Efek Termoelektrik Bergantung Spin Besar pada Jaringan Nanowire Terinterkoneksi Berbasis NiFe

Hasil dan Diskusi

Daya termoelektrik absolut pada suhu kamar (RT) jaringan NW paduan Ni dan NiFe murni yang mengandung 20%, 30%, dan 40% Fe ditunjukkan pada Gambar. 2a. Tenaga panas terus meningkat dengan meningkatnya kandungan Fe, mencapai nilai antara –20 μ V/K untuk Ni murni hingga sekitar –45 μ V/K untuk Ni₆₀ Biaya₄₀ . Bilah kesalahan pada Gambar. 2a disebabkan oleh ketidakpastian dalam komposisi paduan yang terkait dengan proses pelapisan listrik. Hasil ini sesuai dengan data eksperimen yang diperoleh pada paduan NiFe massal [31]. Oleh karena itu, paduan NiFe dengan komposisi fine-tune berpotensi menghasilkan koefisien Seebeck yang jauh lebih besar daripada logam feromagnetik murni seperti Co dan bahan termokopel seperti konstantan (Cu₅₅ Ni₄₅ :S -38 μ V/K). Kami juga mencatat bahwa nilai terukur untuk Py NWs (S -37 μ V/K) sangat mirip dengan nilai massal yang dilaporkan dalam literatur [32, 33]. Panel b dan c pada Gambar 2 menunjukkan dependensi medan magnet RT dari resistansi dan daya termo jaringan Ni dan Py NW dengan medan yang diterapkan dalam arah IP dan OOP. Resistansi dan thermopower sampel Py dan Ni NW menunjukkan ketergantungan medan magnet yang sama di sepanjang dua arah. R (H ) kurva sesuai dengan efek magnetoresistansi anisotropik, yang disebabkan oleh anisotropi hamburan spin-orbit dalam logam feromagnetik transisi. Efek ini menyebabkan penurunan resistivitas karena sudut antara magnetisasi dan arah arus meningkat. Memang, aliran arus dibatasi sepanjang segmen NW, magnetisasi saturasi dalam arah IP membuat sudut rata-rata ± 65 ^∘ dengan arus. Sebaliknya, ketika magnetisasi jenuh dalam arah OOP, sudut rata-rata antara magnetisasi dan aliran arus jauh lebih kecil (±25 ^∘ ). Oleh karena itu, penurunan resistansi dalam medan magnet yang diterapkan secara eksternal ditingkatkan ketika medan diterapkan dalam arah IP. Jelas, keadaan resistansi yang lebih rendah yang diharapkan untuk konfigurasi tegak lurus antara magnetisasi dan arus tidak dapat dicapai dalam jaringan NW tersebut. Pengamatan bahwa nilai absolut dari thermopower meningkat dengan meningkatnya medan magnet transversal pada jaringan NW paduan Ni dan NiFe juga sesuai dengan penelitian sebelumnya yang dilakukan pada NW tunggal [34]. Gambar 2d menunjukkan besarnya magnetoresistance dan magneto-thermopower dievaluasi pada RT dalam arah IP untuk jaringan NW paduan Ni dan NiFe murni. Di sini, rasio MR dan MTP didefinisikan sebagai MR =(R (H =0)−R (H _sab ))/R (H =0) dan MTP =(S (H =0)−S (H _sab ))/S (H =0), dengan R (H _sab ) dan S (H _sab ) resistansi dan thermopower di H =10 kOe, masing-masing. Untuk sampel paduan NiFe, rasio MTP besarnya sebanding atau lebih kecil (Py) dengan rasio MR. Nilai yang lebih kecil dari rasio MTP sehubungan dengan rasio MR yang sesuai untuk jaringan Py NW sesuai dengan pengukuran yang dilakukan pada film tipis Py [35]. Sebaliknya, jaringan Ni NW menunjukkan efek MTP -5% jauh lebih besar daripada rasio MR 1,5%. Hasil ini sesuai dengan pengukuran sebelumnya yang dilakukan pada Ni NWs tunggal, menunjukkan peningkatan yang sama dari efek MTP [34]. Sangat menarik untuk dicatat bahwa untuk film tipis Ni, anisotropi yang diamati dari koefisien Seebeck memiliki besaran yang kira-kira sama dengan MR anisotropik (∼1,5%) [35]. Studi lebih lanjut diperlukan untuk memahami peningkatan MTP yang tak terduga ini untuk NWs Ni.

a Variasi koefisien Seebeck vs konten Ni dalam jaringan NiFe NW (diameter 80-nm) pada suhu kamar. Nilai yang direkomendasikan untuk paduan curah [38] juga dilaporkan. b , c Variasi suhu ruangan dari hambatan listrik dan koefisien Seebeck Ni (b ) dan Py (c ) Sampel NW diperoleh dengan bidang yang diterapkan di dalam bidang (IP) dan di luar bidang (OOP) dari film jaringan NW. d Rasio MR dan MTP sebagai fungsi kandungan Ni dalam jaringan NiFe NW di RT

Dalam multilayer FM/Cu, koefisien Seebeck dalam arah tegak lurus lapisan dapat dihitung dari properti transpor yang sesuai menggunakan aturan Kirchhoff [36],

$$ S_{\perp} =\frac{S_{\text{Cu}} \kappa_{\text{FM}} + \lambda S_{\text{FM}} \kappa_{\text{Cu}}}{ \lambda \kappa_{\text{Cu}} + \kappa_{\text{FM}}}, $$ (1)

dimana S _FM,Cu dan κ _FM,Cu mewakili thermopower dan konduktivitas termal dari bahan feromagnetik dan Cu dan λ =t _FM /t _Cu rasio ketebalan lapisan FM dan Cu. Menurut Persamaan. 1, S _⊥ terutama ditentukan oleh thermopower besar dari logam FM jika rasio ketebalan λ tidak terlalu kecil karena S _FM κ _Cu>>i>S _Cu κ _FM .

Sebaliknya, koefisien Seebeck dari tumpukan multilayer FM/Cu dalam arah sejajar dengan lapisan diberikan oleh

dengan ρ _FM dan ρ _Cu sebagai resistivitas listrik yang sesuai. Dalam hal ini, thermopower besar hanya dapat diperoleh jika rasio ketebalan λ sangat besar. Perilaku kontras antara lapisan paralel dan arah tegak lurus diilustrasikan pada Gambar. 3a untuk multilayer Py/Cu menggunakan Persamaan. 1 dan 2, dan literatur nilai resistivitas dan thermopower untuk permalloy massal [32, 33, 37, 38] (ρ _Py 25 μ Ω cm, S _Py =–35 μ V/K) dan tembaga (ρ _Cu =1,6 μ Ω cm, S _Cu =1,7 μ V/K), serta konduktivitas termal yang diperkirakan dari hukum Wiedemann-Franz (κ ρ =L T , di mana T adalah suhu dan L adalah rasio Lorenz). Untuk kristal tunggal Py curah, kontribusi kisi yang relatif kecil terhadap konduktivitas termal diharapkan sedikit mengubah nilai perkiraan. Meskipun resistivitas listrik dan nilai konduktivitas termal kawat nano multilayer dapat sangat bervariasi dari konstituen massal masing-masing, perilaku kontras yang sama antara arah paralel dan tegak lurus dari lapisan tetap ada. Jadi, NW berlapis-lapis dengan tumpukan alternatif bahan yang berbeda seperti Py dan Cu (lihat Gambar 3a) adalah kandidat yang menjanjikan untuk bahan termoelektrik yang baik.

a Termopower yang dihitung untuk multilayer Py/Cu dalam arah lapisan paralel (garis putus-putus) dan tegak lurus (garis padat) vs rasio ketebalan λ =t _Py /t _Cu menggunakan Persamaan. 1 dan 2 dan nilai massal untuk koefisien transportasi. Garis putus-putus abu-abu menunjukkan nilai untuk λ =1; inset menunjukkan tumpukan multilayer FM/Cu. b Variasi suhu ruangan dari hambatan listrik dan koefisien Seebeck dari jaringan Py/Cu NW dalam medan magnet yang diterapkan dalam arah IP dan OOP. c Rasio MR dan MTP sebagai fungsi suhu dengan medan yang diterapkan pada bidang film jaringan NW. d Mengukur koefisien Seebeck pada bidang yang diterapkan nol S _AP (lingkaran penuh biru) dan pada medan magnet jenuh S _P (lingkaran merah terbuka), bersama dengan S . terhitung yang sesuai _↑ (segitiga oranye) dan S _↓ (segitiga ungu) dari Persamaan. 5 dan 6 (lihat teks). Data yang diperoleh pada jaringan Py NW (diameter 80 nm) juga dilaporkan (kotak hijau). Bilah kesalahan mencerminkan ketidakpastian pengukuran listrik dan suhu dan disetel ke dua kali simpangan baku, mengumpulkan 95% variasi data

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, resistansi dan daya termo dari jaringan Py/Cu NW menunjukkan dependensi medan magnet yang sama di sepanjang arah OOP dan IP dari film jaringan NW. Sumbu mudah menunjuk sepanjang arah OOP, dengan medan magnet saturasi sekitar 1,8 kOe. Sampel ditemukan menunjukkan respons GMR yang besar (menggunakan definisi rasio GMR saat ini di mana efek MR dinormalisasi ke status resistansi yang lebih rendah R _P , yaitu, GMR =R _AP /R _P 1, dengan R _AP dan R _P sebagai resistansi yang sesuai dalam status resistansi tinggi dan rendah) mencapai nilai RT masing-masing 20,5% dan 19% di sepanjang arah IP dan OOP. Perbedaan kecil dianggap berasal dari kontribusi magnetoresistansi anisotropik. Seperti yang diharapkan, thermopower RT terukur pada jaringan CPP-GMR Py/Cu NW dalam keadaan jenuh (S –25 μ V/K sepanjang arah IP) hanya sedikit lebih kecil dari nilai yang ditemukan pada sampel Py yang homogen. Sebaliknya, koefisien RT Seebeck dilaporkan untuk multilayer NiFe/Cu dalam geometri CIP (∼-10 μ V/K) jauh lebih kecil [39]. Selanjutnya, hanya pengukuran yang diperoleh di bidang film jaringan NW yang dilaporkan. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3c, nilai absolut dari magneto-thermopower MTP =(S _AP S _P )/S _AP , dengan S _AP dan S _P thermopowers difusi yang sesuai di negara-negara resistensi tinggi dan rendah, masing-masing, meningkat secara monoton dengan penurunan suhu dengan cara yang sama seperti rasio MR (didefinisikan sebagai MR =(R _AP R _P )/R _AP ). Namun, sementara besarnya efek serupa di dekat RT, MTP menunjukkan penguatan yang nyata dalam kisaran suhu rendah. Perilaku ini berbeda dengan apa yang telah diamati pada jaringan Co/Cu dan CoNi/Cu NW, yang menunjukkan penurunan nyata pada MTP mereka pada suhu rendah [16, 17]. Sekitar T =50 K, MTP mencapai sekitar 70% untuk sampel Py/Cu, yang ternyata 2 hingga 3 kali lebih besar daripada jaringan Co/Cu dan CoNi/Cu NW. Rasio GMR pada suhu rendah (∼60%) hanya sedikit lebih kecil dari yang dilaporkan sebelumnya pada susunan paralel Py/Cu NWs [27, 40], sehingga menunjukkan bahwa film fleksibel CPP-GMR kinerja tinggi berdasarkan jaringan NW dapat dibuat dengan metode bottom-up yang sederhana dan murah ini.

Menggunakan pertimbangan sederhana dari jalur arus paralel elektron spin-up dan spin-down [41], tenaga panas yang sesuai dalam status resistansi tinggi dan rendah, S _AP dan S _P , hanya diberikan oleh:

dan:

di mana resistivitas terpisah ρ _↑ dan ρ _↓ dan koefisien Seebeck S _↑ dan S _↓ didefinisikan untuk saluran spin mayoritas dan minoritas. Oleh karena itu, koefisien Seebeck yang bergantung pada putaran, S _↑ dan S _↓ dapat dinyatakan sebagai berikut [16]:

dimana β =(ρ _↓ ρ _↑ )/(ρ _↓ +ρ _↑ ) menunjukkan koefisien asimetri spin untuk resistivitas. Perkiraan kasar β =0,6 pada suhu rendah menggunakan β =MR ^1/2 sesuai dengan hasil sebelumnya dari eksperimen CPP-GMR yang dilakukan pada multilayer Py/Cu [42]. Dari Persamaan. 5 dan 6, dapat dengan mudah disimpulkan bahwa S _↑ =S _P dan S _↓ =S _AP dalam batas rasio MR yang sangat besar (β →1). Gambar 3d menunjukkan evolusi suhu S _AP , S _P , S _↑ , dan S _↓ . Di bawah RT, berbagai koefisien Seebeck menurun hampir secara linier dengan penurunan suhu, yang menunjukkan dominasi thermopower difusi. Data yang diperoleh pada jaringan Py NW homogen juga ditunjukkan pada Gambar. 3d untuk perbandingan. Untuk NWs permalloy, besarnya koefisien Seebeck mendekati yang diperkirakan untuk S _↑ , seperti yang diharapkan dari Persamaan. 4. Nilai RT untuk koefisien Seebeck yang bergantung pada putaran Δ S =S _↑ S _↓ dari -12,3 μ V/K pada jaringan Py/Cu NW lebih besar dari yang diperoleh sebelumnya untuk Co/Cu dan CoNi/Cu NWs [16, 17]. Ini juga jauh lebih besar daripada yang diperkirakan secara tidak langsung dari pengukuran yang dilakukan pada nanopillar Py/Cu/Py dan katup perangkat spin lateral menggunakan model elemen hingga 3D [3, 11]. Dalam percobaan sebelumnya pada struktur nano Py / Cu ini, sulit untuk menentukan dan / atau menghilangkan resistansi termal kontak, sumber kesalahan utama, dan simulasi sering diperlukan untuk memperkirakan gradien suhu di atas tumpukan multilayer. Koefisien Seebeck yang bergantung pada putaran suhu kamar dari sistem multilayer magnetik yang berbeda dirangkum dalam Tabel 1. Dalam pekerjaan sebelumnya, disarankan bahwa MTP yang sangat besar diharapkan ketika produk β η cenderung -1 [16]. Dari analisis di atas, produk β η dekat RT untuk kawat nano Py/Cu diperkirakan mendekati –0,1, sehingga menghasilkan magnitudo MTP dan MR yang serupa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3d.