JPH10223941A - Magneto-resistance effect element - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a magneto-resistance effect element of an atomic size, by controlling the magnetism of very small areas on atomic fine lines by using a combination of specific atomic species or specific atomic arrangement. SOLUTION: A magneto-resistance effect element is provided with a nonmagnetic area 44 composed of nonmagnetic conductive atomic fine lines, and two ferromagnetic areas 43 composed of ferromagnetic conductive atomic fine lines arranged on both sides of the nonmagnetic area 44. Each ferromagnetic conductive atomic fine line is composed of a plurality of nonmagnetic atoms 41 and 42, which are arranged so that the peak of their densities of states may appear near the Fermi level. Therefore, an atomic-size element showing a magneto-resistance effect can be manufactured.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ＳＴＭ（走査トン
ネル顕微鏡）およびその周辺的な技術を用いて原子数個
の太さをもつ原子細線を構成する際に、原子の組み合わ
せおよび配列により、非磁性伝導領域および強磁性伝導
領域を同一原子細線上に交互に構成することにより、ス
ピンバルブや磁性多層膜（あるいは金属人工格子）にお
ける磁気抵抗効果素子で知られているのと同様な機能を
細線に持たせるようにして原子サイズの磁気抵抗効果素
子として利用するものである。The present invention relates to a method of constructing an atomic wire having a thickness of several atoms by using an STM (scanning tunneling microscope) and its peripheral techniques. By alternately configuring the magnetic conduction region and the ferromagnetic conduction region on the same atomic wire, the same function as that known for the magnetoresistive element in a spin valve or a magnetic multilayer film (or a metal artificial lattice) is provided. To be used as an atomic-size magnetoresistive element.

【０００２】また、原子の組み合わせおよび配列によ
り、強磁性伝導領域を非磁性の絶縁領域によって分離す
ることによって、強磁性トンネル接合にみられる磁気抵
抗効果と類似の機能を細線に持たせ磁気抵抗効果素子と
して利用するものである。Also, by separating the ferromagnetic conduction region by a non-magnetic insulating region by combining and arranging atoms, a thin wire has a function similar to the magnetoresistance effect seen in a ferromagnetic tunnel junction, and the magnetoresistance effect is obtained. It is used as an element.

【０００３】[0003]

【従来の技術】近年、磁気ディスク装置の小型化、高記
録密度化が急速に進んでいる。高記録密度化に対応し
て、再生感度の高い磁気抵抗効果を利用した再生用磁気
ヘッドの開発が進められている。現在の磁気抵抗効果型
ヘッドは、磁性層と非磁性層を交互に積層させた多層膜
構造、あるいは［磁性層／非磁性層／磁性層／反強磁性
層］の構造をとるスピンバルブである。しかしながら、
磁気記録媒体の将来像としては数個から数十個の原子サ
イズの断面積をもつクラスターが記録単位を担うと予想
され、従来の多層膜構造では個々のクラスターの磁気構
造あるいは情報を識別するのが困難になる。2. Description of the Related Art In recent years, magnetic disk devices have been rapidly reduced in size and recording density. In response to the increase in recording density, development of a reproducing magnetic head utilizing a magnetoresistive effect having high reproducing sensitivity has been advanced. The current magnetoresistive head is a spin valve having a multilayer structure in which magnetic layers and nonmagnetic layers are alternately stacked, or a [magnetic layer / nonmagnetic layer / magnetic layer / antiferromagnetic layer] structure. . However,
As a future image of a magnetic recording medium, clusters having a cross section of several to several tens of atoms are expected to serve as a recording unit, and in the conventional multilayer structure, the magnetic structure or information of each cluster is identified. Becomes difficult.

【０００４】この困難を打開するためには、例えばネイ
チャー、344巻（1990年）第524頁から第526頁（Nature,
vol.344 (1990), pp524-526) などに見られるように原
子レベルで物質を操作する試みがある。また、微細加工
技術の進展により、例えば、ジャパニーズ.ジャーナル.
アプライド. フィジックス. レターズ、第35巻（1996
年）第1085頁から第1088頁(Jpn. J. Appi. Phys. vol.3
5 (1996), pp. L1085-L1088) に報告されているようにS
i基板表面上にGaの原子サイズ細線が作製されており、
伝導性の原子サイズ細線の実現も期待される。このよう
に、現状では、伝導性原子細線の作製法が得られつつあ
る段階であり、その磁性はまだ制御できていない。[0004] To overcome this difficulty, for example, Nature, Vol. 344 (1990), pp. 524-526 (Nature,
vol.344 (1990), pp524-526), etc. There is an attempt to manipulate matter at the atomic level. Also, with the advance of microfabrication technology, for example, Japanese Journal.
Applied Physics Letters, Volume 35 (1996)
Year) pages 1085 to 1088 (Jpn. J. Appi. Phys. Vol.3
5 (1996), pp. L1085-L1088).
i Atomic size fine wire of Ga is fabricated on the substrate surface,
The realization of conductive atomic-size wires is also expected. As described above, at present, a method of producing a conductive atomic wire is being obtained, and its magnetism has not been controlled yet.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】原子サイズにおける磁
性の制御に対し、Fe, Co, Niの遷移金属のバルクであら
われる強磁性を適用することは出来ない。Fe, Co, Niの
遷移金属のバルクな系においては、ほとんど縮退したd
バンドがつくる状態密度のピークがフェルミ準位近傍に
あらわれることが強磁性発現に本質的である。dバンド
がつくる状態密度のピークのフェルミ準位に対する相対
位置は、結晶構造を敏感に反映するので、原子サイズの
系においてはこれら遷移金属の強磁性の発現が保障され
ていない。For the control of magnetism at the atomic size, ferromagnetism which appears in the bulk of Fe, Co, and Ni transition metals cannot be applied. Almost degenerate d in the bulk system of Fe, Co and Ni transition metals
It is essential for the ferromagnetism to appear that the peak of the state density created by the band appears near the Fermi level. Since the relative position of the state density peak formed by the d-band to the Fermi level reflects the crystal structure sensitively, the ferromagnetic manifestation of these transition metals is not guaranteed in an atomic size system.

【０００６】逆に、フェルミ準位近傍に多くの状態が現
われる構造でさえあれば、原子サイズであっても磁性の
制御は容易であると言える。ＳＴＭなど原子操作技術を
用いると、固体の表面上の任意の位置に吸着原子を配列
させる事ができるため、吸着原子と表面原子が結合し化
学吸着した結果フェルミ準位近傍に多くの状態をもつ構
造を実現することが期待できる。Conversely, it can be said that control of magnetism is easy even in the case of an atomic size as long as the structure has many states near the Fermi level. Using atomic manipulation techniques such as STM, adsorbed atoms can be arranged at any position on the surface of a solid, and the adsorbed atoms and surface atoms combine to form many states near the Fermi level as a result of chemisorption. The structure can be expected to be realized.

【０００７】また、吸着原子の原子種の選択の自由度、
吸着原子の表面上の位置の自由度、吸着原子どうしの相
対位置、あるいは配列の自由度により、絶縁性、伝導性
の制御の可能性も期待される。Further, the degree of freedom in selecting the type of the adatom,
Depending on the degree of freedom of the position of the adatoms on the surface, the relative position of the adatoms, or the degree of freedom of arrangement, the possibility of controlling the insulation and conductivity is expected.

【０００８】本発明の目的は、特定の原子種の組み合わ
せ、あるいは特定の原子配列を用いることにより、原子
細線上の微小領域の磁性を制御し、これによって原子サ
イズの磁気抵抗効果素子を得ることにある。An object of the present invention is to control the magnetism of a minute region on an atomic wire by using a combination of specific atomic species or a specific atomic arrangement, thereby obtaining a magnetoresistive element having an atomic size. It is in.

【０００９】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明では、不導体化された表面から終端原子、または
分子を取り除き、その位置に非磁性金属原子を吸着させ
ることにより原子細線を作製する。そして、原子種の組
み合わせ、および原子配列を工夫して、細線上において
原子サイズの磁気抵抗効果素子を得る。In order to achieve the above object, according to the present invention, a terminating atom or molecule is removed from a non-conducting surface, and a non-magnetic metal atom is adsorbed at the position to prepare an atomic wire. I do. Then, by combining the atomic species and devising the atomic arrangement, a magnetoresistive element having an atomic size is obtained on the fine line.

【００１０】本発明の磁気抵抗効果素子は、非磁性の伝
導性原子細線からなる非磁性領域と、上記非磁性領域を
挟んで配置された強磁性の伝導性原子細線からなる２つ
の強磁性領域とを有する。また、本発明の別の磁気抵抗
効果素子は、非磁性の絶縁性原子細線からなる非磁性領
域と、上記非磁性領域を挟んで配置された強磁性の伝導
性原子細線からなる２つの強磁性領域とを有する。The magnetoresistance effect element according to the present invention comprises a non-magnetic region composed of a non-magnetic conductive atomic wire and two ferromagnetic regions composed of a ferromagnetic conductive atomic wire arranged so as to sandwich the non-magnetic region. And Further, another magnetoresistive effect element according to the present invention comprises a nonmagnetic region composed of a nonmagnetic insulating atomic wire and a ferromagnetic conductive atomic wire arranged between the nonmagnetic regions. Region.

【００１１】ここで、強磁性の伝導性原子細線は、複数
個の非磁性原子で構成され、かつ上記非磁性原子は状態
密度のピークがフェルミ準位近傍に出現するよう配列さ
れる。あるいは、強磁性の伝導性原子細線は、複数個の
非磁性原子で構成され、かつ上記非磁性原子は細線方向
のエネルギーバンド分散の平坦部がフェルミ準位近傍に
出現するよう配列される。Here, the ferromagnetic conductive atomic wires are composed of a plurality of non-magnetic atoms, and the non-magnetic atoms are arranged such that the peak of the state density appears near the Fermi level. Alternatively, the ferromagnetic conductive atomic wire is composed of a plurality of non-magnetic atoms, and the non-magnetic atoms are arranged such that a flat portion of the energy band dispersion in the direction of the fine wire appears near the Fermi level.

【００１２】上記強磁性領域は、強磁性でない絶縁性基
板上に異種の非磁性原子または分子を配列することによ
り形成され、あるいは、強磁性でない絶縁性の母体物質
中に異種の非磁性原子または分子を埋め込むことにより
形成される。The above-mentioned ferromagnetic region is formed by arranging different kinds of non-magnetic atoms or molecules on a non-ferromagnetic insulating substrate, or forming different kinds of non-magnetic atoms or molecules in a non-ferromagnetic insulating host material. It is formed by embedding molecules.

【００１３】上記非磁性領域と上記強磁性領域は、同種
の非磁性原子または分子で構成され、かつ上記非磁性原
子または分子の配置が互いに異なる。また、上記非磁性
領域は、絶縁体化された四価の半導体基板表面上におい
て一原子列を未結合ボンドとしたときに、上記未結合ボ
ンドとの比が一対一以上となる割合で三価金属原子を配
列することにより構成される。また、上記強磁性領域
は、縁体化された四価の半導体基板表面上において一原
子列を未結合ボンドとし、一つの三価金属原子が四価の
半導体表面原子二つと結合ボンドを形成するよう基板表
面上に配列した構造を基本単位として構成される。The nonmagnetic region and the ferromagnetic region are composed of the same kind of nonmagnetic atoms or molecules, and the arrangement of the nonmagnetic atoms or molecules is different from each other. In addition, the nonmagnetic region has a ratio of one to one or more of unbonded bonds when one atomic row is formed as unbonded bonds on the surface of the insulating tetravalent semiconductor substrate. It is constituted by arranging metal atoms. Further, in the ferromagnetic region, one atomic row is formed as an unbonded bond on the edged tetravalent semiconductor substrate surface, and one trivalent metal atom forms a bonding bond with two tetravalent semiconductor surface atoms. The structure arranged on the substrate surface is a basic unit.

【００１４】この磁気抵抗効果素子は、非磁性領域およ
び強磁性領域を同一原子細線上に交互に構成することに
より、スピンバルブ又は磁性多層膜（あるいは金属人工
格子）における磁気抵抗効果素子と類似の機能を持たせ
ることができる。This magnetoresistive element has a similar structure to a magnetoresistive element in a spin valve or a magnetic multilayer film (or metal artificial lattice) by alternately forming nonmagnetic regions and ferromagnetic regions on the same atomic wire. Functions can be provided.

【００１５】[0015]

【発明の実施の形態】以下本発明を実施例に基づき詳細
に説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail based on embodiments.

【００１６】（実施例１）図1に本実施例の強磁性を有
する伝導性原子サイズ細線の構造を示す。同図(a)は上
から見た図、(b)は側面から見た図である。ここで、強
磁性とは、系全体として有限の自発磁化をもつものと
し、フェリ磁性まで含めたものをさす。(Embodiment 1) FIG. 1 shows the structure of a conductive atom-size thin wire having ferromagnetism of this embodiment. FIG. 3A is a view from the top, and FIG. 3B is a view from the side. Here, the ferromagnetism refers to a material having a finite spontaneous magnetization as a whole system and including ferrimagnetism.

【００１７】基板としては、絶縁体ないし半導体11（本
実施例の場合はシリコン）の表面未結合ボンドを適当な
原子または分子12（本実施例の場合は水素）で終端して
不導体化したものを用いる。As a substrate, the surface unbonded bond of an insulator or semiconductor 11 (silicon in this embodiment) is terminated with an appropriate atom or molecule 12 (hydrogen in this embodiment) to make it nonconductive. Use something.

【００１８】本実施例では、シリコン（100）基板の未
結合ボンドを水素原子で終端したものを用いた。In this embodiment, a silicon (100) substrate having unbonded bonds terminated with hydrogen atoms is used.

【００１９】11は必ずしもシリコンである必要はなく、
炭化シリコンやガリウムヒ素等、半導体ないし絶縁体で
あれば構わない。11 does not necessarily need to be silicon,
Any semiconductor or insulator such as silicon carbide or gallium arsenide may be used.

【００２０】また、未結合ボンドを終端する12には水素
がもっとも多く用いられるが、基板の未結合ボンドを終
端すること、およびその結果基板を不導体化することの
2点を満たすものであれば他の原子, 分子であっても本
発明の目的には使用可能である。Although hydrogen is most often used for terminating the unbonded bond 12, it is necessary to terminate the unbonded bond of the substrate and, as a result, to make the substrate nonconductive.
Other atoms and molecules that satisfy the two points can be used for the purpose of the present invention.

【００２１】超高真空中にこの基板をおき、基板表面に
走査トンネル顕微鏡の探針を近付け、適当な電圧パルス
を印加することによって表面から原子12を一原子ないし
数原子ずつ引き抜くことが可能である。探針の位置を移
動しながらこの操作を繰り返す、あるいは電圧を印加し
たまま探針を移動させることにより、基板表面から原子
12を列状に取り除くことができる。 本実施例では、こ
の方法によって水素原子を一列除去した構造を作製し
た。By placing this substrate in an ultra-high vacuum, approaching the tip of a scanning tunneling microscope to the substrate surface, and applying an appropriate voltage pulse, it is possible to extract one or several atoms 12 from the surface. is there. By repeating this operation while moving the position of the probe, or by moving the probe while applying a voltage, atoms can be removed from the substrate surface.
12 can be removed in a row. In this example, a structure was prepared by this method in which one row of hydrogen atoms was removed.

【００２２】次に、この基板上に金属原子13を少しずつ
供給していく。本実施例では、熱蒸発源を用いてガリウ
ム原子を供給した。このとき、基板表面の終端原子12が
除去されている部分は未結合ボンドが現われているた
め、供給された金属原子13は終端部分より未結合ボンド
部分に吸着しやすい。ガリウム原子の場合、未結合ボン
ドのみに吸着する。終端部分よりも未結合部分に吸着し
やすい、という傾向はほとんどの金属原子に対してあて
はまる。Next, metal atoms 13 are supplied little by little onto the substrate. In this embodiment, gallium atoms were supplied using a thermal evaporation source. At this time, since the unbonded bond appears in the portion of the substrate surface from which the terminal atoms 12 have been removed, the supplied metal atoms 13 are more likely to be adsorbed to the unbonded bond portion than to the terminal portion. In the case of gallium atoms, it is adsorbed only on unbonded bonds. This tendency for most metal atoms to be more likely to be adsorbed to unbound parts than to terminal ones.

【００２３】本実施例では、典型的非磁性原子としてガ
リウムを用いたが、13は必ずしもガリウムである必要は
なく、Cr,Mn,Fe,Co,Ni,ランタノイド(La除く）以外の非
磁性原子ないし稀ガスを除いた原子であれば構わない。In this embodiment, gallium is used as a typical nonmagnetic atom. However, 13 is not necessarily gallium, and nonmagnetic atoms other than Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and lanthanoids (excluding La) are used. Alternatively, any atoms other than rare gas may be used.

【００２４】また、Cr,Mn,Fe,Co,Ni,ランタノイド(La除
く）の磁性原子を不純物としてなら含んでよい。Further, magnetic atoms of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and lanthanoids (excluding La) may be contained as impurities.

【００２５】本実施例では、未結合ボンド数の1.5倍の
ガリウム原子を基板表面に吸着させ、図1の構造を走査
トンネル顕微鏡探針で形成した。このガリウム原子の作
る細線の両端にわずか（10ｍＶ）の電位差を与え、電気
抵抗を測定したところ、12.7キロオームとなり伝導性を
もつことが確認された。In this embodiment, gallium atoms 1.5 times the number of unbonded bonds are adsorbed on the substrate surface, and the structure shown in FIG. 1 is formed with a scanning tunneling microscope probe. A slight (10 mV) potential difference was applied to both ends of the thin wire formed by the gallium atom, and the electrical resistance was measured. The result was 12.7 kOhm, and it was confirmed that the wire had conductivity.

【００２６】さらに、磁気力顕微鏡（MFM）を用いるこ
とにより、有限の自発磁化を持つことがわかった。Further, the use of a magnetic force microscope (MFM) revealed that the film had a finite spontaneous magnetization.

【００２７】以上の結果の妥当性は第一原理計算を用い
た詳細な解析によっても裏づけられた。走査トンネル顕
微鏡による観察結果から、ガリウム原子の吸着位置を調
べ、その表面構造における電子状態の計算結果を図2に
示す。The validity of the above results was supported by detailed analysis using first principles calculations. From the results of scanning tunneling microscopy, the adsorption position of gallium atoms was examined, and the calculated results of the electronic state of the surface structure are shown in FIG.

【００２８】図2は、図1の構造に対応した細線のエネル
ギーバンド図である。同図は、細線が金属的に振舞うこ
とを示すとともに、フェルミ準位Ef近傍に多くの状態が
縮退していることを示している。このフェルミ準位近傍
に縮退したたくさんの状態数が強磁性の起源であり、ま
た、ガリウム原子の吸着位置、つまり原子配列の帰結で
ある。FIG. 2 is an energy band diagram of a thin line corresponding to the structure of FIG. This figure shows that the thin wire behaves like a metal, and that many states are degenerated near the Fermi level Ef. The large number of states degenerated near the Fermi level is the origin of ferromagnetism, and is the result of the adsorption position of gallium atoms, that is, the atomic arrangement.

【００２９】（実施例２）図3は、本実施例の非磁性の
伝導性細線の構造を上から見た図である。図において、
31は半導体ないし絶縁体基板の構成原子、32は未結合ボ
ンドを終端する原子または分子、33は非磁性金属原子を
示す。(Embodiment 2) FIG. 3 is a top view of the structure of a non-magnetic conductive thin wire of this embodiment. In the figure,
31 is a constituent atom of a semiconductor or insulator substrate, 32 is an atom or molecule that terminates an unbonded bond, and 33 is a non-magnetic metal atom.

【００３０】図4は、実施例1で述べた強磁性を有する伝
導性細線を利用した磁気抵抗効果素子の概略図である。
図において、41は半導体ないし絶縁体基板の構成原子、
42は非磁性金属原子を示す。この磁気抵抗効果素子は、
強磁性領域43、非磁性領域44から構成される。本実施例
では、強磁性領域43に実施例1で述べたガリウム原子の
構造を用いた。FIG. 4 is a schematic diagram of a magnetoresistive element using a conductive thin wire having ferromagnetism described in the first embodiment.
In the figure, 41 is a constituent atom of a semiconductor or insulator substrate,
42 indicates a non-magnetic metal atom. This magnetoresistance effect element
It is composed of a ferromagnetic region 43 and a non-magnetic region 44. In the present embodiment, the structure of gallium atoms described in Embodiment 1 is used for the ferromagnetic region 43.

【００３１】また、非磁性領域44には、図3に示したガ
リウム原子の吸着構造の細線を用いた。図3の構造の細
線は、金属的な振舞いを示し、また非磁性的である。さ
らに、本実施例では非磁性領域に隔てられた2つの強磁
性領域を反強磁性的に結合させる目的で、非磁性領域の
長さを12Åとした。For the non-magnetic region 44, a gallium atom adsorption structure fine wire shown in FIG. 3 was used. The thin lines in the structure of FIG. 3 show metallic behavior and are non-magnetic. Further, in the present embodiment, the length of the non-magnetic region is set to 12 ° in order to couple the two ferromagnetic regions separated by the non-magnetic region antiferromagnetically.

【００３２】本実施例では、作製が容易なため強磁性、
非磁性両領域にガリウム原子を用いたが、非磁性で伝導
性をもつこと、および2つの強磁性領域を反強磁性的に
結合することの2点を満たすものであれば他の原子, 分
子、あるいは他の構造であっても本発明の目的には使用
可能である。 上記細線の両端にわずか（10ｍＶ）の電
位差を与え、電気抵抗を測定したところ、有意な電流は
流れず、細線は伝導性をもたないことが確認された。In the present embodiment, the ferromagnetic material is
Gallium atoms are used for both non-magnetic regions, but other atoms and molecules can be used as long as they meet the two requirements of non-magnetic and conductive and antiferromagnetic coupling between the two ferromagnetic regions. , Or other structures can be used for the purposes of the present invention. When a slight (10 mV) potential difference was applied to both ends of the thin wire and the electrical resistance was measured, no significant current flowed, and it was confirmed that the thin wire had no conductivity.

【００３３】次に、100ガウスの外部磁場を印加し、電
気抵抗を測定した結果、17.3キロオームとなり伝導性を
もつことがわかった。Next, an external magnetic field of 100 Gauss was applied and the electric resistance was measured. As a result, the electric resistance was 17.3 kOhm, indicating that the film had conductivity.

【００３４】（実施例３）本実施例では、実施例2で述
べた磁気抵抗効果素子において、強磁性領域を10Åとし
た。(Embodiment 3) In this embodiment, the ferromagnetic region in the magnetoresistance effect element described in Embodiment 2 is set to 10 °.

【００３５】また、非磁性領域は9Åとした。本実施例
では、強磁性領域43は超常磁性的になっているが、低温
（2.1ケルビン）では強磁性になっていることが確認さ
れた。The non-magnetic region was set to 9 °. In this example, it was confirmed that the ferromagnetic region 43 was superparamagnetic, but became ferromagnetic at low temperatures (2.1 Kelvin).

【００３６】本実施例では、作製が容易なため、非磁性
領域にガリウム原子を用いたが、非磁性で伝導性をもつ
ことを満たすものであれば他の原子, 分子、あるいは他
の構造であっても本発明の目的には使用可能である。In this embodiment, gallium atoms are used in the non-magnetic region because of easy fabrication, but other atoms, molecules, or other structures may be used as long as they are non-magnetic and have conductivity. Even so, it can be used for the purpose of the present invention.

【００３７】上記細線の両端にわずか（10ｍＶ）の電位
差を与え、電気抵抗を測定したところ、有意な電流は流
れず、細線は伝導性をもたないことが確認された。次
に、100ガウスの外部磁場を印加し、電気抵抗を測定し
た結果、伝導性をもつことがわかった。When a slight (10 mV) potential difference was applied to both ends of the thin wire and the electrical resistance was measured, no significant current flowed, and it was confirmed that the thin wire had no conductivity. Next, an external magnetic field of 100 Gauss was applied, and the electrical resistance was measured. As a result, it was found that the material had conductivity.

【００３８】（実施例４）図5は、トンネル効果を利用
した磁気抵抗効果素子の概略図である。図において、51
は半導体ないし絶縁体基板の構成原子、52は非磁性金属
原子を示す。この磁気抵抗効果素子は、強磁性領域53、
絶縁領域54から構成される。本実施例では、強磁性領域
53に実施例1で述べたガリウム原子の構造を用いた。ま
た、絶縁領域54は、本実施例では未結合ボンド数と一対
一の割合のガリウム原子を基板表面に吸着させた。ＳＴ
Ｍの探針を絶縁領域の直上にもっていき、走査型トンネ
ルスペクトロスコピー（ＳＴＳ）によって測定した結
果、絶縁領域は約１eVのエネルギーギャップをもつこと
がわかった。(Embodiment 4) FIG. 5 is a schematic view of a magnetoresistive element utilizing a tunnel effect. In the figure, 51
Denotes a constituent atom of the semiconductor or insulator substrate, and 52 denotes a non-magnetic metal atom. This magnetoresistive element has a ferromagnetic region 53,
It is composed of an insulating region 54. In this embodiment, the ferromagnetic region
The structure of gallium atom described in Example 1 was used for 53. In the present embodiment, the insulating region 54 has gallium atoms adsorbed on the substrate surface in a ratio of one to one with the number of unbonded bonds. ST
The probe of M was placed right above the insulating region and measured by scanning tunneling spectroscopy (STS). As a result, it was found that the insulating region had an energy gap of about 1 eV.

【００３９】また、磁気力顕微鏡（MFM）を用いること
により、絶縁領域は非磁性であることがわかった。本実
施例では、作製が容易なため強磁性、非磁性絶縁両領域
にガリウム原子を用いたが、非磁性で絶縁性であるこ
と、および2つの強磁性領域をもつものであれば他の原
子, 分子、あるいは他の構造であっても本発明の目的に
は使用可能である。The use of a magnetic force microscope (MFM) revealed that the insulating region was non-magnetic. In this example, gallium atoms were used in both the ferromagnetic and non-magnetic insulating regions for ease of fabrication, but other atoms as long as they are non-magnetic and insulating and have two ferromagnetic regions. , Molecules, or other structures can be used for the purposes of the present invention.

【００４０】上記細線の両端にわずか（0.3ｍＶ）の電
位差を与えながら、30ガウスの外部磁場を基板に垂直に
印加し、徐々に減少させながら逆向きに30ガウスまで磁
場を振らせて電気抵抗を測定した結果、約10倍の抵抗変
化が得られた。An external magnetic field of 30 Gauss is applied perpendicularly to the substrate while giving a slight (0.3 mV) potential difference to both ends of the fine wire, and the magnetic field is changed to 30 Gauss in the reverse direction while gradually decreasing the electric field, thereby reducing the electric resistance. As a result, a resistance change about 10 times was obtained.

【００４１】[0041]

【発明の効果】以上述べたように、特定の原子種を組み
合わせ、原子配列を調整することによって、磁気抵抗効
果を示す原子サイズの素子が作製可能となった。As described above, by combining specific atomic species and adjusting the atomic arrangement, an element having an atomic size exhibiting a magnetoresistance effect can be manufactured.

【００４２】これらの超微細素子は、同一基板上に集積
化した際にその集積度はきわめて大きく、また、素子間
の配線上を信号が伝ぱんする際の遅れも極めて小さいこ
とから、高速な信号処理を行なう装置としての効果が大
である。These ultrafine elements have a very high degree of integration when integrated on the same substrate, and have a very small delay in transmitting a signal on the wiring between the elements, so that high-speed operation is possible. The effect as a device for performing signal processing is great.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】強磁性を示す伝導性原子細線の一例で、(a)は
上から見たところ、(b)は側面から見たところを示す
図。FIG. 1 is an example of a conductive atomic wire showing ferromagnetism, where (a) shows a view from above and (b) shows a view from the side.

【図２】図1の構造に対応した細線のエネルギーバンド
を示す図。FIG. 2 is a view showing an energy band of a thin line corresponding to the structure of FIG. 1;

【図３】非磁性の伝導原子細線の一例で、上から見たと
ころを示す図。FIG. 3 is a diagram showing an example of a non-magnetic conductive atomic wire as viewed from above.

【図４】原子サイズの伝導性磁気抵抗効果素子の構成の
一例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an example of a configuration of a conductive magnetoresistive element having an atomic size.

【図５】原子サイズのトンネル効果を利用した磁気抵抗
効果素子の構成の一例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing an example of a configuration of a magnetoresistive element using a tunnel effect of an atomic size.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 ; 半導体ないし絶縁体基板の構成原子、 12 ; 未結合ボンドを終端する原子または分子、 13 ; 非磁性金属原子、 Ef ; フェルミ準位、 31 ; 半導体ないし絶縁体基板の構成原子、 32 ; 未結合ボンドを終端する原子または分子、 33 ; 非磁性金属原子、 41 ; 半導体ないし絶縁体基板の構成原子、 42 ; 非磁性金属原子、 43 ; 原子細線の伝導性強磁性領域、 44 ; 原子細線の伝導性非磁性領域、 51 ; 半導体ないし絶縁体基板の構成原子、 52 ; 非磁性金属原子、 53 ; 原子細線の伝導性強磁性領域、 54 ; 原子細線の絶縁性非磁性領域。 11; constituent atoms of a semiconductor or insulator substrate; 12; atoms or molecules that terminate unbonded bonds; 13; nonmagnetic metal atoms; Ef; Fermi level; 31; constituent atoms of a semiconductor or insulator substrate; 32; Atoms or molecules that terminate bond bonds; 33; non-magnetic metal atoms; 41; constituent atoms of semiconductor or insulator substrates; 42; non-magnetic metal atoms; 43; conductive ferromagnetic regions of atomic wires; 44; of atomic wires Conductive non-magnetic region, 51; constituent atoms of semiconductor or insulator substrate, 52; non-magnetic metal atom, 53; conductive ferromagnetic region of atomic wire, 54; insulating non-magnetic region of atomic wire.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野 義正 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者 橋詰 富博 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者 和田 恭雄 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Yoshimasa Ono 2520 Akanuma-cho, Hatoyama-cho, Hiki-gun, Saitama Prefecture Inside Hitachi, Ltd. Hitachi Basic Research Laboratory (72) Inventor Yasuo Wada 2520 Akanuma, Hatoyama-cho, Hiki-gun, Saitama Prefecture Hitachi Research Laboratory, Ltd.

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】非磁性の伝導性原子細線からなる非磁性領
域と、上記非磁性領域を挟んで配置された強磁性の伝導
性原子細線からなる２つの強磁性領域とを有することを
特徴とする磁気抵抗効果素子。1. A non-magnetic region comprising a non-magnetic conductive atomic wire and two ferromagnetic regions comprising a ferromagnetic conductive atomic wire disposed on both sides of the non-magnetic region. Magnetoresistive element. 【請求項２】非磁性の絶縁性原子細線からなる非磁性領
域と、上記非磁性領域を挟んで配置された強磁性の伝導
性原子細線からなる２つの強磁性領域とを有することを
特徴とする磁気抵抗効果素子。2. A semiconductor device comprising: a nonmagnetic region formed of a nonmagnetic insulating atomic wire; and two ferromagnetic regions formed of a ferromagnetic conductive atomic wire interposed between the nonmagnetic regions. Magnetoresistive element. 【請求項３】上記強磁性の伝導性原子細線は、複数個の
非磁性原子で構成され、かつ上記非磁性原子は状態密度
のピークがフェルミ準位近傍に出現するよう配列された
ことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気抵抗効果素
子。3. The ferromagnetic conductive atomic wire is composed of a plurality of non-magnetic atoms, and the non-magnetic atoms are arranged so that a peak of a state density appears near a Fermi level. 3. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein: 【請求項４】上記強磁性の伝導性原子細線は、複数個の
非磁性原子で構成され、かつ上記非磁性原子は細線方向
のエネルギーバンド分散の平坦部がフェルミ準位近傍に
出現するよう配列されたことを特徴とする請求項１又は
２記載の磁気抵抗効果素子。4. The thin ferromagnetic conductive atomic wire is composed of a plurality of non-magnetic atoms, and the non-magnetic atoms are arranged such that a flat portion of energy band dispersion in the direction of the fine wire appears near the Fermi level. 3. A magnetoresistive element according to claim 1, wherein 【請求項５】上記強磁性領域は、強磁性でない絶縁性基
板上に異種の非磁性原子または分子を配列することによ
り形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の磁
気抵抗効果素子。5. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the ferromagnetic region is formed by arranging different kinds of non-magnetic atoms or molecules on an insulating substrate that is not ferromagnetic. . 【請求項６】上記強磁性領域は、強磁性でない絶縁性の
母体物質中に異種の非磁性原子または分子を埋め込むこ
とにより形成されることを特徴とする請求項１又は２記
載の磁気抵抗効果素子。6. The magnetoresistive effect according to claim 1, wherein the ferromagnetic region is formed by embedding different kinds of non-magnetic atoms or molecules in an insulating base material that is not ferromagnetic. element. 【請求項７】上記非磁性領域と上記強磁性領域は、同種
の非磁性原子または分子で構成され、かつ上記非磁性原
子または分子の配置が互いに異なることを特徴とする請
求項１又は２記載の磁気抵抗効果素子。7. The non-magnetic region and the ferromagnetic region are composed of the same kind of non-magnetic atoms or molecules, and the arrangement of the non-magnetic atoms or molecules is different from each other. Magnetoresistive effect element. 【請求項８】上記非磁性領域は、絶縁体化された四価の
半導体基板表面上において一原子列を未結合ボンドとし
たときに、上記未結合ボンドとの比が一対一以上となる
割合で三価金属原子を配列することにより構成されたこ
とを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。8. The non-magnetic region has a ratio of one to one or more of the unbonded bond when one atomic row is formed as an unbonded bond on the surface of the insulating tetravalent semiconductor substrate. 2. A magnetoresistive element according to claim 1, wherein said element is arranged by arranging trivalent metal atoms. 【請求項９】上記非磁性領域は、絶縁体化された四価の
半導体基板表面上において一原子列を未結合ボンドとし
たときに、上記未結合ボンドとの比が一対一となる割合
で三価金属原子を配列することにより構成されることを
特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果素子。9. The non-magnetic region has a ratio of one to one with respect to the unbonded bond when one atomic row is defined as an unbonded bond on the surface of the insulating tetravalent semiconductor substrate. 3. The magnetoresistance effect element according to claim 2, wherein the element is constituted by arranging trivalent metal atoms. 【請求項１０】上記強磁性領域は、縁体化された四価の
半導体基板表面上において一原子列を未結合ボンドと
し、一つの三価金属原子が四価の半導体表面原子二つと
結合ボンドを形成するよう基板表面上に配列した構造を
基本単位として構成されることを特徴とする請求項１又
は２記載の磁気抵抗効果素子。10. The ferromagnetic region, wherein one row of atoms is unbonded on the surface of the edged tetravalent semiconductor substrate, and one trivalent metal atom is bonded to two tetravalent semiconductor surface atoms. 3. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein a structure arranged on a substrate surface so as to form a basic unit is formed. 4. 【請求項１１】非磁性領域および強磁性領域を同一原子
細線上に交互に構成することにより、スピンバルブ又は
磁性多層膜（あるいは金属人工格子）における磁気抵抗
効果素子と類似の機能を持つことを特徴とする請求項１
又は２記載の磁気抵抗効果素子。11. A structure in which a non-magnetic region and a ferromagnetic region are alternately formed on the same atomic wire to have a function similar to that of a magnetoresistive element in a spin valve or a magnetic multilayer film (or a metal artificial lattice). Claim 1.
Or the magnetoresistance effect element according to 2.