CN108682733A - 一种增强反常能斯特效应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强反常能斯特效应的方法，通过提高A0.5(PtxPd1‑x)0.5合金薄膜体系中Pt的含量来增大体系自旋轨道耦合能，从而增强该体系反常能斯特效应；其中，A为铁磁金属元素Fe、Co或者Ni，0≤x≤1。该方法样品为单层铁磁薄膜，结构简单；通过提高铁磁材料的反常能斯特效应，实现热能与电能的高效转换，有助于基于反常能斯特效应的热电器件的研发，具有重要的科学意义及应用价值。

Description

一种增强反常能斯特效应的方法
技术领域
本发明属于磁性薄膜材料技术领域，具体涉及一种增强反常能斯特效应的方法。
背景技术
反常能斯特效应是铁磁性材料的基本物理性质之一，它是指当给铁磁性材料施加温度梯度时，在同时垂直于温度梯度和磁矩方向会产生电压的现象。当前，利用铁磁材料的反常能斯特效应实现热能向电能的转换被认为是实现废热再利用的重要途径之一。且随着电子产品器件的持续小型化、集成度和运行速度的不断提高，合理利用器件的废热已成为发展绿色信息技术的关键。因而提高铁磁材料的反常能斯特效应，实现热能与电能的高效转换，具有重要的科学意义及应用价值。
目前的研究主要集中在基于界面结构及材料复合设计，寻求增大材料反常能斯特效应的途径。使用反常能斯特堆或者多层膜的方法都能够增强反常能斯特效应，但是难免受限于样品结构的复杂性。为了提升基于反常能斯特效应热电器件单位体积的热电转换效率，从材料内禀物理属性出发是寻求增大反常能斯特效应的根本途径之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种增强反常能斯特效应的方法，通过增大体系中自旋轨道耦合能来增强反常能斯特效应。
本发明所采用的技术方案是，一种增强反常能斯特效应的方法，其特征在于，通过提高A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系中Pt的含量来增大体系自旋轨道耦合能，从而增强该体系反常能斯特效应；其中，A为铁磁金属元素Fe、Co或者Ni，0≤x≤1。
本发明的特点还在于，
A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系中自旋轨道耦合能作为单一变量被调控。
A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系为L10A0.5(PtxPd1-x)0.5有序合金薄膜体系。
L10A0.5(PtxPd1-x)0.5有序合金薄膜体系采用直流磁控溅射方法制备得到，具体按照下述方法进行：采用的衬底为单晶抛光MgO(200)，本底真空优于4*10-5Pa，生长温度为620-700摄氏度，生长速率为0.10±0.03nm/s，退火温度与生长温度相同，退火时间2小时，样品厚度为20±2nm。
A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系为无序A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系。
无序A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系采用直流磁控溅射方法制备得到，具体按照下述方法进行：所采用的衬底为石英玻璃或Si片，生长温度为室温，制备过程中本底真空优于4*10-5Pa，生长速率为0.10±0.03nm/s，样品厚度为20±2nm。
A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系中Pt和Pd的成分是通过调节放置在A靶上的Pt和Pd小片子数目来调控。
本发明的有益效果是：提高单层铁磁层的反常能斯特效应，样品结构简单，同时为反常能斯特堆或多层膜中提高反常能斯特效应提供新思路；通过提高铁磁材料的反常能斯特效应，实现热能与电能的高效转换，有助于基于反常能斯特效应的热电器件的研发，具有重要的科学意义及应用价值。
附图说明
图1是本发明中L10A0.5(PtxPd1-x)0.5有序合金薄膜体系反常能斯特效应的测量示意图；
图2是本发明中无序A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系反常能斯特效应的测量示意图；
图3是本发明中实施例1-4中的L10Fe0.5(PtxPd1-x)0.5有序合金薄膜XRD图谱；
图4是本发明中实施例1-4中的L10Fe0.5(PtxPd1-x)0.5有序合金薄膜的磁滞回线；
图5是本发明中实施例1-4中的L10Fe0.5(PtxPd1-x)0.5有序合金薄膜在同时垂直于温度梯度和外磁场方向测得的电压信号(VANE)随外场的变化关系；
图6是本发明中实施例5-8中的Fe0.5(PtxPd1-x)0.5无序合金薄膜的磁滞回线；
图7是本发明中实施例5-8中的Fe0.5(PtxPd1-x)0.5无序合金薄膜在同时垂直于温度梯度和外磁场方向测得的电压信号(VANE)随外场的变化关系。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种增强反常能斯特效应的方法，通过提高A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系中Pt的含量来增大体系自旋轨道耦合能，从而增强该体系反常能斯特效应；其中，A为铁磁金属元素Fe、Co或者Ni，0≤x≤1。
A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜中Pt和Pd的成分是通过调节放置在A靶上的Pt和Pd小片子数目来调控。
A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系中自旋轨道耦合能作为单一变量被调控。由于Pt和Pd是同一主族，具有相似的核外电子结构，也有理论计算表明他们的费米面也是很接近的，这就使得这个体系能够在保证其他物理参量，比如晶体结构、晶格常数、饱和磁化强度等都不变的情况下使得自旋轨道耦合能通过改变Pt含量而得到单一且连续调节。
A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系为L10A0.5(PtxPd1-x)0.5有序合金薄膜体系时：
L10A0.5(PtxPd1-x)0.5有序合金薄膜体系采用直流磁控溅射方法制备得到，具体按照下述方法进行：采用的衬底为单晶抛光MgO(200)，本底真空优于4*10-5Pa，生长温度为620-700摄氏度，生长速率为0.10±0.03nm/s，退火温度与生长温度相同，退火时间2小时，样品厚度为20±2nm；
L10A0.5(PtxPd1-x)0.5有序合金薄膜体系具有垂直各向异性，测量具有垂直各向异性薄膜的反常能斯特效应时，样品放置于磁场中，磁场方向始终垂直于膜面，给样品面内施加温度梯度，在同时垂直于磁场和温度梯度的方向测量反常能斯特电压；测量示意图如图1所示，在面内x方向施加温度梯度，改变外磁场的大小，在同时垂直于外加磁场和温度梯度的y方向测量反常能斯特电压信号，
A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系为无序A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系时：
无序A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系采用直流磁控溅射方法制备得到，具体按照下述方法进行：所采用的衬底为玻璃或Si片，生长温度为室温，制备过程中本底真空优于4*10-5Pa，生长速率为0.10±0.03nm/s，样品厚度为20±2nm。
无序A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系，易磁化方向平行于膜面，测量该体系反常能斯特效应时，样品放置于磁场中，磁场方向始终平行于膜面，给样品施加垂直于膜面方向的温度梯度，在同时垂直于磁场和温度梯度的方向测量反常能斯特电压；测量示意图如图2所示，外磁场平行于膜面沿y方向，在垂直于膜面方向施加温度梯度，改变外磁场大小，在同时垂直于外加磁场和温度梯度的x方向测量反常能斯特电压信号。
以下实施例中，A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系中的A为Fe。
以下实施例中用到的试剂、样品制备及结构和磁性表征用到的设备及型号：
磁控溅射设备：沈科仪JGP-450型单室磁控溅射系统；
X射线衍射仪：Bruker D8衍射仪；
振动样品磁强计：Lakeshore VSM 7400系列；
反常能斯特效应测量中的磁场发生和测量装置：东方晨景EM5电磁铁、P7050磁铁电源、美国Lakeshore 420高斯计；
试剂：Fe靶、Pt与Pd小片靶、MgO(200)单晶衬底及石英玻璃均购自于合肥科晶材料技术有限公司。
实施例1-4
L10Fe0.5(PtxPd1-x)0.5单晶外延有序合金薄膜的反常能斯特效应
样品制备：L10Fe0.5(PtxPd1-x)0.5有序合金薄膜体系采用直流磁控溅射方法制备得到，具体按照下述方法进行：采用的衬底为单晶抛光MgO(200)，本底真空为3.5*10-5Pa，生长温度为650摄氏度，制备过程中氩气气压为0.35Pa，生长速率为0.12nm/s，退火温度为650摄氏度，退火时间2小时。样品信息如下表所示：
实施例1-4所涉及的薄膜材料具有良好的单晶外延特性，如图3薄膜材料的X射线衍射(XRD)图所示，在2q＝24.1°和49.2°分别探测到L10Fe0.5(PtxPd1-x)0.5薄膜的(001)和(002)衍射峰，证明本方法所制备的样品具有L10结构。
实施例1-4所涉及的薄膜材料具有垂直各向异性，当外加磁场垂直于膜面时，样品磁滞回线如图4所示。该系列样品饱和磁化强度Ms＝1100±50emu/cm3，矫顽力随着Pt含量的增加逐渐增大，L10FePd的矫顽力为500Oe，L10FePt的矫顽力为4400Oe。
实施例1-4所涉及的薄膜材料，其反常能斯特效应随着Pt含量的增加逐渐增大。该系列样品反常能斯特效应测量示意图如图1所示，样品形状为正交的十字架形状，样品条长8mm，宽1mm。测量过程中，给样品条一端利用加热丝加热，另一端为冷端，利用制冷机保持冷端温度为300K。为了维持温差的稳定性，测量样品处于真空环境。测量过程中，外加磁场方向始终与膜面垂直，即沿着图中z方向所示。测量环境温度为300K，当热端与冷端之间温差为50K时，在同时垂直于磁场和温差的方向测得电压信号随外场的变化关系如图5所示。实施例1-4中四个样品，即x＝0,0.5，0.85和1的四个样品，其反常能斯特电压，分别为2.88μV，4.29μV，5.41μV和6.09μV，可以看出，从FePd到FePt，反常能斯特电压增大两倍之多。反常能斯特效应的增强，是由于自旋轨道耦合能的增大导致的。
实施例5-8
Fe0.5(PtxPd1-x)0.5无序合金薄膜的反常能斯特效应
样品制备：Fe0.5(PtxPd1-x)0.5无序合金薄膜体系采用直流磁控溅射方法制备得到，具体按照下述方法进行：所采用的衬底为石英玻璃，本底真空为3.5*10-5Pa，生长温度为室温，制备过程中氩气气压为0.35Pa，生长速率为0.12nm/s，样品信息如下表所示：
实施例 样品成分 样品厚度(nm) 矫顽力(Oe)
5 Fe0.5Pd0.5 23.08 28
6 Fe0.5(Pt0.5Pd0.5)0.5 23.39 36
7 Fe0.5(Pt0.85Pd0.15)0.5 21.48 53
8 Fe0.5Pt0.5 20.52 62
实施例5-8所涉及的薄膜材料易磁化方向在面内，当外加磁场平行于膜面时，样品磁滞回线如图6所示。该系列样品饱和磁化强度Ms＝940±40emu/cm3，矫顽力随着Pt含量的增加逐渐增大，FePd的矫顽力为28Oe，FePt的矫顽力为62Oe。
实施例5-8所涉及的薄膜材料，其反常能斯特效应随着Pt含量的增加逐渐增大。该系列样品反常能斯特效应测量示意图如图2所示。样品为长条形，长8mm，宽1mm。测量过程中，样品上表面利用给片式电阻器施加电压来作为加热源，电阻元件与样品之间用厚度为1mm的导热硅胶垫隔开，以防导电。样品背面放置于冷端，利用制冷机保持冷端温度为300K。为了维持温差的稳定性，测量样品处于真空环境。测量过程中，外加磁场方向始终与膜面平行，即沿着图中y方向。测量环境温度为300K，当给片式电阻器施加85mA的电流对样品进行加热时，在同时垂直于磁场和温差的方向测得电压信号随外场的变化关系如图7所示，实施例5-8中四个样品，即x＝0,0.5，0.85和1的四个样品，其反常能斯特电压分别为8.54μV，18.59μV，20.54μV和22.75μV，可以看出，从FePd到FePt，由于自旋轨道耦合能的增大，反常能斯特电压随之增强，即反常能斯特效应得到增强。

Claims (7)

1.一种增强反常能斯特效应的方法，其特征在于，通过提高A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系中Pt的含量来增大体系自旋轨道耦合能，从而增强该体系反常能斯特效应；其中，A为铁磁金属元素Fe、Co或者Ni，0≤x≤1。
2.根据权利要求1所述的一种增强反常能斯特效应的方法，其特征在于所述A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系中自旋轨道耦合能作为单一变量被调控。
3.根据权利要求1或2所述的一种增强反常能斯特效应的方法，其特征在于，所述A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系为L10A0.5(PtxPd1-x)0.5有序合金薄膜体系。
4.根据权利要求3所述的一种增强反常能斯特效应的方法，其特征在于，所述L10A0.5(PtxPd1-x)0.5有序合金薄膜体系采用直流磁控溅射方法制备得到，具体按照下述方法进行：采用的衬底为单晶抛光MgO(200)，本底真空优于4*10-5Pa，生长温度为620-700摄氏度，生长速率为0.10±0.03nm/s，退火温度与生长温度相同，退火时间2小时，样品厚度为20±2nm。
5.根据权利要求1或2所述的一种增强反常能斯特效应的方法，其特征在于，所述A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系为无序A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系。
6.根据权利要求5所述的一种增强反常能斯特效应的方法，其特征在于，所述无序A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系采用直流磁控溅射方法制备得到，具体按照下述方法进行：所采用的衬底为石英玻璃或Si片，生长温度为室温，制备过程中本底真空优于4*10-5Pa，生长速率为0.10±0.03nm/s，样品厚度为20±2nm。
7.根据权利要求1所述的一种增强反常能斯特效应的方法，其特征在于，A0.5(PtxPd1-x)0.5合金薄膜体系中Pt和Pd的成分是通过调节放置在A靶上的Pt和Pd小片子数目来调控。
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