相關研究成果已發表在期刊《Journal of Applied Physics》的9月9日刊上。
圖1：NiFe強磁性合金(111)面上吸附石墨烯的計算模型（左）及石墨烯吸附位點（右）。右圖中綠球表示最表層金屬原子，紅球表示表面第二層金屬原子，黃球表示石墨烯碳原子。從左上起順時針方向依次為：石墨烯碳原子吸附在Top（表面原子正上方）-fcc（面心立方晶格）位點、Hcp（六方最密堆積晶格）-fcc位點、Bridge（表面原子間）-top位點、Top-hcp位點的狀態。（供圖：神戶大學、N. Matsumoto, R. Endo, M. Uemoto, and T. Ono, Journal of Applied Physics 138, 104305 (2025); licensed under a Creative Commons Attribution (CC BY) license.）
為實現資訊設備的進一步高整合化與低功耗化，不僅利用電子電荷，同時運用電子自旋進行資訊識別的自旋電子器件的實用化與高性能化備受期待。
作為自旋電子器件之一的隧道磁阻元件，是在強磁性金屬之間夾入絕緣材料作為隧道層，通過將兩層強磁性金屬的自旋方向切換為平行或反平行，來控制穿過隧道層電流的通斷。目前隧道層廣泛採用氧化物材料，但平坦度更優的片狀二維層狀材料正受到關注。
然而，器件普及仍面臨挑戰，包括結界面製備製程中強磁性金屬表面的氧化以及二維層狀材料的劣化等。此前已有多種界面製備工藝被提出。例如在強磁性金屬基板上轉印二維層狀材料，或在二維層狀材料上蒸鍍強磁性金屬等方法。二維層狀材料/強磁性金屬界面的磁特性與隧道磁阻元件的開關特性被認為密切相關。
為此，本研究通過運用基於量子力學的理論計算和超級電腦，系統性地研究了源於製備工藝的界面電子結構與磁特性之間的關係。
研究採用NiFe強磁性合金與石墨烯吸附的模型，出了改變石墨烯吸附位置，還改變了NiFe強磁性合金基板及表面組成比。
已知二維層狀材料通過凡得瓦力這種弱相輔作用進行堆疊。
研究NiFe強磁性合金上的石墨烯吸附位置後發現，石墨烯會形成碳原子位於表面金屬原子正上方的結構。
通過研究表面鐵原子與鎳原子的組成與吸附能關係時發現，無論NiFe強磁性合金基板中鐵原子與鎳原子的組成比如何，基板表層鐵原子較多的結構都顯示出最大的吸附能。
這表明在石墨烯上蒸鍍NiFe強磁性合金的工藝中，首先會在石墨烯上形成鐵原子富集層，然後在該層上形成NiFe強磁性合金層。
接著，對轉印石墨烯前的NiFe強磁性合金基板表面元素組成進行研究後發現，無論NiFe強磁性合金基板的元素組成比如何，都容易出現鎳原子富集的表面。
由此預測，在石墨烯轉印工藝中，石墨烯與NiFe強磁性合金基板間的基板表層鎳原子較多。
進一步研究結界面的磁特性後發現，基板表層鐵原子的比例越高，磁矩越大。
作為隧道磁阻元件性能指數的「磁阻比」，被認為深受界面磁矩大小的影響。
這些結果表明，通過界面製備工藝可能實現對界面過渡層磁矩的控制。
研究團隊表示：「目前有多種二維層狀材料被視為隧道磁阻元件絕緣的候選材料。我們希望通過運用基於量子力學的計算方法和超級電腦，闡明採用石墨烯及其他二維層狀材料的元件的製備工藝及功能，進而設計出高性能元件。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Journal of Applied Physics
論文：Theoretical investigation of interface atomic structure of graphene on NiFe alloy substrate
DOI：10.1063/5.0283881
