Spin caloritronics in magnetic/non-magnetic nanostructures and graphene field effect devices Dejene, Fasil

Transcriptie

1 University of Groningen Spin caloritronics in magnetic/non-magnetic nanostructures and graphene field effect devices Dejene, Fasil DOI: /nphys2743 IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2015 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Dejene, F. (2015). Spin caloritronics in magnetic/non-magnetic nanostructures and graphene field effect devices [Groningen]: University of Groningen DOI: /nphys2743 Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Samenvatting Elektronen in een (magnetische) geleider transporteren lading, warmte en hoekmoment (spin) wanneer een voltage of temperatuur gradiënt wordt aangelegd. De afgelopen eeuw is het begrip van de koppeling tussen lading- en warmtestromen (thermo-elektriciteit) en tussen lading- en spinstromen (spintronica) zowel in bulk als in dunne metaal lagen sterk verbeterd. Hoewel de meeste elektronische componenten vandaag de dag zijn gebaseerd op de lading van elektronnen, is het voor toepassingen niet ongewoon om gebruik te maken van de interactie tussen lading en andere transport eigenschappen. Zo zijn nauwkeurige temperatuurmetingen en vaststof koelelementen gebaseerd op twee van de meest bekende thermo-elektrische effecten respectievelijk, het Seebeck effect, de conversie van warmte naar een elektrische stroom, en zijn inverse het Peltier effect. De significante verbeteringen in data opslag en informatieverwerking technologie van de afgelopen eeuw zijn voornamelijk te danken aan het gigantische (tunneling) magnetoweerstand effect (GMR) gebruikt in de leeskoppen van magnetische harde schijven. Recentelijk heeft de combinatie van spintronica en thermo-elektriciteit geleid tot het ontstaan van de spin caloritronica een onderzoeksveld waarvan wordt verwacht dat het zal leiden tot multifunctionele spintronica concepten die, in de toekomst, alternatieve mogelijkheden bieden om warmtestromen te manipuleren op de nanoschaal en om spin informatie te controleren door middel van warmte. Het onderzoek beschreven in dit proefschrift is gericht op het verbeteren van het begrip omtrent de oorsprong en werkingsprincipes van verschillende spin-afhankelijke thermo-elektrische effecten in ferromagnetisch/normaal metalen structuren.

3 122 Samenvatting Spin caloritronica in metalen (hoofdstukken 3-5) In een ferromagnetisch metaal is de Fermi energie toestandsdichtheid voor spin up en spin down elektronen verschoven ten opzichte van elkaar, door een sterke uitwisselings interactie. Het transport van lading en warmte kan daardoor worden beschreven met een twee spin kanaal model, één kanaal voor spin up (meerderheids spins) en een andere voor spin down (minderheids spins), waar beide spin kanalen hun eigen elektrische- en warmte-geleiding en Seebeck en Peltier coëfficiënt hebben. Een ladingstroom die door een ferromagneet (F) stroomt wordt daarom vergezeld door een spin gepolariseerde stroom die, wanneer geïnjecteerd in een nietmagnetisch metaal (N), leidt tot een niet-evenwichts magnetisatie (spin accumulatie). Een spinklep, bestaand uit twee F lagen gescheiden door een N laag, wordt typisch gebruikt om elektrische spin-injectie, transport en detectie processen te bestuderen in verscheidene systemen. Naast ladingsstroom gedreven spin-injectie is onlangs aangetoond door Slachter et al. dat ook een warmtestroom gebruikt kan worden om spins te injecteren vanuit een ferromagnet naar een niet-magnetisch laag in een niet lokale spin valve, door de ferromagnet laag te verwarmen door middel van Joule verhitting. De grootte van de spin-accumulatie is evenredig met het spin afhankelijke spin Seebeck effect, het verschil tussen de Seebeck coëfficiënt voor spin up en spin down elektronen, van de gebruikte ferromagneet. In hoofdstuk 3, hebben we het werk van Slachter et al. geverifieerd in eigen ontworpen nanopilaar spin valve structuren en hebben we de spin-afhankelijke Seebeck coefficient voor permalloy en kobalt bepaald. De Thomson- Onsager relatie, die de Seebeck coefficient relateert aan de Peltier coefficient, voorspelt een spinstroom-gedreven verwarmings/koelings effect (het spin afhankelijke Peltier effect). Flipse et al. hebben dit proces experimenteel gedemonstreerd en vonden een spin afhankelijk Peltier coefficient van -1 mv, wat in overeenstemming is met de Thomson-Onsager relatie. Deze symmetrie relatie is expliciet getest in hoofdstuk 5, door beide spin-afhankelijke grootheden in één sample te bepalen. De reciprociteit relatie is zowel in het lineaire als in het niet-lineaire regime geldig. In het tweede geval zorgen niet-lineaire thermo-elektrische effecten voor afwijkingen in de elektrische stroom-voltage verhouding. In hoofdstuk 4 is de eerste experimentele observatie van het magnetische warmte valve effect gepresenteerd. Door de spin-afhankelijkheid van de warmte-geleiding wordt een warmtestroom door een ferromagnetisch metaal ook spin-gepolariseerd, wat in een aangrenzend niet-magnetisch metaal leidt tot de opbouw van een spin warmte accumulatie (SHA), oftewel een verschil in de effectieve temperatuur van de spin up en spin down elektronen. In een spin valve pilaar is het mogelijk om de warmte-geleiding door de pilaar te regelen door de relatieve oriëntatie tussen

4 Samenvatting 123 de twee magnetische lagen te veranderen. Wanneer de magnetisatie van de twee magnetische lagen parallel (antiparallel) is georiënteerd, is de totale warmte-geleiding van de pilaar groter (kleiner) door de afwezigheid (aanwezigheid) van een SHA in de niet-magnetische laag. Thermalisatie van deze niet-evenwichts SHA gebeurt door inelastische verstrooiing, door middel van elektron-elektron of elektron-fonon interacties en/of spin-omklappende verstrooiing processen. De afstand waarover de SHA thermalisatie in metalen plaatsvindt, is direct gelinkt aan de inelastische verstrooiings lengte. Deze techniek levert daarom een unieke mogelijkheid om de inelastische verstrooiings lengte af te schatten voor lage energieën en verhoogde temperaturen, wat niet mogelijk is met andere spectroscopische technieken. Manipulatie van spinstromen door magnetische isolatoren (hoofdstuk 6) Het lange termijn doel voor spintronica is het efficiënt manipuleren van een spinstroom door middel een externe gate te plaatsen bovenop een spin transport kanaal, zoals in de Datta-Das spin veld-effect transistor. In hoofdstuk 7 hebben we een alternatieve manier om spinstromen te manipuleren gedemonstreerd, door een nietlokale spin valve op een magnetisch Ytrrium ijzer granaat (YIG) substraat te maken. Hoewel elektronen het YIG niet in kunnen op het metaal/yig grensvlak, is uitwisseling van spins over het grensvlak wel mogelijk door een eindige spin-meng-geleiding op het grensvlak. Wanneer het spin magnetische moment in het metaal parallel (antiparallel) is aan de magnetisatie in het YIG, worden de meeste spins aan het grensvlak gereflecteerd. Echter, wanneer het spin magnetische moment haaks op de YIG magnetisatie staat zal een meerderheid van de spins worden geabsorbeerd door het YIG, wat leidt tot een reductie van het niet-lokale spin valve signaal. We hebben deze resultaten gekwantificeerd door gebruik te maken van een drie-dimensionaal spin transport model en door de resultaten te vergelijken met vergelijkbare structuren op een standaard SiO 2 substraat, waarvan de spin transport parameters bekend zijn. Verder hebben we de grootte van de spin-meng-geleiding bepaald en de rol van thermische magnonen en andere spin-baan gerelateerde spin relaxatie mechanismen in de geobserveerde kleine modulatie van het signaal besproken. Thermo-elektrische effecten in grafeen (hoofdstuk 7) In de afgelopen jaren is veel onderzoek gedaan aan twee dimensionale systemen zoals metallische chalcogeniden, topologische isolatoren en grafeen. Grafeen is een twee-dimensionaal materiaal bestaand uit een enkele laag van koolstof atomen in een honinggraat raster, met prominente elektronische, spintronische en thermoelektrische kenmerken. Het is in 2004 ontdekt door Andre Geim en Konstantin Novoselov, waarvoor ze in 2010 de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontvingen. Vele

5 124 Samenvatting kenmerken van grafeen zijn goed gedocumenteerd, zoals de lange spin-relaxatie tijd, hoge thermische geleiding en zijn Seebeck coëfficiënt. De unieke elektronische bandstructuur van grafeen maakt het mogelijk om de Seebeck coëfficiënt af te stemmen van een grote negatieve waarde (elektronen regime) tot een grote positieve waarde (gaten regime), waardoor instelbare thermoelektrische en verwarming/koeling toepassingen mogelijk worden. In hoofdstuk 7 hebben we de elektronische en thermo-elektrische kenmerken van een enkele en dubbele grafeenlaag bestudeerd in een structuur die het mogelijk maakte zowel het Seebeck als het Peltier effect te detecteren. Naast de conventionele elektrische contacten hadden deze structuren ook een elektrisch verwarmingselement en een thermokoppel, beide op micrometer schaal, om temperatuur-gradiënten aan te leggen en te detecteren over het grafeen/metaal grensvlak. Twee afzonderlijke metingen om het Peltier en Seebeck effect in deze structuren te begrijpen zijn uitgevoerd. In de eerste meting kon het Peltier effect, opgewekt door een stroom door het grafeen/ metaal grensvlak te sturen, van verwarming naar koeling (of vice versa) worden veranderd door het type ladingsdragers in het grafeen te beïnvloeden. In de tweede meting, op de zelfde structuur, werd het Seebeck effect gemeten, door een temperatuur gradiënt over het grafeenvlak aan te leggen en tegelijkertijd het opgebouwde thermische voltage te bepalen. Een driedimensionaal thermo-elektrisch model is gebruikt om de Thomson-Onsager reciprociteit relatie tussen het Seebeck en Peltier effect te verifiëren. Conclusie Spin caloritronica is een breed onderzoeksveld dat kijkt naar koppeling tussen warmte en spin transport in metallische nanostructuren, magnetische isolatoren, magnetische tunnel juncties en andere technologisch belangrijke materialen en structuren. Hoewel het nog een jong veld van onderzoek is, heeft het al inzicht verschaft in de thermo-elektrische transport eigenschappen van spintronische structuren op nanoschaal. Zolang opwarming van microprocessoren een probleem blijft, kunnen toekomstige spincaloritronische structuren een oplossing bieden in de vorm van actieve koeling of warmte afvoer management. Verder kan spincaloritronica bijdragen aan nieuwe functionaliteiten voor bestaande spintronische toepassingen.