ベータタングステン

ベータタングステン（β-W）は、タングステン薄膜で広く観察されるタングステンの準安定相です。一般的に存在する安定なアルファタングステン（α-W）は体心立方（A2 ）構造ですが、β-Wは単位セルあたり8個の原子を含むトポロジカルに密に充填されたA15構造を採用しており、 ^{[ 1 ] [ 2 ]} 650 ℃までの熱アニーリングによって安定なα相に不可逆的に変化します。 ^{[ 3 ]} β-Wは、印加された電荷電流が横方向のスピン電流を生成する巨大スピンホール効果を持つことがわかっており、これは磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスへの応用の可能性につながります。^{[ 4 ]} 

β-Wは、1931年にHartmannらによって、650℃以下のリン酸塩溶融物の電気分解後に陰極上に形成された樹枝状金属析出物の一部として初めて観察されました。 ^{[ 5 ] [ 6 ]} β-Wの研究の初期段階では、酸素がβ-W構造の形成を促進することが一般的に見つかっていたため、β-W構造が単一元素タングステンの相なのか、それともタングステン亜酸化物なのかについての議論が長らく続いていましたが、^{[ 6 ] [ 7 ]} 1950年代以降、β-W薄膜中の酸素がゼロ価状態であることを示す多くの実験的証拠があり、^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}そのため、この構造はタングステンの真の同素体であることが示されています。

β-W薄膜への当初の関心は低温での超伝導特性によって引き起こされたが、 ^{[ 11 ]} 2012年にBurhmanらがβ-W薄膜で巨大スピンホール効果を発見したことで、スピントロニクス磁気ランダムアクセスメモリやスピンロジックデバイスへの応用可能性から、この材料への新たな関心が生まれた。^{[ 4 ]}

β-Wは立方晶A15構造を持ち、空間群は${\displaystyle Pm{\bar {3}}n}$これはフランク・カスパー相ファミリーに属する。各単位格子には8個のタングステン原子が含まれる。構造は、各角に1個、中央に1個、各面に2個の原子を持つ立方格子と見なすことができる。ワイコフ位置に対応する2つの非等価なタングステンサイトが存在する。${\displaystyle 2a}$そして${\displaystyle 6c}$それぞれ。最初のサイトでは、ワイコフの位置${\displaystyle 2a}$_{各タングステン原子は12個の等価なW原子と結合して、辺共有および面共有のWW12}立方八面体タングステンの混合物を形成する。2番目のサイトでは、ワイコフ位置${\displaystyle 6c}$各タングステン原子は14個の隣接するタングステン原子と結合しており、W–W結合長は2.54～3.12Åの範囲に広がっている。^{[ 12 ]} β-Wの実験的に測定された格子定数は5.036Åであるが^{[ 6 ]} 、 DFT計算値は5.09Åである^。 [ ^{12 ]}

β-Wの2つの重要な特性、すなわち高い電気抵抗率と巨大なスピンホール効果は、すでに十分に確立されている。

正確な値は調製条件によって異なりますが、β-W の電気抵抗率は α-W (5.3 μΩ.cm) の少なくとも 5 ～ 10 倍高く、^{[ 1 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}、この高い導電率は5 ～ 380 K の温度範囲でほとんど変化しないため、^{[ 16 ]} β-W は薄膜抵抗器としての可能性を秘めており、α-W は薄膜導体です。

β-W の薄膜は、スピンホール角が 0.30 ± 0.02、スピン拡散長が約 3.5  nm という巨大なスピンホール効果を示します。対照的に、α-W は、0.07 未満というはるかに小さなスピンホール角と、同程度のスピン拡散長を示します。^{[ 4 ]}スピンホール効果では、非磁性材料に縦方向の電流を流すと、スピン軌道相互作用により横方向のスピン電流が発生し、スピンホール角は横方向のスピン電流密度と縦方向の電流密度の比として定義されます。β-W のスピンホール角は、スピンホール効果によって隣接する磁性層の磁化を反転または歳差運動させるのに十分なスピントルクを発生させるのに十分な大きさです。 ^{[ 2 ]}

水素還元反応などの化学的方法によるβ-Wの作製に関する報告はいくつかあるが、^{[ 6 ] [ 17 ]}近年報告されているβ-Wのほぼすべては、原子ごとの物理蒸着（PVD）技術であるスパッタ蒸着によって作製されている。^{[ 1 ] [ 4 ] [ 10 ] [ 18 ] [ 19 ]} スパッタ蒸着では、タングステンターゲットにイオン化されたガス分子（通常はAr）を照射し、タングステン原子をプラズマ中に「スパッタリング」する。これらの蒸発した原子は、コーティングする基板上に薄膜として凝縮する際に堆積される。スパッタ成膜によるβ-Wの形成は、基底圧力、Ar圧力、基板温度、不純物ガス、成膜速度、膜厚、基板の種類などに依存する。^{[ 8 ] [ 18 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}酸素または窒素ガスの流れがβ-Wの形成を助け、また必要であることが広く観察されているが、 ^{[ 1 ] [ 8 ] [ 10 ] [ 15 ] [ 20 ]}最近では、成膜中に不純物ガスを一切入れずにβ-Wを準備するという報告もある。^{[ 18 ] [ 23 ] [ 24 ]}