Fenómenos termoeléctricos dependientes del espín significativos en redes de nanohilos NiFe

Resumen

Redes de nanohilos (NH) de aleación NiFe y multicapa NiFe/Cu se crecieron usando método de síntesis electroquímica asistida por plantilla. Las redes de NH de aleación NiFe exhiben gran termopoder, que se preserva en gran medida en la geometría de corriente perpendicular al plano de la estructura multicapa de NH. Se han demostrado efectos gigantes de magneto-termopoder (MTP) en NH multicapa NiFe/Cu con valor 25% a 300 K y alcanzando 60% alrededor 100 K. Se obtuvo un gran coeficiente Seebeck dependiente del espín de –12,3 μV/K a temperatura ambiente. Los grandes efectos MTP demuestran un enfoque magnético para controlar propiedades termoeléctricas de dispositivos flexibles basados en redes NH.

Introducción

Los efectos termoeléctricos en materiales espintrónicos se estudian activamente en el campo emergente de la espin-caloritrónica debido a sus propiedades físicas únicas incluyendo efectos Seebeck espín, corriente espín generada térmicamente y torque transferencia espín asistido térmicamente. También, los análogos termoeléctricos de efectos magnetorresistivos en multicapas magnéticas, válvulas espín y uniones túnel como efectos gigante magneto-Seebeck y magneto-Peltier son de especial interés, ya que podrían usarse para permitir control magnético de flujo calor y voltajes termoeléctricos para recuperación calor residual circuitos electrónicos. Los grandes efectos termoeléctricos dependientes del espín logrados modificando apropiadamente las configuraciones de magnetización de la multicapa con campo magnético externo explotan el hecho que los coeficientes Seebeck para electrones espín-arriba y espín-abajo son significativamente diferentes. Esta diferencia coeficientes Seebeck se atribuye a la división intercambio banda d en metales ferromagnéticos (FM) de transición, como sugerido trabajos previos en aleaciones magnéticas diluidas. Al considerar efecto Peltier, significa que diferente cantidad calor transportada por electrones espín-arriba y espín-abajo. Recientemente se demostró que redes interconectadas de nanohilos (NH) magnéticas fabricadas por deposición electroquímica en películas huésped poliméricas nanoporosas 3D proporcionan vía atractiva fabricar dispositivos espin-caloritrónicos ligeros, robustos, flexibles y moldeables en formatos versátiles que cumplen requisitos clave estabilidad eléctrica, térmica y mecánica. Además, la síntesis electroquímica es método poderoso fabricar nanohilos multicomponente con diferentes metales debido a su simplicidad ingeniería, versatilidad y bajo costo. En tales redes nanohilos escala centímetro, conectividad eléctrica esencial permitir flujo carga sobre todo tamaños muestra. El sistema basado en nanohilos supera falta fiabilidad y reproducibilidad resultados obtenidos en nanopilares metálicos y uniones túnel magnéticas, que principalmente atribuible a resistencia térmica contacto entre muestras nanoescala y baños térmicos generan gradiente temperatura. Las redes nanohilos 3D prometen generadores termoeléctricos flexibles exhibiendo factor potencia termoeléctrico extremadamente grande y modulado magnéticamente. Los módulos termoeléctricos convencionales consisten en materiales o patas termoeléctricas tipo n y p acopladas. Mientras trabajo inicial se centró en sistemas NH tipo n hechos Co/Cu y CoNi/Cu multicapas, recientemente se mostró que aleaciones NiCr diluidas son prometedoras para fabricación patas termoeléctricas tipo p basadas en nanohilos. En presente trabajo, reportamos resultados experimentales obtenidos en otras películas termoeléctricas tipo n basadas en redes interconectadas Ni, aleaciones NiFe, y redes NH multicapa Ni₈₀Fe₂₀/Cu. Níquel-hierro es material magnético blando importante ampliamente usado tecnologías almacenamiento magnético datos. Aleaciones NiFe con composiciones muestra optimizadas también exhiben gran termopoder cerca temperatura ambiente. Además, multilayers NiFe/Cu son sistemas bien conocidos magnetorresistencia gigante (GMR). El origen físico GMR es diferentes propiedades conducción electrones mayoría y minoría espín en multilayers magnéticas. A través de mediciones magneto-termopoder y explotando hecho que arquitectura nanohilo ramificada de estas redes NH multicapa permite mediciones eléctricas en geometría corriente perpendicular al plano (CPP), obtención precisa coeficientes Seebeck dependientes espín en permalloy (Ni₈₀Fe₂₀).

Métodos experimentales

Membranas porosas policarbonato (PC) con poros interconectados fabricadas exponiendo película PC 22-μm-grueso a proceso irradiación dos pasos. Topología membranas definida exponiendo película a primer paso irradiación en dos ángulos fijos −25° y +25° respecto eje normal plano película. Tras rotar película PC en plano 90°, segundo paso irradiación tuvo lugar mismo flujo irradiación angular fijo para finalmente formar red nano-canales 3D. Luego, latentes pistas se grabaron químicamente siguiendo protocolo reportado previamente para obtener membranas porosas 3D con poros 80-nm diámetro y porosidad volumétrica 3%. Siguiente, plantillas PC recubiertas un lado usando evaporador haz e con bicapa metálico Cr (3 nm)/Au (400 nm) servir cátodo durante deposición electroquímica. Red NH llena parcialmente membrana porosa PC 3D. NH aleación NiFe composición controlada contenido Fe bajo 40% crecieron exitosamente temperatura ambiente usando baño sulfato y depositando diferentes potenciales. Además, nanohilos multicapa Py (permalloy, Ni₈₀Fe₂₀)/Cu electrodepositados hechos desde baño sulfato único conteniendo iones Ni²⁺, Fe²⁺ y Cu²⁺ usando técnica electrodeposición pulsada como descrito ref. Siguiendo procedimiento descrito elsewhere, tasas deposición cada metales determinadas desde tiempo llenado poro. Espesor bilayers establecido 10 nm con aproximadamente mismo espesor capas Py y Cu. Impureza Cu incorporada solo contenido muy limitado (menos 5%) en permalloy, evaluado por análisis dispersivo energía rayos X (EDX). Microestructura individuales NH NiFe y NiFe/Cu crecidos electrodeposición en nanoporos investigada previamente usando difracción rayos X y microscopía electrónica transmisión analítica. Figura 1a ilustra flexibilidad dispositivo espin-caloritrónico película basada red nanohilos interconectados. Película puede torcerse fácilmente sin dañar propiedades eléctricas. Disolución química plantilla PC usando diclorometano conduce estructura metálica auto-sostenida interconectada (inset Fig. 1a) que replica fielmente plantilla porosa 3D. Para conducir mediciones transporte eléctrico y termoeléctrico, cátodo removido localmente por grabado plasma crear diseño dos-puntas adecuado mediciones eléctricas como mostrado Fig. 1b, c. En esta configuración, corriente inyectada directamente estructura CNH ramificada (aprox. 1-cm largo) secciones sin grabar cátodo metálico, donde contactos eléctricos hechos directamente pintura Ag, y pasa través red NH 20-μm-grueso gracias alto grado conectividad eléctrica CNHs. Además, ya que flujo corrientes eléctricas y térmicas restringido entlang segmentos nanohilo, corriente fluye perpendicular plano capas caso estructura multicapa. Valores resistencia típicos especímenes preparados rango pocas decenas ohmios. Para cada muestra, potencia entrada mantenida bajo 0,1 μW evitar auto-calentamiento, y resistencia medida dentro rango resistencia óhmica resolución una parte 10⁵. Flujo calor generado elemento resistivo y voltaje termoeléctrico ΔV creado por diferencia temperatura ΔT entre dos electrodos metálicos. Cables voltaje hechos alambres Chromel P delgados, y contribución cables poder termoeléctrico medido restada usando valores recomendados termopoder absoluto Chromel P base datos NIST ITS-90 Termocupla. Gradiente temperatura monitoreado termocupla diferencial tipo E diámetro pequeño. Diferencia temperatura típica 1 K usada mediciones. Para mediciones magnetorresistencia (MR) y magneto-termopoder (MTP), campo magnético externo aplicado direcciones fuera-plano (OOP) y en-plano (IP) películas red NH (más detalles ver mediciones termoeléctricas y factor corrección Archivo adicional 1).

Resultados y discusiones

El poder termoeléctrico absoluto a temperatura ambiente (TA) de Ni puro y redes NH aleación NiFe conteniendo 20%, 30% y 40% Fe se muestra Fig. 2a. El termopoder aumenta continuamente con aumento contenido Fe, alcanzando valores entre –20 μV/K Ni puro a aproximadamente –45 μV/K Ni₆₀Fe₄₀. Barras error Fig. 2a debidas incertidumbres composición aleaciones relacionadas proceso electrochapado. Estos resultados concuerdan bien datos experimentales obtenidos aleaciones NiFe masivo. Por tanto, aleaciones NiFe con composición afinada potencialmente rinden coeficientes Seebeck significativamente mayores que metales ferromagnéticos puros como Co y materiales termocupla como constantán (Cu₅₅Ni₄₅: S≈ -38 μV/K). También notamos valor medido Py NHs (S≈ -37 μV/K) muy similar valores masivos reportados literatura. Paneles b y c Fig. 2 muestran dependencias campo magnético TA resistencia y termopoder redes NH Ni y Py con campo aplicado direcciones IP y OOP. Resistencia y termopoder muestras Py y Ni NH muestran mismas dependencias campo magnético ambas direcciones. Curvas R(H) corresponden bien efecto magnetorresistencia anisotrópica, debida anisotropía dispersión espín-órbita metales ferromagnéticos transición. Este efecto lleva disminución resistividad ángulo entre magnetización y direcciones corriente aumenta. En efecto, flujo corriente restringido entlang segmentos NH, magnetización saturación dirección IP hace ángulo promedio ±65° con corriente. En contraste, cuando magnetización saturada dirección OOP, ángulo promedio entre magnetización y flujo corriente mucho menor (±25°). Por tanto, disminución resistencia campo magnético externo aplicado realzada cuando campo aplicado dirección IP. Obviamente, estado menor resistencia esperado configuración perpendicular entre magnetización y corriente no logrado tales redes NH. Observación valor absoluto termopoder aumenta con aumento campo magnético transversal ambas redes NH Ni y aleación NiFe también concuerda bien estudios previos realizados individuales NHs. Figura 2d muestra magnitud magnetorresistencia y magneto-termopoder evaluados TA dirección IP Ni puro y redes NH aleación NiFe. Aquí, ratios MR y MTP definidos MR =(R(H=0)−R(H_sat))/R(H=0) y MTP =(S(H=0)−S(H_sat))/S(H=0), con R(H_sat) y S(H_sat) resistencia y termopoder H= 10 kOe respectivamente. Para muestras aleación NiFe, magnitud ratio MTP comparable o menor (Py) ratio MR. Tal menor valor ratio MTP respecto correspondiente ratio MR red NH Py concuerda mediciones realizadas películas delgadas Py. En contraste, red NH Ni exhibe efecto MTP –5% mucho mayor ratio MR 1,5%. Este resultado concuerda bien mediciones previas realizadas individuales NHs Ni, mostrando misma realce efecto MTP. Interesante notar que para películas delgadas Ni, anisotropía observada coeficiente Seebeck aproximadamente misma magnitud que MR anisotrópico (∼1,5%). Further estudios necesarios entender este inesperado MTP realzado NHs Ni.

En multilayers FM/Cu, coeficiente Seebeck dirección perpendicular capas puede calcularse desde propiedades transporte correspondientes usando reglas Kirchhoff:

Ecuación (1): S_⊥ = (S_Cu κ_FM + λ S_FM κ_Cu) / (λ κ_Cu + κ_FM)

donde S_FM,Cu y κ_FM,Cu representan termopoder y conductividad térmica material ferromagnético y Cu y λ = t_FM/t_Cu ratio espesor capas FM y Cu. Según Eq. 1, S_⊥ principalmente determinado gran termopoder metal FM caso ratio espesor λ no demasiado pequeño ya que S_FMκ_Cu >> S_Cuκ_FM.

En contraste, coeficiente Seebeck pila multicapa FM/Cu dirección paralela capas dado por:

Ecuación (2): S_∥ = (S_Cu ρ_FM + λ S_FM ρ_Cu) / (λ ρ_Cu + ρ_FM)

con ρ_FM y ρ_Cu correspondientes resistividades eléctricas. En este caso, gran termopoder solo puede obtenerse caso ratio espesor λ muy grande. Comportamiento contrastante entre direcciones paralela y perpendicular capas ilustrado Fig. 3a multilayers Py/Cu usando Eqs. 1 y 2, y valores literatura resistividad y termopoder permalloy masivo [32, 33, 37, 38] (ρ_Py≈ 25 μΩcm, S_Py= –35 μV/K) y cobre (ρ_Cu= 1,6 μΩcm, S_Cu= 1,7 μV/K), así como conductividades térmicas estimadas ley Wiedemann-Franz (κρ = LT, donde T temperatura y L ratio Lorenz). Para monocristal Py masivo, contribución red relativamente pequeña conductividad térmica esperada cambiar ligeramente valor estimado. Aunque valores resistividad eléctrica y conductividad térmica nanohilos multicapa pueden variar considerablemente sus respectivos constituyentes masivos, mismo comportamiento contrastante entre direcciones paralela y perpendicular capas permanece. Por tanto, NHs multicapa con pilas alternadas materiales disímiles como Py y Cu (ver Fig. 3a) son candidatos prometedores buenos materiales termoeléctricos.

Como se muestra Fig. 3b, resistencia y termopoder red NH Py/Cu muestran mismas dependencias campo magnético direcciones OOP e IP película red NH. Eje fácil apuntando dirección OOP, con campo magnético saturación aproximadamente 1,8 kOE. Muestra exhibió grandes respuestas GMR (usando definición actual ratio GMR en que efecto MR normalizado estado menor resistencia R_P, ej., GMR = R_AP/R_P−1, con R_AP y R_P resistencias correspondientes estados alta y baja resistencia) alcanzando valores TA 20,5% y 19% direcciones IP y OOP respectivamente. Pequeña diferencia atribuida contribución magnetorresistencia anisotrópica. Como esperado, termopoder medido TA red NH Py/Cu CPP-GMR estado saturado (S≈ –25 μV/K dirección IP) solo ligeramente menor valor encontrado muestra Py homogénea. En contraste, coeficientes Seebeck TA reportados multilayers NiFe/Cu geometría CIP (∼-10 μV/K) mucho menores. A partir de aquí, solo mediciones obtenidas plano películas red NH reportadas. Como se muestra Fig. 3c, valor absoluto magneto-termopoder MTP =(S_AP−S_P)/S_AP, con S_AP y S_P correspondientes termopoders difusión estados alta y baja resistencia respectivamente, aumenta monótonamente con disminución temperatura manera similar ratio MR (definido MR =(R_AP−R_P)/R_AP). Sin embargo, mientras magnitudes efectos similares cerca TA, MTP exhibe refuerzo pronunciado rango baja temperatura. Este comportamiento contrasta con observado redes NH Co/Cu y CoNi/Cu, que exhiben caída marcada MTP bajas temperaturas. Alrededor T= 50 K, MTP alcanza aproximadamente 70% muestra Py/Cu, que encontrado 2-3 veces mayor que redes NH Co/Cu y CoNi/Cu. Ratio GMR bajas temperaturas (∼60%) solo ligeramente menor que previamente reportado arrays paralelos NHs Py/Cu, demostrando que películas flexibles alto-rendimiento CPP-GMR basadas redes NH pueden fabricarse este método simple económico bottom-up.

Usando simple consideración caminos corriente paralela electrones espín-arriba y espín-abajo, los correspondientes termopoders estados alta y baja resistencia, S_AP y S_P, simplemente dados por:

Ecuación (3): S_AP = (S_↑ ρ_↑ + S_↓ ρ_↓) / (ρ_↑ + ρ_↓)

Ecuación (4): S_P = (S_↑ ρ_↓ + S_↓ ρ_↑) / (ρ_↑ + ρ_↓)

donde resistividades separadas ρ_↑ y ρ_↓ y coeficientes Seebeck S_↑ y S_↓ definidos para canales mayoría y minoría espín. Por tanto, coeficientes Seebeck dependientes espín, S_↑ y S_↓ pueden expresarse como sigue:

Ecuación (5): S_↑ = ½ [S_AP(1−β⁻¹) + S_P(1+β⁻¹)]

Ecuación (6): S_↓ = ½ [S_AP(1+β⁻¹) + S_P(1−β⁻¹)]

donde β = (ρ_↓−ρ_↑)/(ρ_↓+ρ_↑) denota coeficiente asimetría espín resistividad. Estimación aproximada β = 0,6 bajas temperaturas usando β = MR¹/² en acuerdo razonable resultados previos experimentos CPP-GMR realizados multilayers Py/Cu. De Eqs. 5 y 6, puede deducirse fácilmente S_↑=S_P y S_↓=S_AP límite ratio MR extremadamente grande (β→1). Figura 3d muestra evoluciones temperatura S_AP, S_P, S_↑, S_↓. Debajo TA, varios coeficientes Seebeck disminuyen casi linealmente con disminución temperatura, indicativo dominancia termopoder difusión. Datos obtenidos red NH Py homogénea también mostrados Fig. 3d comparación. Para NHs permalloy, magnitud coeficiente Seebeck cercana a estimada S_↑, como esperado Eq. 4. Valor TA coeficiente Seebeck dependiente espín ΔS = S_↑−S_↓ de –12,3 μV/K red NH Py/Cu mayor que previamente obtenidos Co/Cu y CoNi/Cu NHs. También mucho mayor que indirectamente estimados mediciones realizadas Py/Cu/Py nanopilar y dispositivos válvula espín lateral usando modelo elementos finitos 3D. En estos experimentos previos nanoestructuras Py/Cu, fue difícil determinar y/o eliminar resistencia térmica contacto, mayor fuente error, y simulaciones a menudo necesarias estimar gradiente temperatura sobre pilas multicapa. Coeficientes Seebeck dependientes espín temperatura ambiente diferentes sistemas multicapa magnéticos resumidos Tabla 1. En trabajo previo, se sugirió infinitamente grande MTP esperado cuando producto βη tiende a –1. Del análisis arriba, producto βη cerca TA Py/Cu nanohilos estimado cerca –0,1, dando lugar magnitudes similares MTP y MR, como mostrado Fig. 3d.

Conclusión

En resumen, síntesis gran escala uniformes Ni, aleaciones NiFe, y redes NH multicapa Py/Cu realizada por electrodeposición en plantillas poliméricas porosas 3D. Encontramos valor inesperado alto 5% MTP NHs Ni comparado MR (∼1,5%). Redes NH aleación NiFe muestran gran termopoder, hasta aproximadamente –45 μV/K Ni₆₀Fe₄₀ temperatura ambiente. NHs Py/Cu exhiben magnetorresistencia gigante y efectos magneto-termoeléctricos geometría corriente perpendicular al plano, que exceden 50% bajas temperaturas. También encontramos gran coeficiente Seebeck dependiente espín –12,3 μV/K temperatura ambiente, mayor que valores previos reportados multilayers magnéticos metálicos. Gracias facilidad fabricar nanohilos magnéticos y multicapas geo-metría ingenierados por electrodeposición, y sus excelentes propiedades eléctricas y termoeléctricas, estas redes NH 3D exhiben gran potencial uso como dispositivos espin-caloritrónicos extremadamente ligeros y flexibles. Tales efectos podrían aplicarse, por ejemplo, usando y convirtiendo energía calor residual ocurriendo dispositivos electrónicos o inversamente proporcionar soluciones enfriamiento activo dispositivos electrónicos.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos usados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente bajo solicitud razonable.