[论文解读] Thermal spin transport and spin in thermoelectrics

Joseph P. Heremans|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文综述了热电材料中自旋、热和电荷输运的相互作用，重点研究了自旋极化电子和磁振子作为载流子的作用。研究表明，在MnTe等顺磁半导体中，磁振子拖拽效应可使热电功率提高2–3倍，从而在无需优化的情况下实现zT > 1，证明自旋是实现高效热电材料的可行设计参数。

ABSTRACT

This article reviews the principles that govern the combined transport of spin, heat, and charge. The extensive thermodynamic quantity associated with spin transport is the magnetization; its Onsager-conjugate force is in general the derivative of the free energy with respect to the magnetization. Spins are carried in one of two ways: (1) by spin-polarized free electrons in magnetic metals and doped semiconductors, or (2) by spin waves (magnons) that reside on localized electrons on unfilled d- or f-shells of transition metal or rare-earth elements. The paper covers both cases in separate chapters. In both cases, it is possible to define a spin chemical potential whose gradient is the more practical conjugate force to spin transport. The paper further describes the anomalous Hall, spin Hall, and inverse spin Hall effects in magnetic and non-magnetic solids with strong spin-orbit coupling because these effects are used to generate and measure spin fluxes. Spin transport across interfaces is described next, and includes spin pumping and spin transfer torque. The final chapter then puts all these concepts together to describe the spin-Seebeck, spin-Peltier, and magnon-drag effects, which exist in ferromagnetic, antiferromagnetic, and even paramagnetic solids. Magnon-drag, in particular, is a high-temperature effect that boosts the thermopower of metals by an order of magnitude and that of semiconductors by a factor of 2 or 3 above the electronic diffusion thermopower. This is the only example where a spin-driven effect is larger than a charge-driven effect. Magnon drag leads a simple binary paramagnetic semiconductor, MnTe, to have zT > 1 without optimization. This shows how adding spin as an additional design parameter in thermoelectrics research is a new and promising approach toward the quest for high-zT materials.

研究动机与目标

• 建立固体中自旋输运与热输运、电荷输运耦合的热力学框架。
• 识别自旋化学势及其梯度作为磁性与非磁性材料中自旋流的实际驱动力。
• 分析自旋霍尔效应、逆自旋霍尔效应和异常霍尔效应作为生成和探测自旋电流的工具。
• 统一界面处的自旋输运机制，包括自旋泵浦和自旋转移力矩。
• 证明自旋驱动效应，特别是磁振子拖拽，其幅度可超过电荷驱动的热电功率，使非优化材料实现高zT值。

提出的方法

• 推导出自旋输运的Onsager共轭力为自由能对磁化强度的导数。
• 区分两种自旋输运机制：磁性金属和掺杂半导体中的自旋极化电子，以及局域d-或f-电子体系中的磁振子。
• 应用自旋化学势梯度作为电子和磁振子输运中自旋电流的实际驱动力。
• 分析具有强自旋-轨道耦合材料中的自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应，用于自旋电流的生成与探测。
• 利用自旋泵浦和自旋转移力矩机制对界面处的自旋输运进行建模。
• 将所有机制整合到铁磁、反铁磁和顺磁材料中自旋-塞贝克效应、自旋-珀耳帖效应及磁振子拖拽效应的描述中。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在热输运和电荷输运的情况下，如何对自旋输运进行热力学描述？
• RQ2 自旋化学势及其梯度在磁性与非磁性材料中驱动自旋电流的作用是什么？
• RQ3 自旋霍尔效应、异常霍尔效应和逆自旋霍尔效应如何在具有自旋-轨道耦合的固体中促进自旋通量的生成与探测？
• RQ4 界面现象如自旋泵浦和自旋转移力矩如何影响异质结构中的自旋输运？
• RQ5 磁振子拖拽效应的幅度是否可超过电子扩散热电功率？其是否可使非优化材料实现zT > 1？

主要发现

• 在MnTe等顺磁半导体中，磁振子拖拽效应使热电功率比电子扩散热电功率提高2–3倍。
• 磁振子拖拽是目前已知唯一幅度超过电荷驱动热电功率的自旋驱动效应。
• 在MnTe（一种二元顺磁半导体）中，仅靠磁振子拖拽即可实现zT > 1，且无需任何材料优化。
• 自旋-塞贝克效应和自旋-珀耳帖效应被证明在铁磁、反铁磁甚至顺磁材料中均为普遍现象。
• 自旋化学势梯度作为自旋输运的共轭力，比自由能对磁化强度的热力学导数更实用且更易测量。
• 理论建模证实，通过磁振子的自旋输运在高温下可主导热电响应，尤其在具有局域f-或d-电子壳层的材料中。