blog

May 25, 2023

Interação entre difusão e magnon

Relatórios Científicos volume 13, número do artigo: 9280 (2023) Citar este artigo 241 Acessos Detalhes da Métrica Resultados de medições de potência termoelétrica de nanofios interconectados de 45 nm de diâmetro

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9280 (2023) Citar este artigo

241 Acessos

Detalhes das métricas

São apresentados resultados de medições de energia termoelétrica de redes de nanofios interconectados de 45 nm de diâmetro consistindo de Fe puro, ligas diluídas de FeCu e FeCr e multicamadas de Fe/Cu. Os valores de termopotência dos nanofios de Fe são muito próximos daqueles encontrados em materiais a granel, em todas as temperaturas estudadas entre 70 e 320 K. Para o Fe puro, a termopotência de difusão à temperatura ambiente, estimada em torno de −15 \(\upmu\)V /K dos nossos dados, é largamente suplantado pela contribuição positiva estimada do magnon-arrasto, perto de 30 \(\upmu\)V/K. Em ligas diluídas de FeCu e FeCr, a potência térmica de arrasto magnon diminui com o aumento da concentração de impurezas para cerca de 10 \(\upmu\)V/K com 10\(\%\) de teor de impurezas. Embora a termopotência de difusão permaneça quase inalterada nas redes de nanofios de FeCu em comparação com o Fe puro, ela é fortemente reduzida nos nanofios de FeCr devido a mudanças pronunciadas na densidade de estados da maioria dos elétrons de spin. Medições realizadas em nanofios multicamadas de Fe (7 nm) / Cu (10 nm) indicam uma contribuição dominante da difusão do portador de carga para a energia térmica, como encontrado anteriormente em outras multicamadas magnéticas, e um cancelamento do efeito de arrasto magnon. Os efeitos de magneto-resistência e magneto-Seebeck medidos em nanofios multicamadas de Fe / Cu permitem a estimativa do coeficiente Seebeck dependente de spin em Fe, que é cerca de -7,6 \(\upmu\)V/K à temperatura ambiente.

Nos metais ferromagnéticos, os elétrons são espalhados por ondas de spin. Quando esses materiais são submetidos a um gradiente de temperatura, uma corrente magnon flui da região quente para a região fria, interagindo com o sistema eletrônico. Semelhante ao espalhamento por fônons que leva a efeitos de arrasto de fônons, a interação elétron-magnon pode produzir efeitos de arrasto magnon que contribuem positivamente para o coeficiente de Seebeck. A potência termoelétrica absoluta de um material magnético é dada aproximadamente pela soma de três contribuições independentes:

onde \(S_\text {d}\) é a parte convencional de difusão de elétrons, \(S_\text {p}\) é a contribuição de arrasto de fônons e \(S_\text {md}\) é o magnon -arraste a contribuição. A termopotência de difusão em um metal surge do desequilíbrio da distribuição Fermi-Dirac dos elétrons causado por um gradiente térmico. De acordo com a fórmula de Mott1 pode-se escrever:

onde e é a carga eletrônica elementar, \(\lambda (\varepsilon )\) é o caminho livre médio dos elétrons em uma superfície de Fermi de área \(\Sigma\), e as derivadas são avaliadas na energia de Fermi. A termopotência de difusão é, portanto, muito sensível tanto às mudanças na estrutura eletrônica quanto aos mecanismos que dispersam os elétrons. A partir de trabalhos anteriores, descobriu-se que a teoria do arrasto magnon segue de perto a do arrasto fônon1 e que \(S_\text {md}\) pode ser expresso como1,2,3

onde \(\tau _\text {em}\) é o tempo de espalhamento para colisões magnon-elétrons, \(\tau _\text {m}\) o tempo total de relaxamento do momento para magnons, n a densidade eletrônica, e \ (C_\text {m}\) a capacidade térmica específica do magnon por unidade de volume. Apesar do trabalho experimental e teórico realizado nas últimas décadas em diferentes materiais, ainda é difícil obter evidências experimentais da existência de efeitos de magnon-arrasto. Uma das razões é que a separação da energia termelétrica em seus diferentes componentes é relativamente complexa. Em trabalho pioneiro, Blatt et al.4 mediram a termopotência do ferro em uma ampla faixa de temperatura e concluíram que no Fe o arrasto magnon desempenha um papel dominante. Embora seja esperado que o arrasto magnon seja progressivamente reduzido pelo campo magnético externo, poucos resultados experimentais foram obtidos, mostrando efeitos de amplitudes relativamente pequenas2,5. Estudos subsequentes sobre filmes finos e ferro a granel e ligas à base de Fe destacaram a contribuição significativa do arrasto magnon para a energia térmica . Além disso, evidências do efeito magnon-arrasto em fios NiFe foram fornecidas por medições feitas em um dispositivo tipo termopilha8. Também foi proposto um mecanismo de transferência de spin para energia térmica de arrasto magnon em ferromagnetos condutores em massa . Mais recentemente, uma grande contribuição de arrasto magnon para a energia térmica foi relatada em MnTe10 dopado com Li antiferromagnético. Além disso, o efeito termoelétrico magnon-arrasto em ferromagnetos com estrutura skyrmion foi estudado teoricamente . Além disso, o surgimento da spin-caloritrônica e de novos efeitos associados ao acoplamento entre correntes de carga, spin e calor criou um novo interesse no estudo da termoeletricidade em heteroestruturas ferromagnéticas. Entre estes, o efeito spin Seebeck resultante da interação entre a corrente de spin magnônica induzida termicamente no ferromagneto e a geração de uma tensão Hall de spin (inversa) em um metal normal adjacente tem recebido atenção especial . Por outro lado, nanofios ferromagnéticos obtidos por deposição eletroquímica utilizando templates nanoporosos têm recebido muita atenção nas últimas décadas porque esta abordagem de fabricação é muito versátil, permitindo o estudo de diferentes sistemas de nanofios magnéticos, como nanofios únicos, arranjos paralelos de nanofios e redes de nanofios interconectadas15,16,17,18,19,20,21. Além disso, esta abordagem de síntese permite fácil fabricação de ligas magnéticas de composição controlada, bem como sistemas multicamadas onde a corrente flui perpendicularmente ao plano das camadas (configuração CPP), que é uma geometria adequada para investigar propriedades gigantes de transporte magnético . ,23,24. Redes de nanofios interconectadas são particularmente adequadas para medições de energia térmica. De fato, neste sistema, as correntes elétricas e térmicas fluem globalmente no plano do filme de nanofios cruzado seguindo caminhos em zigue-zague ao longo dos eixos dos nanofios . Esta configuração reduz bastante os problemas de resistência ao contato térmico, uma importante fonte de erro quando o gradiente térmico é estabelecido na direção fora do plano de membranas nanoporosas contendo arranjos paralelos de nanofios, devido à espessura dos modelos porosos. Os gigantescos efeitos magneto-Seebeck recentemente relatados em multicamadas magnéticas feitas a partir de redes de nanofios tornaram possível extrair parâmetros spin-caloritrônicos fundamentais, como os coeficientes Seebeck dependentes de spin, e realizar interruptores termoelétricos ativados magneticamente .