铁基磁性薄膜反常能斯特效应的研究

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Fe0.5(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±2nm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I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SOC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±3nm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I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=0-0.55)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，一方面与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。

目录

声明

1 绪 论

1.1 反常能斯特效应

1.2 自旋轨道耦合(SOC)

1.2.1 自旋轨道耦合概述

1.2.2自旋轨道耦合对磁学效应调控机制的研究现状

1.3费米面(Fermi surface)

1.3.1 费米面概述

1.3.2 费米面位置对磁学效应调控机制的研究现状

1.4本课题的研究难点及内容

2 实验内容

2.1 薄膜样品的制备

2.1.1 磁控溅射原理

2.1.2 磁控溅射设备

2.1.3 薄膜制备过程

2.2 样品的物性测试

2.2.1 薄膜成分表征(EDS)

2.2.2 薄膜厚度表征(XRR)

2.2.3 薄膜结构表征(XRD)

2.2.4 薄膜磁性测量(VSM)

2.2.5 反常能斯特效应测量(ANE)

3 无序FePtPd三元合金薄膜的反常能斯特效应

3.1 引言

3.2 无序FePtPd薄膜制备及成分确定

3.3 无序FePtPd薄膜结构表征

3.4 无序FePtPd薄膜磁性能测试

3.5 无序FePtPd薄膜反常能斯特效应结果分析

3.6 小结

4 外延FeNi二元合金薄膜的反常能斯特效应

4.1 引言

4.2 外延FeNi薄膜制备及成分确定

4.3外延FeNi薄膜结构表征

4.4 外延FeNi薄膜磁性能测试

4.5 外延FeNi薄膜反常能斯特效应结果分析

4.6 小结

5 无序FeNiPt三元合金薄膜的反常能斯特效应

5.1 引言

5.2 无序FeNiPt薄膜制备及成分确定

5.3 无序FeNiPt薄膜结构表征

5.4 无序FeNiPt薄膜磁性能测试

5.5 无序FeNiPt薄膜反常能斯特效应结果分析

5.6 小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果