[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究证明，通过施加外部应力并调节磁场，可精确调控柔性CoFeB磁致伸缩薄膜中的异常Nernst效应（ANE）。通过结合包含单轴各向异性和磁致伸缩各向异性的理论模型与实验测量，作者展示了预测与观测到的热电电压响应之间具有定量一致性，证实了应力诱导的有效磁各向异性调控可实现对ANE的动态调控，适用于柔性能量收集自旋电子器件。

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.

研究动机与目标

• 研究外部应力、磁各向异性和热电电压在柔性磁致伸缩薄膜中的相互作用。
• 建立理论模型，以解释单轴各向异性和磁致伸缩各向异性对磁化强度和ANE响应的贡献。
• 通过实验验证在柔性基底上的CoFeB薄膜中，有效磁各向异性和ANE电压随应力的变化关系。
• 展示通过同时控制磁场和机械应力，可实现对异常Nernst效应的调控。
• 将理论框架与实验数据进行对比验证，适用于受力下的铁磁性磁致伸缩薄膜。

提出的方法

• 利用包含单轴各向异性和磁致伸缩各向异性项的自由能密度泛函，对磁化强度和ANE电压响应进行理论建模。
• 基于推导出的自由能表达式，在不同磁场和应力条件下进行磁化强度和热电电压的数值计算。
• 使用定制装置测量热电电压（VANE）：采用Peltier冷却/加热系统、差分热电偶测量∆T，以及纳伏表检测电压。
• 通过基底弯曲施加受控的拉伸应力，应力大小利用已建立的机械弯曲模型计算。
• 使用振动样品磁强计（VSM）测量不同磁场方向下的准静态磁化曲线，以评估磁各向异性。
• 利用薄膜与基底的热导率和厚度比（公式6）估算有效温差∆Tf，并通过V Smax ANE与∆T的线性拟合确定Nernst系数λN。

实验结果

研究问题

• RQ1 外部应力如何影响具有诱导单轴各向异性的柔性CoFeB薄膜中的有效磁各向异性？
• RQ2 通过调节磁场方向和施加应力，异常Nernst电压可在多大程度上被调控？
• RQ3 包含单轴各向异性和磁致伸缩各向异性的理论模型在多大程度上能准确再现实验测得的ANE响应？
• RQ4 在柔性磁致伸缩薄膜中，施加应力与Nernst系数λN之间存在何种定量关系？
• RQ5 磁场与机械应力的组合是否能实现在柔性自旋电子系统中对异常Nernst效应的动态、可逆调控？

主要发现

• 理论模型准确预测了在不同磁场和应力条件下CoFeB薄膜的磁化行为和ANE电压响应，与实验数据具有定量一致性。
• 施加1400 MPa的拉伸应力使Nernst系数λN降低至13.9×10⁻⁶ V/KT，表明ANE响应具有显著的应力依赖性调制。
• 应力的施加导致有效磁各向异性发生可测量的变化，该结果通过磁化测量和ANE电压变化均得到证实。
• Nernst系数λN从无应力时的16.7×10⁻⁶ V/KT降至1400 MPa应力下的13.9×10⁻⁶ V/KT，证明了通过机械应力可调控ANE。
• 实验与理论结果共同证实，单轴磁各向异性和磁致伸缩效应的相互作用主导了柔性磁致伸缩薄膜中的ANE行为。
• 在Kapton基底上的柔性CoFeB薄膜在受力条件下表现出稳定且可测量的ANE，使其成为功能化触控电子器件的可行候选材料。