Fe薄膜中纵向自旋塞贝克系数的定量测量

发布时间：2020-07-14 04:38

【摘要】：以控制和操纵电子自旋为目的,研究电子输运性质并进而设计新型器件的自旋电子学(spintronics)近年来得到越来越多的关注和研究。与传统的半导体器件相比,基于自旋电子学制造的器件具有更快数据传输速度、更低的功耗以及更高的集成度,在未来电子器件的应用中具有光明的前景。目前,自旋电子学在理论和实验上的主要研究课题包括.:自旋极化电子的产生、在纳米材料中及界面中自旋的输运及探测。极低耗散甚至无耗散自旋流(spin current)的相关研究自然而然的成为自旋电子学的重要组成部分。近年来,随着自旋电子学的迅猛发展,科学家们发现电子自旋流与热流之间存在着相互作用。从而催生了一个新兴的研究领域:热自旋电子学(spincaloritronics,也称自旋卡诺电子学)。自旋塞贝克效应是在热自旋电子学领域产生自旋流的重要方法,在坡莫合金中被首次发现,因为热流的方向不同分为横向自旋塞贝克效应(Transvers spin Seebeck effect,TSSE)和纵向自旋塞贝克效应(Longitudinal spin Seebeck effect,LSSE)。而在横向自旋塞贝克效应的构型中,由于衬底与薄膜热导率的不同,很难得到纯净的面内温度梯度。伴生的垂直方向温度梯度会导致额外的热信号,所以至今仍存在争议;相比于横向自旋塞贝克效应,纵向自旋塞贝克效应构型简单,垂直温度梯度容易获得且实用性更强。但是在相同构型下,铁磁金属中还存在反常能斯特效应(anomalous Nernst effect,ANE),此效应和逆自旋霍尔效应具有相同的形式,所以在探测时,单从信号上无法区分。因此,纵向自旋塞贝克效应仅仅在铁磁绝缘体例如YIG中得到大量研究。到目前为止,有关铁磁性导体中的LSSE仅有几篇报道,其中,Kannan等人利用Fe、Ni具有相反的反常能斯特系数,通过调整Fe-Ni合金中Fe和Ni的比例来找到反常能斯特信号为零的配比,在此基础上研究自旋塞贝克效应,但缺少自旋塞贝克系数的计算;Holanda等人生长了 Py/NiO/Pt三层膜结构,利用NiO只能传递自旋流而不能传递电荷流的性质,成功的证明了 Py中存在自旋流,并且作者尝试用非磁层中的电流和温度梯度的比值重新定义了塞贝克系数,但他们的定义方法取决于铁磁(FM)-非磁(NM)界面以及非磁层的性质,由相同的铁磁层计算出的塞贝克系数会因非磁层自旋霍尔角的不同而不同,因此不能本质地反应铁磁层的性质。在本论文中,我们重点研究了 Fe超薄膜中的纵向自旋塞贝克效应并定量计算了塞贝克系数。我们通过改变薄膜厚度,发现Fe薄膜大约在4.8nm厚时反常能斯特信号消失;这对于研究铁磁金属中反常能斯特效应机理提供了重要的实验依据,并对于Fe薄膜中是否存在纵向自旋塞贝克效应提供了良好的研究平台;在此厚度基础上,我们生长了 Fe/Cu、Fe/Cu/Pt、W/Fe等体系,通过Pt、W中的逆自旋霍尔效应测量发现:盖有Pt、W的样品得到了相反的信号,这是由于它们的自旋霍尔角反号;并且信号远远大于单层Fe及Fe/Cu双层膜的信号,成功证明了 Fe中存在纵向自旋塞贝克效应;随后,我们用铁磁材料中的自旋流与温度梯度的比值重新定义了自旋塞贝克系数,通过对Fe及Fe/Pt样品的变频铁磁共振测量,我们得到了 Fe和Fe/Pt样品相关的铁磁信息进而计算出了 Fe-Pt界面的有效自旋混合电导。根据自旋泵浦及界面自旋损失等相关理论,通过Pt层测得的电压信号计算出了来自于Fe薄膜中的自旋流,最后结合施加在样品上的温差及材料热导率我们计算出Fe薄膜上的温度梯度及纵向自旋塞贝克系数。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O484
【图文】：

旋霍尔效应（ｓｐｉｎ邋Ｈａｌｌ邋ｅｆｆｅｃｔ）［３］、自旋转移力矩效应（ｓｐｉｎ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ邋ｔｏｒｑｕｅ邋ｅｆｆｅｃｔ）［４］、逡逑巨磁阻效应（ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ邋ｅｆｆｅｃｔ，邋ＧＭＲ）［５，６］、隧穿磁电阻效应（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ逡逑ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ邋ｅｆｆｅｃｔ邋ＴＭＲ）［７，８］等。图１．１展示了近年来自旋电子学领域的相逡逑关研宄热点，其中为人们所熟知的巨磁阻效应，自ＡｌｂｅｒｔＦｅｒｔ和ＰｅｔｅｒＧｒｕｎｂｅｒ两逡逑人在Ｆｅ、Ｃｒ多层膜中发现以来就吸引了大量关注，后来随着技术进步，应用到逡逑计算机硬盘读出头上，引发了硬盘“大容量、小型化”革命，促进互联网信息革命逡逑的到来，他们两人也因此发现而获得２００７年诺贝尔物理学奖。逡逑３逡逑

大小取决于电子的运动速度及极化程度。对于传统的电荷流，在同样大小的电场逡逑驱动下，自旋向上的电子与自旋向下的电子数量（ｎ）和速度（ｖ）没有差别，此时／Ｔ邋＝逡逑／N，介＝＾＋人＝２力＝２人，而八＝去（／广人）＝０，如图１．２（ａ）；那么什么情况逡逑下才会有自旋流的产生呢？从上式很容易想到当导体内部自旋上下的电子数量逡逑不等时，便会有自旋流的产生，如当电子经过铁磁材料后，便会发生极化，使得逡逑ｎＴ矣以，＾矣0这就是自旋极化的电流，如图１．２（ｂ）；设想如果自旋相反的电子沿逡逑相反方向运动ｖＴ邋＝邋－Ｖｉ，此时／Ｔ邋＝邋－／ｉ，／ｃ＝／Ｔ＋Ａ邋＝邋０，自旋流在相同逡逑（ａ）邋Ｐｕｒｅ邋Ｃｈａｒｇｅ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋（ｂ）邋Ｓｐｉｎ－Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋（ｃ）邋Ｐｕｒｅ邋Ｓｐｉｎ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ逡逑图１．２⑷传统的电荷流，（ｂ）自旋极化的电流，（ｃ）纯自旋流（图片取自［２０］）逡逑况下将取得最大值，并且没有电荷流的存在，只有自旋的流动，这就是纯自旋流，逡逑如图１．２（ｃ）。利用纯自旋流传递信息的优势在于，纯自旋流只传输角动量，而没逡逑５?

大小取决于电子的运动速度及极化程度。对于传统的电荷流，在同样大小的电场逡逑驱动下，自旋向上的电子与自旋向下的电子数量（ｎ）和速度（ｖ）没有差别，此时／Ｔ邋＝逡逑／N，介＝＾＋人＝２力＝２人，而八＝去（／广人）＝０，如图１．２（ａ）；那么什么情况逡逑下才会有自旋流的产生呢？从上式很容易想到当导体内部自旋上下的电子数量逡逑不等时，便会有自旋流的产生，如当电子经过铁磁材料后，便会发生极化，使得逡逑ｎＴ矣以，＾矣0这就是自旋极化的电流，如图１．２（ｂ）；设想如果自旋相反的电子沿逡逑相反方向运动ｖＴ邋＝邋－Ｖｉ，此时／Ｔ邋＝邋－／ｉ，／ｃ＝／Ｔ＋Ａ邋＝邋０，自旋流在相同逡逑（ａ）邋Ｐｕｒｅ邋Ｃｈａｒｇｅ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋（ｂ）邋Ｓｐｉｎ－Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋（ｃ）邋Ｐｕｒｅ邋Ｓｐｉｎ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ逡逑图１．２⑷传统的电荷流，（ｂ）自旋极化的电流，（ｃ）纯自旋流（图片取自［２０］）逡逑况下将取得最大值，并且没有电荷流的存在，只有自旋的流动，这就是纯自旋流，逡逑如图１．２（ｃ）。利用纯自旋流传递信息的优势在于，纯自旋流只传输角动量，而没逡逑５?

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本文编号：2754499