具体的には、グラフェンの原子配列と格子整合した数原子層のCr2O3の結晶構造モデルの検討を実施したほか、Cr2O3層が酸素層で終端する界面モデルについて、第一原理計算による電子状態予測を実施したところ、Cr2O3のバンドギャップ内にクロム原子の3d軌道に由来する新たなスピン偏極電子状態(in-gap状態)が形成され、この状態がグラフェンのπ*軌道と混成して界面に局在することが見出されたとする。

また、このin-gap状態の存在を確認するため、実際にCr2O3をグラフェン上にヘテロエピタキシャル成長させた人工積層構造を作製し、放射光を活用した角度分解光電子分光実験が実施されたところ、Cr2O3のバンドギャップ内のフェルミ準位近傍にクロム原子の3d軌道に由来するバンドが存在することが確認でき、計算で予測されたin-gap状態が界面に存在することが実証されたという。

今回の研究成果は、Cr2O3とグラフェンの接合界面に、Cr2O3由来のスピン偏極電子とグラフェンの伝導電子が混じり合った特別な電子状態が形成されることを示すものであると研究チームでは説明するほか、反強磁性体磁気メモリ素子の磁気情報を、スピントロニクス材料のグラフェンに直接伝達させる可能性が示されたことは、磁気メモリとスピントランジスタを直結する新しいデバイス開発への道が拓かれることが期待されるともしている。

  • 界面構造の検討により最適化された構造モデル

    (a)界面構造の検討により最適化された構造モデル。青の球体はクロム、赤は酸素、茶は炭素。(b)第一原理計算による上向きスピンの電子状態予測。青と茶色の曲線群が、それぞれクロムとグラフェン(炭素)の電子状態であり、赤枠内が今回発見されたin-gap状態に対応。(c)角度分解光電子分光実験の結果。放射光を照射して物質内から電子を放出させたとき、その放出方向と速度を計測することにより、物質内でのその電子の状態を直接調べることができる。赤枠で示されているように、計算で予測されたin-gap状態が実際に存在することがわかる (出所:広島大プレスリリースPDF)

なお、今回の研究から、磁気情報伝達に応用可能な電子状態(in-gap状態)と、それが実現される界面構造が示されたが、実験による検証に用いた実際の積層試料では、部分的に異なるタイプの界面構造が形成されることも指摘されていることから、今後の応用に向けた研究では、in-gap状態が形成される界面だけを選択的に成長させる薄膜作製技術の開発が望まれると研究チームでは説明している。