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Apr 18, 2024

Interaction entre diffusion et magnon

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 9280 (2023) Citer cet article Résultats de mesures sur la puissance thermoélectrique de réseaux de nanofils interconnectés de 45 nm de diamètre constitués de pur

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9280 (2023) Citer cet article

Les résultats des mesures sur la puissance thermoélectrique de réseaux de nanofils interconnectés de 45 nm de diamètre constitués d'alliages de Fe pur, de FeCu et FeCr dilués et de multicouches Fe/Cu sont présentés. Les valeurs de puissance thermique des nanofils de Fe sont très proches de celles trouvées dans les matériaux massifs, à toutes les températures étudiées entre 70 et 320 K. Pour le Fe pur, la puissance thermique de diffusion à température ambiante, estimée à environ − 15 \(\upmu\)V /K de nos données, est largement supplanté par la contribution positive estimée de la traînée du magnon, proche de 30 \(\upmu\)V/K. Dans les alliages dilués de FeCu et de FeCr, la puissance thermique du magnon-traînée diminue avec l'augmentation de la concentration d'impuretés jusqu'à environ 10 \(\upmu\)V/K à 10\(\%\) de teneur en impuretés. Alors que la thermopuissance de diffusion est presque inchangée dans les réseaux de nanofils de FeCu par rapport au Fe pur, elle est fortement réduite dans les nanofils de FeCr en raison de changements prononcés dans la densité d'états des électrons de spin majoritaires. Les mesures effectuées sur des nanofils multicouches Fe (7 nm) / Cu (10 nm) indiquent une contribution dominante de la diffusion des porteurs de charge à la thermopuissance, comme précédemment constatée dans d'autres multicouches magnétiques, et une annulation de l'effet magnon-traînée. Les effets de magnéto-résistance et magnéto-Seebeck mesurés sur des nanofils multicouches Fe/Cu permettent d'estimer le coefficient Seebeck dépendant du spin dans Fe, qui est d'environ − 7,6 \(\upmu\)V/K à température ambiante.

Dans les métaux ferromagnétiques, les électrons sont diffusés par les ondes de spin. Lorsque ces matériaux sont soumis à un gradient de température, un courant magnon circule de la région chaude vers la région froide, interagissant avec le système électronique. Semblable à la diffusion par les phonons qui conduit à des effets de traînée de phonons, l'interaction électron-magnon peut produire des effets de traînée magnon qui contribuent positivement au coefficient de Seebeck. La puissance thermoélectrique absolue d'un matériau magnétique est donnée approximativement par la somme de trois contributions indépendantes :

où \(S_\text {d}\) est la partie conventionnelle de diffusion électronique, \(S_\text {p}\) est la contribution à la traînée du phonon et \(S_\text {md}\) est le magnon -faites glisser la contribution. La thermopuissance de diffusion dans un métal provient du déséquilibre de la distribution de Fermi-Dirac des électrons provoqué par un gradient thermique. D’après la formule de Mott1 on peut écrire :

où e est la charge électronique élémentaire, \(\lambda (\varepsilon )\) est le libre parcours moyen des électrons sur une surface de Fermi d'aire \(\Sigma\), et les dérivées sont évaluées à l'énergie de Fermi. La thermopuissance de diffusion est donc très sensible à la fois aux modifications de la structure électronique et aux mécanismes qui diffusent les électrons. À partir de travaux antérieurs, il a été constaté que la théorie du magnon-drag suit de près celle du phonon-drag1 et que \(S_\text {md}\) peut être exprimé comme 1,2,3

où \(\tau _\text {em}\) est le temps de diffusion pour les collisions magnon-électron, \(\tau _\text {m}\) le temps total de relaxation de l'impulsion pour les magnons, n la densité électronique et \ (C_\text {m}\) la capacité thermique spécifique du magnon par unité de volume. Malgré les travaux expérimentaux et théoriques menés au cours des dernières décennies sur différents matériaux, il est encore difficile d'obtenir des preuves expérimentales de l'existence d'effets magnon-traînée. L’une des raisons est que la séparation de l’énergie thermoélectrique en ses différents composants est relativement complexe. Dans un travail pionnier, Blatt et al.4 ont mesuré la puissance thermique du fer sur une large plage de températures et ont conclu que dans Fe, la traînée du magnon joue un rôle dominant. Bien que l'on s'attende à ce que la traînée du magnon soit progressivement réduite par le champ magnétique externe, peu de résultats expérimentaux ont été obtenus, montrant des effets d'amplitudes relativement faibles . Des études ultérieures sur les couches minces et les alliages à base de fer et de Fe ont mis en évidence la contribution significative de la traînée du magnon à la thermopuissance3,6,7. En outre, la preuve de l'effet de traînée du magnon dans les fils NiFe a été fournie par des mesures effectuées sur un dispositif de type thermopile8. Il a également été proposé un mécanisme de transfert de spin pour la thermopuissance magnon-traînée dans des ferromagnétiques conducteurs en vrac9. Plus récemment, une contribution importante de la traînée du magnon à la puissance thermique a été rapportée dans le MnTe10 antiferromagnétique dopé au Li. En outre, l’effet thermoélectrique magnon-traînée dans les ferromagnétiques à structure skyrmion a été étudié théoriquement11. De plus, l'émergence de la caloritronique de spin et de nouveaux effets associés au couplage entre les courants de charge, de spin et de chaleur ont créé un nouvel intérêt pour l'étude de la thermoélectricité dans les hétérostructures ferromagnétiques. Parmi ceux-ci, l'effet Seebeck de spin résultant de l'interaction entre le courant de spin magnonique induit thermiquement dans le ferromagnétique et la génération d'une tension Hall de spin (inverse) dans un métal normal adjacent a fait l'objet d'une attention particulière. D'autre part, les nanofils ferromagnétiques obtenus par dépôt électrochimique à l'aide de modèles nanoporeux ont reçu beaucoup d'attention au cours des dernières décennies car cette approche de fabrication est très polyvalente, permettant l'étude de différents systèmes de nanofils magnétiques, tels que des nanofils simples, des réseaux de nanofils parallèles et réseaux de nanofils interconnectés15,16,17,18,19,20,21. De plus, cette approche de synthèse permet de fabriquer facilement des alliages magnétiques de composition contrôlée ainsi que des systèmes multicouches où le courant circule perpendiculairement au plan des couches (configuration CPP), ce qui constitue une géométrie appropriée pour étudier les propriétés de magnéto-transport géant. ,23,24. Les réseaux de nanofils interconnectés sont particulièrement adaptés aux mesures de thermopuissance. En effet, dans ce système, les courants électriques et thermiques circulent globalement dans le plan du film de nanofils croisé en suivant des chemins en zigzag le long des axes du nanofil25,26. Cette configuration réduit considérablement les problèmes de résistance de contact thermique, source majeure d'erreur lorsque le gradient thermique est établi dans la direction hors plan des membranes nanoporeuses contenant des réseaux de nanofils parallèles, en raison de la finesse des modèles poreux. Les effets magnéto-Seebeck géants récemment rapportés dans des multicouches magnétiques constituées de réseaux de nanofils ont permis d'extraire des paramètres fondamentaux de spin-caloritronique tels que les coefficients Seebeck dépendants du spin et de réaliser des commutateurs thermoélectriques activés magnétiquement25,27,28.