[論文レビュー] Tailoring anomalous Nernst effect in stressed magnetostrictive film grown onto flexible substrate

M.A. Corrêa, M. Gamino+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Magnetic properties of thin films参考文献 67被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、外部応力と磁場の調整によって、柔軟性のあるCoFeB磁歪性膜における異常ネルンスト効果（ANE）を正確に制御できることを示している。単軸および磁気弾性異方性を組み込んだ理論モデルと実験測定を組み合わせることで、予測された熱電圧応答と観測された応答の間で定量的な一致が得られ、応力によって誘導される有効磁気異方性の変化が、柔軟でエネルギー回収可能なスピントロニクス素子におけるANEの動的制御を可能にすることを証明した。

ABSTRACT

The anomalous Nernst effect in nanostructured magnetic materials is a key phenomenon to optimally control and employ the internal energy dissipated in electronic devices, being dependent on for instance the magnetic anisotropy of the active element. Thereby, here we report a theoretical and experimental investigation of the magnetic properties and anomalous Nernst effect in a flexible magnetostrictive film with induced uniaxial magnetic anisotropy and under external stress. Specifically, we calculate the magnetization behavior and the thermoelectric voltage response from a theoretical approach for a planar geometry and with a magnetic free energy density which takes into account the induced uniaxial and magnetoelastic anisotropy contributions. Experimentally, we verify modifications of the effective magnetic anisotropy and thermoelectric voltage with the stress and explore the possibility of tailoring the anomalous Nernst effect in a flexible magnetostrictive film by modifying both, the magnetic field and external stress. We find quantitative agreement between experiment and numerical calculations, thus elucidating the magnetic and thermoelectric voltage behaviors, as well as providing evidence to confirm the validity of the theoretical approach to describe the magnetic properties and anomalous Nernst effect in ferromagnetic magnetostrictive films having uniaxial magnetic anisotropy and submitted to external stress. Hence, the results place flexible magnetostrictive systems as a promising candidate for active elements in functionalized touch electronic devices.

研究の動機と目的

• 外部応力、磁気異方性、および熱電圧の相互作用が、柔軟な磁歪性膜に与える影響を調査すること。
• 単軸および磁気弾性異方性の寄与を考慮した理論モデルを構築し、磁化およびANE応答を予測すること。
• 柔軟基板上に形成されたCoFeB膜における有効磁気異方性およびANE電圧の応力依存性を実験的に検証すること。
• 磁場と機械的応力の併用制御によってANEを最適化できるかを実証すること。
• 応力下におけるフェロ磁性磁歪性膜の理論的枠組みを実験データと照合して検証すること。

提案手法

• 単軸および磁気弾性異方性項を含む自由エネルギー密度関数を用いた磁化およびANE電圧応答の理論的モデル化。
• 変化する磁場および応力条件下で、導出された自由エネルギー式を用いて磁化および熱電圧を数値計算すること。
• ペルティエ冷却/加熱、∆T用の差動熱電対、および電圧検出用ナノボルトメータを備えた独自の測定装置を用いて、熱電圧（VANE）を実験的に測定すること。
• 基板の曲げを用いて制御された引張応力を印加し、既存の機械的曲げモデルを用いて応力度を計算すること。
• 磁気異方性の評価のため、さまざまな磁場方向で準静的磁化曲線を測定するために、バイブレーティング・サンプル磁化計（VSM）を用いること。
• 膜と基板の熱伝導率および厚さ比を用いて、効果的温度差∆Tfを推定（式6）、V Smax ANE と ∆T の線形フィッティングによりネルンスト係数λNを決定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 誘導された単軸異方性を有する柔軟なCoFeB膜において、外部応力が有効磁気異方性に与える影響は何か？
• RQ2 磁場の向きと印加応力を同時に変化させることで、異常ネルンスト電圧をどの程度制御できるか？
• RQ3 単軸および磁気弾性異方性を組み込んだ理論モデルが、実験的ANE応答をどれほど正確に再現できるか？
• RQ4 応力とネルンスト係数λNとの間の定量的関係は何か？
• RQ5 磁場と機械的応力の併用によって、柔軟スピントロニクス系におけるANEの動的で可逆的制御が可能か？

主な発見

• 理論モデルは、変化する磁場および応力条件下でのCoFeB膜における磁化挙動およびANE電圧応答を正確に予測し、実験データと定量的に一致した。
• 1400 MPaの引張応力を印加することで、ネルンスト係数λNは13.9×10⁻⁶ V/KTに低下し、ANE応答に対する顕著な応力依存性の変調が示された。
• 応力の印加により有効磁気異方性に測定可能な変化が生じ、磁化測定およびANE電圧の変化両方で確認された。
• ネルンスト係数λNは、応力なしの16.7×10⁻⁶ V/KTから1400 MPaの応力下で13.9×10⁻⁶ V/KTに低下し、機械的応力によるANEの制御可能性が実証された。
• 実験的および理論的結果は、単軸磁気異方性と磁気弾性効果の相互作用が、柔軟磁歪性膜におけるANEを支配していることを確認した。
• カプロン基板上に形成された柔軟なCoFeB膜は、応力下でも安定的かつ測定可能なANEを示し、機能化されたタッチエレクトロニクス素子の候補として適している。