Взаимодействие между диффузией и магноном

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9280 (2023) Цитировать эту статью

18 доступов

Подробности о метриках

Представлены результаты измерений термоэлектрической мощности взаимосвязанных нанопроволочных сетей диаметром 45 нм, состоящих из чистого Fe, разбавленных сплавов FeCu и FeCr и мультислоев Fe/Cu. Значения термоэдс нанопроволок Fe очень близки к значениям, обнаруженным в объемных материалах, при всех исследованных температурах от 70 до 320 К. Для чистого Fe диффузионная термоэдс при комнатной температуре оценивается примерно в - 15 \(\upmu\)V. /K, по нашим данным, в значительной степени вытесняется предполагаемым положительным вкладом магнонного сопротивления, близким к 30 \(\upmu\)В/К. Обнаружено, что в разбавленных сплавах FeCu и FeCr термоЭДС магнонного сопротивления уменьшается с увеличением концентрации примеси примерно до 10 \(\upmu\)V/K при содержании примеси 10\(\%\). В то время как диффузионная термоэдс практически не изменяется в сетках нанопроволок FeCu по сравнению с чистым Fe, в нанопроволоках FeCr она сильно снижается из-за выраженных изменений плотности состояний большинства спиновых электронов. Измерения, выполненные на многослойных нанопроволоках Fe(7 нм)/Cu(10 нм), указывают на преобладающий вклад диффузии носителей заряда в термоэдс, как это было ранее обнаружено в других магнитных мультислоях, а также на подавление эффекта магнонного сопротивления. Магнитосопротивление и магнито-Зебек-эффекты, измеренные на многослойных нанопроволоках Fe/Cu, позволяют оценить спин-зависимый коэффициент Зеебека в Fe, который составляет около - 7,6 \(\upmu\)V/K при температуре окружающей среды.

В ферромагнитных металлах электроны рассеиваются спиновыми волнами. Когда эти материалы подвергаются температурному градиенту, магнонный ток течет из горячей области в холодную, взаимодействуя с электронной системой. Подобно рассеянию на фононах, которое приводит к эффектам фононного увлечения, электрон-магнонное взаимодействие может вызывать эффекты магнонного увлечения, которые положительно влияют на коэффициент Зеебека. Абсолютная термоэдс магнитного материала приблизительно определяется суммой трех независимых вкладов:

где \(S_\text {d}\) — условная часть диффузии электронов, \(S_\text {p}\) — вклад фононного увлечения, а \(S_\text {md}\) — магнон -перетащите вклад. Диффузионная термоэдс в металле возникает из-за неравновесности ферми-дираковского распределения электронов, вызванной термическим градиентом. По формуле Мотта1 можно написать:

где e - элементарный электронный заряд, \(\lambda (\varepsilon )\) - длина свободного пробега электронов на поверхности Ферми площадью \(\Sigma\), а производные оцениваются при энергии Ферми. Таким образом, диффузионная термоэдс очень чувствительна как к изменениям электронной структуры, так и к механизмам рассеяния электронов. Из предыдущих работ было обнаружено, что теория магнонного сопротивления близко соответствует теории фононного сопротивления1 и что \(S_\text {md}\) может быть выражена как1,2,3

где \(\tau _\text {em}\) — время рассеяния при столкновениях магнонов с электронами, \(\tau _\text {m}\) — время релаксации полного импульса магнонов, n — электронная плотность и \ (C_\text {m}\) удельная теплоемкость магнонов на единицу объема. Несмотря на экспериментальные и теоретические работы, проведенные за последние десятилетия на различных материалах, получить экспериментальные доказательства существования эффектов магнонного увлечения все еще сложно. Одна из причин заключается в том, что разделение термоэлектрической энергии на ее различные компоненты является относительно сложным. В своей новаторской работе Блатт и др.4 измерили термоЭДС в железе в широком диапазоне температур и пришли к выводу, что в Fe магнонное сопротивление играет доминирующую роль. Хотя ожидается, что магнонное сопротивление постепенно уменьшается под действием внешнего магнитного поля, было получено мало экспериментальных результатов, показывающих эффекты относительно небольших амплитуд2,5. Последующие исследования тонких пленок и объемных сплавов на основе железа и железа выявили значительный вклад магнонного сопротивления в термоЭДС3,6,7. Кроме того, подтверждением эффекта магнонного увлечения в проволоках NiFe послужили измерения, выполненные на устройстве типа термобатареи8. Также был предложен механизм переноса спина для термоЭДС магнонного увлечения в объемных проводящих ферромагнетиках9. Совсем недавно сообщалось о большом вкладе магнонного сопротивления в термоЭДС в антиферромагнитном MnTe10, легированном литием. Также теоретически исследован11 термоэлектрический эффект магнонного увлечения в ферромагнетиках со структурой скирмиона. Кроме того, появление спин-калоритроники и новых эффектов, связанных со связью зарядовых, спиновых и тепловых токов, породило новый интерес к изучению термоэлектричества в ферромагнитных гетероструктурах. Среди них особое внимание привлек спиновый эффект Зеебека, возникающий в результате взаимодействия термически индуцированного магнонного спинового тока в ферромагнетике и генерации (обратного) спинового напряжения Холла в соседнем нормальном металле12,13,14. С другой стороны, ферромагнитные нанопроволоки, полученные электрохимическим осаждением с использованием нанопористых шаблонов, привлекли большое внимание в последние десятилетия, поскольку этот подход к изготовлению очень универсален, позволяя изучать различные системы магнитных нанопроволок, такие как одиночные нанопроволоки, параллельные массивы нанопроволок и взаимосвязанные сети нанопроводов15,16,17,18,19,20,21. Кроме того, этот подход к синтезу позволяет легко изготавливать магнитные сплавы контролируемого состава, а также многослойные системы, в которых ток течет перпендикулярно плоскости слоев (конфигурация CPP), что является подходящей геометрией для исследования гигантских магнитотранспортных свойств16,22 ,23,24. Взаимосвязанные сети нанопроводов особенно подходят для измерения термоэдс. Действительно, в этой системе электрические и тепловые токи текут глобально в плоскости пересеченной пленки нанопроволоки, следуя зигзагообразным путям вдоль осей нанопроволоки25,26. Такая конфигурация значительно уменьшает проблемы с сопротивлением теплового контакта, которые являются основным источником ошибок, когда температурный градиент устанавливается в направлении вне плоскости нанопористых мембран, содержащих параллельные массивы нанопроволок, из-за тонкости пористых шаблонов. Гигантские магнито-эффекты Зеебека, недавно обнаруженные в магнитных мультислоях, изготовленных из нанопроводных сетей, позволили извлечь фундаментальные спин-калоритронные параметры, такие как зависящие от спина коэффициенты Зеебека, и реализовать магнитно-активируемые термоэлектрические переключатели25,27,28.