확산과 마그논의 상호작용

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9280(2023) 이 기사 인용

18 액세스

측정항목 세부정보

순수 Fe, 희석 FeCu 및 FeCr 합금, Fe/Cu 다층으로 구성된 직경 45nm의 상호 연결된 나노와이어 네트워크의 열전 전력 측정 결과가 제시됩니다. Fe 나노와이어의 열전력 값은 70~320K 사이에서 연구된 모든 온도에서 벌크 재료에서 발견되는 값과 매우 가깝습니다. 순수 Fe의 경우 실온에서 확산 열전력은 약 −15\(\upmu\)V로 추정됩니다. 우리 데이터의 /K는 대략 30\(\upmu\)V/K에 가까운 추정된 양의 마그논 항력 기여로 대체됩니다. 희석된 FeCu 및 FeCr 합금에서 마그논 항력 열전력은 불순물 농도가 10\(\%\)일 때 약 10\(\upmu\)V/K까지 불순물 농도가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났습니다. 확산 열전력은 순수 Fe와 비교하여 FeCu 나노와이어 네트워크에서 거의 변하지 않지만, 대부분의 스핀 전자의 상태 밀도의 현저한 변화로 인해 FeCr 나노와이어에서는 크게 감소합니다. Fe(7 nm)/Cu(10 nm) 다층 나노와이어에서 수행된 측정은 이전에 다른 자기 다층에서 발견된 것처럼 열전력에 대한 전하 캐리어 확산의 지배적인 기여와 마그논 드래그 효과의 상쇄를 나타냅니다. Fe/Cu 다층 나노와이어에서 측정된 자기 저항 및 자기 제벡 효과를 통해 Fe의 스핀 의존형 제벡 계수를 추정할 수 있으며 이는 주변 온도에서 약 −7.6\(\upmu\)V/K입니다.

강자성 금속에서는 스핀파에 의해 전자가 산란됩니다. 이러한 물질이 온도 구배를 받으면 마그논 전류가 뜨거운 영역에서 차가운 영역으로 흘러 전자 시스템과 상호 작용합니다. 포논 항력 효과를 유발하는 포논에 의한 산란과 유사하게 전자-마그논 상호 작용은 Seebeck 계수에 긍정적으로 기여하는 마그논 항력 효과를 생성할 수 있습니다. 자성 물질의 절대 열전 전력은 대략 다음 세 가지 독립적 기여의 합으로 제공됩니다.

여기서 \(S_\text {d}\)는 기존 전자 확산 부분이고, \(S_\text {p}\)는 포논 드래그 기여, \(S_\text {md}\)는 마그논입니다. -드래그 기여. 금속의 확산 열전력은 열 구배로 인해 발생하는 전자의 페르미-디랙 분포의 비평형에서 발생합니다. Mott 공식1에 따르면 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

여기서 e는 기본 전자 전하이고 \(\lambda (\varepsilon )\)는 \(\Sigma\) 면적의 페르미 표면에서 전자의 평균 자유 경로이며 도함수는 페르미 에너지에서 평가됩니다. 따라서 확산 열전력은 전자 구조의 변화와 전자를 산란시키는 메커니즘 모두에 매우 민감합니다. 이전 연구에서 magnon-drag 이론은 phonon-drag1의 이론과 밀접하게 일치하며 \(S_\text{md}\)는 1,2,3으로 표현될 수 있음이 밝혀졌습니다.

여기서 \(\tau _\text {em}\)는 마그논-전자 충돌의 산란 시간, \(\tau _\text {m}\)는 마그논의 총 운동량 완화 시간, n은 전자 밀도, \ (C_\text {m}\) 단위 부피당 마그논 비열 용량입니다. 지난 수십 년 동안 다양한 재료에 대해 수행된 실험적, 이론적 연구에도 불구하고 마그논 항력 효과의 존재에 대한 실험적 증거를 얻는 것은 여전히 ​​어렵습니다. 그 이유 중 하나는 열전 전력을 여러 구성 요소로 분리하는 것이 상대적으로 복잡하기 때문입니다. 선구적인 연구에서 Blatt 등4은 넓은 온도 범위에 걸쳐 철의 열전력을 측정하고 Fe에서는 마그논 항력이 지배적인 역할을 한다는 결론을 내렸습니다. 외부 자기장에 의해 마그논 항력이 점진적으로 감소할 것으로 예상되지만 실험 결과는 거의 얻어지지 않아 상대적으로 작은 진폭의 효과를 보여줍니다2,5. 박막과 벌크 철 및 Fe 기반 합금에 대한 후속 연구에서는 열전력3,6,7에 대한 마그논 항력의 중요한 기여를 강조했습니다. 게다가, NiFe 와이어의 마그논 항력 효과에 대한 증거는 열전퇴형 장치에서 수행된 측정을 통해 제공되었습니다8. 또한 벌크 전도성 강자성체에서 마그논 드래그 열전력을 위한 스핀 전달 메커니즘이 제안되었습니다9. 최근에는 반강자성 Li-도핑된 MnTe10에서 열전력에 대한 큰 마그논 드래그 기여가 보고되었습니다. 또한 스커미온 구조를 갖는 강자성체의 마그논 항력 열전 효과가 이론적으로 연구되었다. 더욱이, 스핀-칼로리트로닉스의 출현과 전하, 스핀 및 열 전류 사이의 결합과 관련된 새로운 효과는 강자성 이종 구조의 열전 연구에 새로운 관심을 불러일으켰습니다. 이들 중에서, 강자성체에서 열적으로 유도된 마그노닉 스핀 전류와 인접한 일반 금속에서 (역) 스핀 홀 전압의 생성 사이의 상호 작용으로 인한 스핀 제벡 효과가 특히 주목을 받았습니다12,13,14. 반면에, 나노다공성 템플릿을 사용하여 전기화학적 증착으로 얻은 강자성 나노와이어는 지난 수십 년 동안 많은 주목을 받아왔습니다. 왜냐하면 이 제조 접근법은 매우 다재다능하여 단일 나노와이어, 평행 나노와이어 배열 및 나노와이어 배열과 같은 다양한 자기 나노와이어 시스템에 대한 연구가 가능하기 때문입니다. 상호 연결된 나노와이어 네트워크15,16,17,18,19,20,21. 또한, 이 합성 접근법을 사용하면 전류가 층 평면에 수직으로 흐르는 다층 시스템(CPP 구성)뿐만 아니라 제어된 구성의 자성 합금을 쉽게 제조할 수 있으며, 이는 거대한 자기 수송 특성을 조사하는 데 적합한 기하학적 구조입니다. ,23,24. 상호 연결된 나노와이어 네트워크는 열전력 측정에 특히 적합합니다. 실제로, 이 시스템에서 전기 및 열 전류는 나노와이어 축을 따라 지그재그 경로를 따라 교차된 나노와이어 필름의 평면에서 전체적으로 흐릅니다. 이 구성은 다공성 템플릿의 두께로 인해 평행한 나노와이어 배열을 포함하는 나노다공성 멤브레인의 평면 외부 방향으로 열 구배가 설정될 때 오류의 주요 원인인 열 접촉 저항 문제를 크게 줄입니다. 나노와이어 네트워크로 만들어진 자기 다층에서 최근 보고된 거대 자기-제벡 효과는 스핀 의존형 제벡 계수와 같은 기본적인 스핀-칼로리트로닉 매개변수를 추출하고 자기 활성화 열전 스위치를 실현하는 것을 가능하게 했습니다.