JP5267967B2 - スピン流熱変換素子及び熱電変換素子 - Google Patents
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Description
近年、このスピンの自由度、即ち、スピン角運動量の自由度を利用したスピントロニクスが次世代の情報技術の担い手として注目を集めている。
Phys.Rev.,B19,p.4382,1979 Applied Physics Letters Vol.88,p.182509,2006
熱によりスピン流を生成できれば、小規模なスピン流源としての利用が可能になるため、熱スピン流は物理的のみならず工学的観点からも非常に重要である。
図1参照
上記課題を解決するために、本発明は、熱スピン流変換素子において、全体が強磁性体部材からなる熱スピン流発生部材1と、前記熱スピン流発生部材1に温度勾配を形成する温度勾配形成手段2とを備えたことを特徴とする。
即ち、従来の拡散的に流れる純スピン流はナノ領域にしか流れないが、熱により発生させた純スピン流は温度勾配さえあれば熱スピン流発生部材1を長くしても充分に流れるので純スピン流駆動デバイスのスピン流源として重要になる。
図2は、スピン濃度勾配の説明図であり、上述の式(6)の熱スピン流の式とFert−Valetの式からアップスピンの電子の化学ポテンシャルμ↑とダウンスピンの電子の化学ポテンシャルμ↓は低温側と高温側で逆転するのでスピン濃度勾配が生じることになる。
このようなスピン流が発生すると、逆スピンホール効果を利用することによって、スピン流を検出することができるので、図3乃至図7を参照してその検証実験を説明する。
図3は、逆スピンホール効果を用いた熱スピン流検出系の構成説明図であり、ステンレス基盤11上に一対のCuブロック12,13を設け、一方のCuブロックには断熱材14を介してCu板15を設け、このCu板15と他方のCuブロック13との間に試料20を架橋する。
また、Cu板15の他端にはヒータ16を設け、このヒータ16により試料20の一端を加熱するとともに、熱浴により一定温度になっている試料20の他端の間に温度勾配を形成する。
なお、この温度勾配は、試料20の一端と他端とにそれぞれ近接配置した一対の熱電対により測定した両端の温度差となる。
図4は、試料の概略的構成図であり、サファイア基板21上に、例えば、長さが7mmで幅が4mmで厚さが10nmのNi81Fe19膜22の一端に例えば、長さが4mm、幅が100μm、厚さが10nmのPt電極23を設けたものである。
この場合の基板としては、Siより熱伝導率が低く、温度勾配の形成し易いサファイア基板を用いている。
図5は、熱スピン流検出原理の説明図であり、上図はPt電極23を設けた側を高温側とした場合であり、下図はPt電極23を設けた側を低温側とした場合である。
固定磁場Hを印加しておくことによって、温度勾配▽TによりNi81Fe19膜22で発生した熱スピン流js が、上図の場合にはアップスピンによる熱スピン流24が、下図に場合にはダウンスピンによる熱スピン流25がPt電極23に注入された場合、Ptのスピン軌道相互作用によりスピン流js が電流jc に変換される。
この時、電流jc はスピン流js の方向と垂直方向に流れるが、夫々のPt電極23の両端に注入されるスピン流のスピンの向きに応じた方向に電位差Vが発生することになる。
なお、磁場を反転させても電位差Vの向きが反転しない場合には、熱スピン流ではなく、ノイズということになる。
図6は、測定結果の説明図であり、左図は試料の低温側の測定結果を示すグラフであり、中図は試料の高温側の測定結果を示すグラフであり、右図はNi81Fe19に直接電極を設けて電位差を測定した場合のグラフである。
なお、この場合、印加磁場Hとしては、Ni81Fe19が飽和する150〔Oe〕までの磁界を印加して測定しているが、各温度差において−150〔Oe〕から+150〔Oe〕まで変化させた場合の出力(太線)と+150〔Oe〕から−150〔Oe〕まで変化させた場合の出力(細線)を重ねて表示している。
この電位差Vは、印加磁場の方向を反転すると方向が逆になっているので、熱スピン流による電位差とすることができる。
この時、ゼロ磁場付近の出力電圧にヒステリシスが見られるが、ヒステリシスがあるということが出力電圧の変化が強磁性体金属層の磁化反転によるものであることを示している。
このことは、Pt電極を設けなかったため、逆スピンホール効果の原理によりスピン流の発生を検出できなかっただけであり、熱スピン流が発生しなかったことを意味しない。
図7は、図6における出力特性を温度差依存性の観点から整理したグラフであり、高温側においても、低温側においても出力電圧は温度差ΔTに対してほぼリニアに変化していることが分かる。
図8参照
図8は、本発明の実施例1の熱スピン流変換素子の概略的斜視図であり、シリコン基板31の表面に設けた熱酸化膜32の表面に、例えば、長さが7mm、幅が4mm、厚さが10nmのNi81Fe19膜33をマスクを用いた選択スパッタ法によって成膜したものであり、Ni81Fe19膜33の一端側に例えばCu製のヒートシンク34を設けて低温側とし、他端側の近傍にヒータ35を設けて高温側としたものである。
この蓄積したスピンを電気的接続により取り出すことによって、熱スピン源を構成することになる。
図9参照
図9は、本発明の実施例2の熱スピン流変換素子の概略的斜視図であり、サファイア基板41の表面に、マスクスパッタ法を用いて例えば、長さが5mm、幅が2mmのTa膜431 ,432 、PdPtMn膜441 ,442 、及び、NiFe膜451 ,452 を順次堆積して一対の熱スピン流変換部421 ,422 を形成する。
但し、PdPtMn膜441 ,442 の成膜工程において、磁化方向Mが互いに逆になるように外部磁場を印加した状態で成膜する。
図10参照
図10は、本発明の実施例3の熱スピン流変換素子を利用した熱電対の概略的斜視図であり、サファイア基板51の表面に、マスクスパッタ法を用いて例えば、長さが10mm、幅が5mmのTa膜53、PdPtMn膜54、及び、NiFe膜55を順次堆積して一対の熱スピン流変換部52を形成する。
但し、PdPtMn膜54の成膜工程において、PdPtMn膜54の長手方向が磁化方向Mになるように外部磁場を印加した状態で成膜する。
この場合、測定精度を高めるためには、Pt電極56を設けた低温側を恒温媒体に当接させて測定することが望ましい。
図11参照
図11は、本発明の実施例3の熱スピン流変換素子を利用した熱電対の構成説明図であり、上図は作成段階における熱電対の概略的斜視図であり、下図は使用状態に於ける概略的斜視図である。
但し、PdPtMn膜65の成膜工程において、PdPtMn膜65の長手方向が磁化方向Mになるように外部磁場を印加した状態で成膜する。
なお、この場合の耐熱性繊維フィルム61は、500℃以上の耐熱性があれば良く、例えば、ガラス繊維フィルム、セラミック複合繊維フィルム、シリカ繊維フィルム、或いは、アルミナ繊維フィルムを用いる。
この熱電対においても、Pt電極67を設けていない側を測定対象熱源に当接或いは近接させることによって、Pt電極67を設けた側との間に熱勾配が形成されて熱スピン流が発生し、発生した熱スピン流がPt電極67に注入されると逆スピンホール効果によってPt電極67の両端に電位差が発生するので、この電位差を端子681 ,682 を介して検出することによって、測定対象熱源の温度を推定することが可能になる。
また、幅を広くしてもロールケーキ状に巻回すれば良いので、巻回数を増やすだけで、全体構成を大型化することなく、高感度温度計を構成することができる。
例えば、上記の各実施例においては、スピン注入電極としてPtを用いているが、Ptに限られるものではなく、どの様な導電体を用いても良いが、効率の点からは、Ptと同様にスピン軌道相互作用の大きなPdや、Ptと同様にf軌道を有するAu等の元素が望ましい。
なお、強磁性体をアモルファス状態にするためには、成膜時の基板温度を室温等の低温にすれば良い。
2 温度勾配形成手段
11 ステンレス基盤
12,13 Cuブロック
14 断熱材
15 Cu板
16 ヒータ
20 試料
21 サファイア基板
22 Ni81Fe19膜
23 Pt電極
24,25 熱スピン流
31 シリコン基板
32 熱酸化膜
33 Ni81Fe19膜
34 ヒートシンク
35 ヒータ
41 サファイア基板
421 ,422 熱スピン流変換部
431 ,432 Ta膜
441 ,442 PdPtMn膜
451 ,452 NiFe膜
46 接続部
471 ,472 出力端子
48 ヒートシンク
49 ヒータ
51 サファイア基板
52 熱スピン流変換部
53 Ta膜
54 PdPtMn膜
55 NiFe膜
56 Pt電極
571 ,572 端子
61 耐熱性繊維フィルム
62 SiO2 膜
63 熱スピン流変換部
64 Ta膜
65 PdPtMn膜
66 NiFe膜
67 Pt電極
681 ,682 端子
Claims (7)
- 全体が強磁性体部材からなる熱スピン流発生部材と、前記熱スピン流発生部材に温度勾配を形成する温度勾配形成手段とを備えたことを特徴とする熱スピン流変換素子。
- 一対の強磁性体部材或いは強磁性体を含有する導電性部材のいずれかからなる熱スピン流発生部材の一端を導電性部材で結合するとともに、前記一対の熱スピン流発生部材に互いに逆方向に磁場を印加した状態で、前記一対の熱スピン流発生部材に同方向の温度勾配を形成して前記一対の熱スピン流発生部材の他端から熱スピン流を取り出すことを特徴とする熱スピン流変換素子。
- 前記熱スピン流発生部材の少なくとも主要部がアモルファスであることを特徴とする請求項1または2に記載の熱スピン流変換素子。
- 全体が強磁性体部材からなる熱スピン流発生部材の少なくとも一端側に逆スピンホール効果部材を設け、前記熱スピン流発生部材に温度勾配を設けるとともに磁場印加手段により磁場を印加して前記逆スピンホール効果部材においてスピン流を電圧に変換して取り出すことを特徴とする熱電変換素子。
- 前記逆スピンホール効果部材が、f軌道を有する元素或いはPdのいずれかからなることを特徴とする請求項4記載の熱電変換素子。
- 前記磁場印加手段が、前記熱スピン流発生部材に磁気的に結合した反強磁性体部材であることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の熱電変換素子。
- 前記熱スピン流発生部材の少なくとも主要部がアモルファスであることを特徴とする請求項4乃至請求項6のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
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