铁基磁性薄膜反常能斯特效应的研究

发布时间：2020-07-30 06:10

【摘要】：近年来,电子元器件持续小型化,其集成度和运行速度也在不断提高。然而这造成器件的局域高温严重降低了电子元器件的运行速度及使用寿命。因此合理地吸收并利用器件的废热己成为发展高效率、低功耗绿色信息技术的关键。铁磁材料所特有的反常能斯特效应(anomalous Nernst effect,ANE)由于能够实现热能向电能的转换而备受关注。目前,关于铁磁材料ANE的研究主要集中在结构设计方面,然而铁磁层本身的反常能斯特效应对器件整体效应起至关重要的作用。因此,为了提升基于反常能斯特效应的热电器件单位磁矩热电转换效率,从铁磁材料内禀因素探索反常能斯特效应的物理机制及增大反常能斯特效应不仅具有理论研究意义也有着重要的应用价值。现已有理论研究表明反常能斯特效应与自旋轨道耦合能(spin orbit coupling,SOC)及费米面位置息息相关。基于此,本论文的研究分为以下三个方向:1.选取不同组分的Feo.5(PtxPd1-x)0.5(FePtPd)(0≤x≤1)三元合金薄膜作为研究对象,通过改变FePtPd合金中Pt和Pd的成分含量,连续且单一地调控体系的自旋轨道耦合能,从而研究自旋轨道耦合能对反常能斯特效应的影响机制。采用直流磁控溅射法在石英玻璃衬底上制备了厚度为20±2 nm的FePtPd三元合金薄膜。样品均为fcc结构。对不同成分样品的ANE进行测量,发现随着施加于热源的加热电流1增大,温度梯度(?)T增大,反常能斯特电压VANE呈增大的趋势。VANE随加热功率P线性增大。研究还发现反常能斯特效率vN随着Pt原子占比的增加而增大,这是由于sSOC的增强导致的。这部分工作全面给出SOC对ANE的调控规律与机制,将有助于下一代自旋电子元器件及热电器件的研发。2.选取不同组分的FexNi1-x(FeNi)(x=0-0.55,1)外延合金薄膜作为研究对象,通过改变FeNi合金成分,连续且单一地调控体系的费米面位置,从而研究费米面位置对反常能斯特效应的影响机制。采用直流磁控溅射法在单晶MgO(001)衬底上制备了厚度为40±3 nm的FeNi外延薄膜。对不同成分样品的ANE进行测量,发现所有样品随着施加于热源的加热电流1的增大,其反常能斯特电压VANE数值增大。而随着加热功率P的增大,VANE数值线性增大。对于fcc FexNi1-x(x=0.55)薄膜样品随着Fe含量x的增大,VANE及反常能斯特效率vN增大,由理论计算可知随着Fe原子对Ni的替换,其费米能级将升高,进而影响了VANE和vN的大小。而bcc Fe外延薄膜相较于fcc FeNi合金,其VANE及vN发生骤减及变号,这是由能带填充效应引起的内禀机制贡献改变导致的。这部分工作深刻揭示了FeNi外延体系中ANE的微观机制,将为调控及增大反常能斯特效应提供新思路。3.选择无序(FexNi1-x)0.5Pt0.5(0≤x≤1)三元合金体系,一方面FexNi1-x体系结论对比,发现掺入重金属Pt后,体系SOC增强,ANE亦有所增强。另一方面,通过改变Fe和Ni相对原子含量来调节体系的费米面位置,结论表明随着Fe原子的增多,费米面位置升高,VANE和vN皆增大。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2
【图文】：

可近乎为零[8]。料，能斯特电场在正常能斯特效应常规项的基础上又反常项，在样品达到饱和磁化强度 Ms时，其反常项温度梯度稳定的体系，在样品未达到饱和磁化强度之随着外加磁场 的增大而急剧上升，然后经过一个拐，直至饱和。其拐点即为样品正好达到饱和磁化强度在外加磁场中所受的洛伦兹力并不能对此现象进行合能斯特效应，图 1-1 为其原理示意图。反常能斯特效导体两端不仅有电荷的积累还有自旋积累，从而同时常能斯特效应来源于载流子运动时受到的自旋相关偏反常能斯特效应可以看作反常霍尔效应的热效应，二霍尔效应(ordinary Hall effect, OHE)与反常霍尔效应，正常能斯特效应与反常能斯特效应之间的主要区别

西安理工大学硕士学位论文自旋轨道耦合相(Thomas 项)。自旋轨道耦合作用解释效应。简而言之，从电子静止参考系(图 1-2 (b))，可看在地球上观测到太阳在环绕地球运动一样。由于电子流环产生一个磁场，使电子自旋磁矩从优取向。图 1-在图 1-2 (b)中，由电子静止参考系看，核似乎围绕电子方向的磁场。电子自旋和它的轨道的相互作用感生的磁

1 绪 论面位置的移动引起贝里曲率的变化；而同济大学的 W. J. Fan[51]等学者从实对于不同成分的 NixCo1-x(002)外延合金薄膜，随着温度的增加AH的幅度也图 1-4(右)在一个特定的温度，xx非单调变化，因此可得到最大值。此外，些不同成分薄膜的AH变号现象。他们也将这种现象解释为由费米面位置变填充效应造成的。

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本文编号：2775141