半導(dǎo)體所觀測(cè)到各向異性平面能斯特效應(yīng)介紹

磁性材料是構(gòu)成現(xiàn)代工業(yè)的重要基礎(chǔ)性材料，在永磁電機(jī)、磁制冷、磁傳感、信息存儲(chǔ)、熱電器件等領(lǐng)域扮演著重要角色。在自旋電子學(xué)前沿領(lǐng)域，利用磁性材料中的磁矩引入額外對(duì)稱性破缺效應(yīng)是一個(gè)研究熱點(diǎn)。

最近，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的朱禮軍團(tuán)隊(duì)在單晶CoFe (001)薄膜器件中觀測(cè)到各向異性的平面能斯特效應(yīng)（Planar Nernst Effect），其強(qiáng)度隨 (001) 晶面的晶格方向強(qiáng)烈變化并呈現(xiàn)面內(nèi)雙軸各向異性（見圖1）。

當(dāng)磁矩在外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下在薄膜材料平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電流產(chǎn)生的溫度梯度導(dǎo)致的平面能斯特電壓表現(xiàn)為一個(gè)sin2φ依賴的二次諧波橫向電壓信號(hào)（φ為磁矩相對(duì)電流的夾角）。這種有趣的各向異性平面能斯特效應(yīng)被認(rèn)為主要起源于內(nèi)稟的能帶交疊效應(yīng)，可能對(duì)諧波霍爾電壓、自旋扭矩鐵磁共振、自旋塞貝克等自旋電子學(xué)實(shí)驗(yàn)的分析產(chǎn)生重要影響（見圖2），有望應(yīng)用于能量收集電池和溫度傳感器等。

然而，這種平面能斯特效應(yīng)的各項(xiàng)異性并沒(méi)有導(dǎo)致任何極化方向的非平衡自旋流（Spin Current）或自旋軌道矩（Spin-Orbit Torque）的產(chǎn)生。

該工作以“Absence of Spin-Orbit Torque and Discovery of Anisotropic Planar Nernst Effect in CoFe Single Crystal”為題發(fā)表在期刊Advanced Science上 [鏈接//doi.org/10.1002/advs.202301409]。朱禮軍研究員為通訊作者，博士后劉前標(biāo)為第一作者，博士生林鑫作為合作者完成了有限元分析并參與了器件的加工測(cè)量。

該工作的完成離不開中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所趙建華研究員（單晶CoFe樣品生長(zhǎng)）、周旭亮副研究員（光刻工藝）、北京師范大學(xué)熊昌民副教授（PPMS測(cè)試）、袁喆教授（能帶理論討論）的支持和幫助。相關(guān)工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)的資助。



圖1.（a）雙十字霍爾器件中的平面能斯特效應(yīng)；（b）CoFe (001)平面能斯特電壓的各向異性。

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圖2.各向異性平面能斯特效應(yīng)對(duì)（a）諧波霍爾電壓、（b）自旋塞貝克、（c）自旋扭矩-鐵磁共振等自旋電子實(shí)驗(yàn)的廣泛影響及其在（d）熱電器件方面的應(yīng)用案例。

審核編輯：劉清