温度场分布对Spin-Seebeck效应的影响

自旋流的产生、探测、及操控是自旋电子学发展中的关键技术。Spin－Seebeck效应由于可以通过温度梯度产生无电荷电流的单纯自旋流而引起人们的关注。在Spin-Seebeck效应的研究中，仅仅局限于一维均匀、稳恒的温度梯度分布的研究远远满足不了该方向科学理论发展需求和器件化的实际要求。因此，对温度场分布研究关系到Spin-Seebeck效应器件的器件热电性能、响应时间、能量损耗、尺度效应、界面效应和机制等重要关键科学问题。本项目从原型器件出发，通过建立Spin-Seebeck效应器件的物理模型和温度场的数学模型，利用有限元等数值方法模拟器件中温度场分布及其变化规律，并对温度场模拟结果进行理论分析, 在该基础上，考虑自旋输运的Valet-Fert模型，推导出自旋电势与温度梯度变化规律，揭示影响Spin-Seebeck效应的关键因素,为制备高效能的Spin-Seebeck效应器件提供理论依据。

本项目从原型器件出发，通过建立Spin-Seebeck效应器件的物理模型和温度场的数学模型，利用有限元等数值方法模拟器件中温度场分布及其变化规律，并对温度场模拟结果进行理论分析, 在此基础上，研究自旋电势与温度梯度变化规律，揭示影响Spin-Seebeck效应的关键因素,为制备高效能的Spin-Seebeck效应器件提供理论依据。.项目总体按上述计划进行。为了达到上述研究目的，我们建立了自旋塞贝克效应测量装置，同时制备了原型器件，并在不同磁场、温度梯度下进行了测试研究。我们提出了器件温度场分布的理论模型并进行了模拟计算。我们发现不同的热源放置方式能大大影响样品温度场分布情况。特别地，分析比较了热源单面接触方式和热源双面接触方式的不同。在研究过程中，我们发现自旋塞贝克效应受到短路效应、复杂热磁效应以及Pt的磁近邻效应的严重影响，于是我们开展了短路效应的理论模拟研究，我们从理论上分析了短路效应对Pt/Py结构中自旋塞贝克效应实验结果的影响。通过理论模拟和实验设计，排除了短路效应和复杂热磁效应的影响，得到了真实的自旋塞贝克效应，并反推出铁磁材料中的自旋扩散长度，为自旋扩散长度的测量提供了一种新的思路。另外我们研究了Pt/YIG（Pt/Y3Fe5O12）系统中电流加热诱导的自旋塞贝克效应与自旋霍尔磁电阻共存问题。利用逆自旋霍尔电压和自旋霍尔磁电阻效应对电流奇偶依赖关系不同，成功分离了逆自旋霍尔电压和自旋霍尔磁电阻。研究了自旋塞贝克效应和自旋霍尔磁电阻与磁场和电流夹角θ的关系。研究表明自旋塞贝克效应是关于角度θ的cos关系，而自旋霍尔磁电阻是关于角度θ的sin2θ关系。自旋塞贝克效应实验，由于热流不易控制，铁磁导体处在温度梯度中会导致多种磁、热、电效应，以及Pt本身的逆自旋霍尔效应信号会受到铁磁导体的短路，这两类构成了铁磁导体中自旋塞贝克效应测量的关键影响因素。进一步的，作为检测自旋电压的材料Pt薄膜磁近邻效应带入的磁化问题也给自旋塞贝克效应的研究带来了重重困难。这些复杂因素导致课题的执行过程中遇到一定的难度。项目执行期间，已在Applied Physics Letters发表论文一篇，另外有两篇正在投稿中。其余工作将陆续总结投稿。参加学术会议11人次，在全国会议做邀请报告3人次。培养硕士研究生两人，毕业一人。