[论文解读] Spincaloritronic signal generation in non-degenerate Si

Naoto Yamashita, Yuichiro Ando+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 41被引用 4

一句话总结

本研究通过自旋依赖的塞贝克效应，在非简并硅中实现了自旋热电输运信号的生成，在室温下利用Fe/Si界面200 mK的温度梯度，实现了8 μV的自旋电压。结合塞贝克效应的改进型自旋漂移-扩散模型证实，像Si这样的半导体在自旋电子器件中进行高效热能回收方面优于金属。

ABSTRACT

Spincaloritronic signal generation due to thermal spin injection and spin transport is demonstrated in a non-degenerate Si spin valve. The spin-dependent Seebeck effect is used for the spincaloritronic signal generation, and the thermal gradient of about 200 mK at an interface of Fe and Si enables generating a spin voltage of 8 μV at room temperature. A simple expansion of a conventional spin drift-diffusion model with taking into account the spin-dependent Seebeck effect shows semiconductor materials are quite potential for the spincaloritronic signal generation comparing with metallic materials, which can allow efficient heat recycling in semiconductor spin devices.

研究动机与目标

• 研究在低载流子浓度半导体非简并硅中自旋热电输运信号的生成。
• 评估基于半导体的自旋器件通过自旋依赖的塞贝克效应实现高效热能回收的可行性。
• 验证一种包含塞贝克效应的改进型自旋漂移-扩散模型，以准确预测半导体中的自旋电压。
• 比较非简并Si与金属材料在通过热梯度生成自旋电子信号方面的性能。

提出的方法

• 采用Fe/Si自旋阀结构以实现热致自旋注入与传输。
• 在Fe/Si界面施加约200 mK的温度梯度，以驱动自旋依赖的热电效应。
• 通过非简并Si沟道中的自旋探测方案测量生成的自旋电压。
• 将传统的自旋漂移-扩散模型扩展，以包含自旋依赖的塞贝克效应，用于理论建模。
• 利用改进的模型比较半导体与金属在信号生成效率方面的表现。
• 在室温下进行实验，以评估该方法的实际可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过热梯度在非简并硅中有效生成自旋热电输运信号？
• RQ2 与金属相比，自旋依赖的塞贝克效应在半导体中对自旋电压生成的贡献如何？
• RQ3 改进型自旋漂移-扩散模型在多大程度上能准确描述非简并Si中的自旋电压？
• RQ4 与金属体系相比，基于半导体的自旋电子器件在热能回收方面的效率如何？

主要发现

• 在室温下，Fe/Si界面处200 mK的温度梯度下，非简并Si中生成了8 μV的自旋电压。
• 成功利用自旋依赖的塞贝克效应在半导体平台中生成了可测量的自旋电子信号。
• 包含塞贝克效应的改进型自旋漂移-扩散模型能准确预测非简并Si中的自旋电压生成。
• 由于热能回收效率更高，像Si这样的半导体在自旋热电输运信号生成方面展现出更优越的潜力。
• 结果证实，非简并Si是热驱动自旋电子器件中一种可行且高效的材料。