日本神户大学研究生院工学研究科的松本尚弥（硕士生）、植本光治助教、小野伦也教授的研究团队于9月18日宣布，通过运用基于量子力学的理论计算与超级计算机，阐明了在采用二维层状材料的隧道磁阻元件中，制备工艺差异对器件界面磁特性产生的影响。研究发现，先行制备NiFe强磁性合金基板的墨烯转印工艺，与在石墨烯上后续制备NiFe强磁性合金基板的蒸镀工艺，两者的界面磁特性存在差异。理论计算表明，石墨烯碳原子与基板铁原子的结合强度，会影响界面磁特性的制备工艺依赖性。该成果有望应用于采用二维层状材料的自旋电子器件制备工艺。相关研究成果已发表在期刊《Journal of Applied Physics》的9月9日刊上。
图1：NiFe强磁性合金(111)面上吸附石墨烯的计算模型（左）及石墨烯吸附位点（右）。右图中绿球表示最表层金属原子，红球表示表面第二层金属原子，黄球表示石墨烯碳原子。从左上起顺时针方向依次为：石墨烯碳原子吸附在Top（表面原子正上方）-fcc（面心立方晶格）位点、Hcp（六方密堆积晶格）-fcc位点、Bridge（表面原子间）-top位点、Top-hcp位点的状态。（供图：神户大学、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.）
为实现信息设备的进一步高集成化与低功耗化，不仅利用电子电荷，同时运用电子自旋进行信息识别的自旋电子器件的实用化与高性能化备受期待。
作为自旋电子器件之一的隧道磁阻元件，是在强磁性金属之间夹入绝缘材料作为隧道层，通过将两层强磁性金属的自旋方向切换为平行或反平行，来控制穿过隧道层电流的通断。目前隧道层广泛采用氧化物材料，但平坦度更优的片状二维层状材料正受到关注。
然而，器件普及仍面临挑战，包括结界面制备工艺过程中强磁性金属表面的氧化以及二维层状材料的劣化等。此前已有多种界面制备工艺被提出。例如在强磁性金属基板上转印二维层状材料，或在二维层状材料上蒸镀强磁性金属等方法。二维层状材料/强磁性金属界面的磁特性与隧道磁阻元件的开关特性被认为密切相关。
为此，本研究通过运用基于量子力学的理论计算和超级计算机，系统性地研究了源于制备工艺的界面电子结构与磁特性之间的关系。
研究采用NiFe强磁性合金与石墨烯吸附的模型，出了改变石墨烯吸附位置，还改变了NiFe强磁性合金基板及表面组成比。
已知二维层状材料通过范德华力这种弱相互作用进行堆叠。
研究NiFe强磁性合金上的石墨烯吸附位置后发现，石墨烯会形成碳原子位于表面金属原子正上方的结构。
通过研究表面铁原子与镍原子的组成与吸附能关系时发现，无论NiFe强磁性合金基板中铁原子与镍原子的组成比如何，基板表面层铁原子较多的结构都显示出最大的吸附能。
这表明在石墨烯上蒸镀NiFe强磁性合金的工艺中，首先会在石墨烯上形成铁原子富集层，然后在该层上形成NiFe强磁性合金层。
接着，对转印石墨烯前的NiFe强磁性合金基板表面元素组成进行研究后发现，无论NiFe强磁性合金基板的元素组成比如何，都容易出现镍原子富集的表面。
由此预测，在石墨烯转印工艺中，石墨烯与NiFe强磁性合金基板间的基板表面层镍原子较多。
进一步研究结界面的磁特性后发现，基板表面层铁原子的比例越高，磁矩越大。
作为隧道磁阻元件性能指标的“磁阻比”，被认为深受界面磁矩大小的影响。
这些结果表明，通过界面制备工艺可能实现对界面过渡层磁矩的控制。
研究团队表示：“目前有多种二维层状材料被视为隧道磁阻元件绝缘层的候选材料。我们希望通过运用基于量子力学的计算方法和超级计算机，阐明采用石墨烯及其他二维层状材料的元件的制备工艺及功能，进而设计出高性能元件。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Journal of Applied Physics
论文：Theoretical investigation of interface atomic structure of graphene on NiFe alloy substrate
DOI：10.1063/5.0283881
