【摘要】：以控制和操縱電子自旋為目的,研究電子輸運性質并進而設計新型器件的自旋電子學(spintronics)近年來得到越來越多的關注和研究。與傳統(tǒng)的半導體器件相比,基于自旋電子學制造的器件具有更快數(shù)據(jù)傳輸速度、更低的功耗以及更高的集成度,在未來電子器件的應用中具有光明的前景。目前,自旋電子學在理論和實驗上的主要研究課題包括.:自旋極化電子的產生、在納米材料中及界面中自旋的輸運及探測。極低耗散甚至無耗散自旋流(spin current)的相關研究自然而然的成為自旋電子學的重要組成部分。近年來,隨著自旋電子學的迅猛發(fā)展,科學家們發(fā)現(xiàn)電子自旋流與熱流之間存在著相互作用。從而催生了一個新興的研究領域:熱自旋電子學(spincaloritronics,也稱自旋卡諾電子學)。自旋塞貝克效應是在熱自旋電子學領域產生自旋流的重要方法,在坡莫合金中被首次發(fā)現(xiàn),因為熱流的方向不同分為橫向自旋塞貝克效應(Transvers spin Seebeck effect,TSSE)和縱向自旋塞貝克效應(Longitudinal spin Seebeck effect,LSSE)。而在橫向自旋塞貝克效應的構型中,由于襯底與薄膜熱導率的不同,很難得到純凈的面內溫度梯度。伴生的垂直方向溫度梯度會導致額外的熱信號,所以至今仍存在爭議;相比于橫向自旋塞貝克效應,縱向自旋塞貝克效應構型簡單,垂直溫度梯度容易獲得且實用性更強。但是在相同構型下,鐵磁金屬中還存在反常能斯特效應(anomalous Nernst effect,ANE),此效應和逆自旋霍爾效應具有相同的形式,所以在探測時,單從信號上無法區(qū)分。因此,縱向自旋塞貝克效應僅僅在鐵磁絕緣體例如YIG中得到大量研究。到目前為止,有關鐵磁性導體中的LSSE僅有幾篇報道,其中,Kannan等人利用Fe、Ni具有相反的反常能斯特系數(shù),通過調整Fe-Ni合金中Fe和Ni的比例來找到反常能斯特信號為零的配比,在此基礎上研究自旋塞貝克效應,但缺少自旋塞貝克系數(shù)的計算;Holanda等人生長了 Py/NiO/Pt三層膜結構,利用NiO只能傳遞自旋流而不能傳遞電荷流的性質,成功的證明了 Py中存在自旋流,并且作者嘗試用非磁層中的電流和溫度梯度的比值重新定義了塞貝克系數(shù),但他們的定義方法取決于鐵磁(FM)-非磁(NM)界面以及非磁層的性質,由相同的鐵磁層計算出的塞貝克系數(shù)會因非磁層自旋霍爾角的不同而不同,因此不能本質地反應鐵磁層的性質。在本論文中,我們重點研究了 Fe超薄膜中的縱向自旋塞貝克效應并定量計算了塞貝克系數(shù)。我們通過改變薄膜厚度,發(fā)現(xiàn)Fe薄膜大約在4.8nm厚時反常能斯特信號消失;這對于研究鐵磁金屬中反常能斯特效應機理提供了重要的實驗依據(jù),并對于Fe薄膜中是否存在縱向自旋塞貝克效應提供了良好的研究平臺;在此厚度基礎上,我們生長了 Fe/Cu、Fe/Cu/Pt、W/Fe等體系,通過Pt、W中的逆自旋霍爾效應測量發(fā)現(xiàn):蓋有Pt、W的樣品得到了相反的信號,這是由于它們的自旋霍爾角反號;并且信號遠遠大于單層Fe及Fe/Cu雙層膜的信號,成功證明了 Fe中存在縱向自旋塞貝克效應;隨后,我們用鐵磁材料中的自旋流與溫度梯度的比值重新定義了自旋塞貝克系數(shù),通過對Fe及Fe/Pt樣品的變頻鐵磁共振測量,我們得到了 Fe和Fe/Pt樣品相關的鐵磁信息進而計算出了 Fe-Pt界面的有效自旋混合電導。根據(jù)自旋泵浦及界面自旋損失等相關理論,通過Pt層測得的電壓信號計算出了來自于Fe薄膜中的自旋流,最后結合施加在樣品上的溫差及材料熱導率我們計算出Fe薄膜上的溫度梯度及縱向自旋塞貝克系數(shù)。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O484
【圖文】：

旋霍爾效應（ｓｐｉｎ邋Ｈａｌｌ邋ｅｆｆｅｃｔ）［３］、自旋轉移力矩效應（ｓｐｉｎ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ邋ｔｏｒｑｕｅ邋ｅｆｆｅｃｔ）［４］、逡逑巨磁阻效應（ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ邋ｅｆｆｅｃｔ，邋ＧＭＲ）［５，６］、隧穿磁電阻效應（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ逡逑ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ邋ｅｆｆｅｃｔ邋ＴＭＲ）［７，８］等。圖１．１展示了近年來自旋電子學領域的相逡逑關研宄熱點，其中為人們所熟知的巨磁阻效應，自ＡｌｂｅｒｔＦｅｒｔ和ＰｅｔｅｒＧｒｕｎｂｅｒ兩逡逑人在Ｆｅ、Ｃｒ多層膜中發(fā)現(xiàn)以來就吸引了大量關注，后來隨著技術進步，應用到逡逑計算機硬盤讀出頭上，引發(fā)了硬盤“大容量、小型化”革命，促進互聯(lián)網信息革命逡逑的到來，他們兩人也因此發(fā)現(xiàn)而獲得２００７年諾貝爾物理學獎。逡逑３逡逑

大小取決于電子的運動速度及極化程度。對于傳統(tǒng)的電荷流，在同樣大小的電場逡逑驅動下，自旋向上的電子與自旋向下的電子數(shù)量（ｎ）和速度（ｖ）沒有差別，此時／Ｔ邋＝逡逑／N，介＝＾＋人＝２力＝２人，而八＝去（／廣人）＝０，如圖１．２（ａ）；那么什么情況逡逑下才會有自旋流的產生呢？從上式很容易想到當導體內部自旋上下的電子數(shù)量逡逑不等時，便會有自旋流的產生，如當電子經過鐵磁材料后，便會發(fā)生極化，使得逡逑ｎＴ矣以，＾矣0這就是自旋極化的電流，如圖１．２（ｂ）；設想如果自旋相反的電子沿逡逑相反方向運動ｖＴ邋＝邋－Ｖｉ，此時／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逡逑圖１．２⑷傳統(tǒng)的電荷流，（ｂ）自旋極化的電流，（ｃ）純自旋流（圖片取自［２０］）逡逑況下將取得最大值，并且沒有電荷流的存在，只有自旋的流動，這就是純自旋流，逡逑如圖１．２（ｃ）。利用純自旋流傳遞信息的優(yōu)勢在于，純自旋流只傳輸角動量，而沒逡逑５?

大小取決于電子的運動速度及極化程度。對于傳統(tǒng)的電荷流，在同樣大小的電場逡逑驅動下，自旋向上的電子與自旋向下的電子數(shù)量（ｎ）和速度（ｖ）沒有差別，此時／Ｔ邋＝逡逑／N，介＝＾＋人＝２力＝２人，而八＝去（／廣人）＝０，如圖１．２（ａ）；那么什么情況逡逑下才會有自旋流的產生呢？從上式很容易想到當導體內部自旋上下的電子數(shù)量逡逑不等時，便會有自旋流的產生，如當電子經過鐵磁材料后，便會發(fā)生極化，使得逡逑ｎＴ矣以，＾矣0這就是自旋極化的電流，如圖１．２（ｂ）；設想如果自旋相反的電子沿逡逑相反方向運動ｖＴ邋＝邋－Ｖｉ，此時／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逡逑圖１．２⑷傳統(tǒng)的電荷流，（ｂ）自旋極化的電流，（ｃ）純自旋流（圖片取自［２０］）逡逑況下將取得最大值，并且沒有電荷流的存在，只有自旋的流動，這就是純自旋流，逡逑如圖１．２（ｃ）。利用純自旋流傳遞信息的優(yōu)勢在于，純自旋流只傳輸角動量，而沒逡逑５?

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本文編號：2754499