L1(0) FePtPd和FeNiPt三元有序合金薄膜反常能斯特效应研究

As one of the important physical phenomena in magnetism field, the anomalous Nernst effect (ANE) in magnetic materials attracts much attention. Theoretical researches show that ANE is strongly related to the spin orbital coupling (SOC) and the position of Fermi surface. The difficulty is how to experimentally clarify the internal relationship between SOC or the position of Fermi surface and ANE. In this project, epitaxial single crystal L1(0) FePt ordered alloy films with high magnetocrystalline anisotropy will be chosen as the study system. By substituting Pd for Pt, the spin orbital coupling energy will be tuned in L1(0) Fe0.5(Pt1-xPdx)0.5 (0≤x≤1) alloy films according to the electric structure theory. Similarly, the position of Fermi surface will be tuned by replacing Fe with Ni in L1(0) (Fe1-xNix)0.5Pt0.5 (0≤x≤1) alloy films. The relationship between ANE and spin orbital coupling or the position of Fermi surface will be studied. Combining the anomalous Hall and Seebeck effect, the Mott relation in magnetic metallic system will be established. Meanwhile, the physical mechanism of ANE will be revealed. This project will provide theoretical support for the research and development of the ANE based thermoelectric device.

作为磁学领域重要现象之一，磁性材料中反常能斯特效应引起人们广泛关注。理论研究表明，反常能斯特效应同时与自旋轨道耦合能及费米面位置密切相关。如何从实验上分别厘清反常能斯特效应与自旋轨道耦合能及费米面位置之间内在关系仍是研究难点。本项目将以具有垂直磁晶各向异性的单晶外延L1(0) FePt有序合金薄膜为研究主体，优化薄膜生长工艺，并基于电子结构理论，通过Pd原子替代Pt原子，调控L1(0) Fe0.5(Pt1-xPdx)0.5 (0≤x≤1)的自旋轨道耦合能，以及通过Ni原子替代Fe原子，调控L1(0) (Fe1-xNix)0.5Pt0.5 (0≤x≤1)的费米面高度，研究自旋轨道耦合能及费米面位置对反常能斯特效应的调控机制；结合薄膜反常霍尔效应和塞贝克效应，建立磁性金属合金体系Mott关系，揭示反常能斯特效应的物理机制。本项目研究成果将为研发基于反常能斯特效应的热电器件提供理论支持。

磁性材料的反常能斯特效应由于能够实现热电转换，在电子器件的废热再利用方面具有广泛的应用前景。为了从实验上分别厘清反常能斯特效应与自旋轨道耦合能级费米面位置之间的内在关系，本项目选择通过调整 L10 Fe0.5(Pt1-xPdx)0.5中Pt与Pd含量，以及 L10 (Fe1-xNix)0.5Pt0.5体系中Fe与Ni含量，分别单独且较大幅度调节自旋轨道耦合能和费米面位置，并对两个体系中自旋轨道耦合能和费米面位置对反常能斯特效应的影响机制进行研究。主要研究包括：1）在L10 Fe0.5(Pt1-xPdx)0.5体系中，研究发现随着Pt含量的增强，反常能斯特效应的热电转换效率及塞贝克效应的热电转换效率均增强，这是由于自旋轨道耦合能的增强导致的，其中反常能斯特效率在中间成分时变化缓慢，表明Pt和Pd原子无序分布带来的散射增强也能够增大反常能斯特效率；对于每个样品，反常能斯特效率随着温度的升高而增强，表明杂质散射的增强有利于提升反常能斯特效应的热电转换效率；2）在L10 (Fe1-xNix)0.5Pt0.5体系中，研究发现，Fe含量x接近0和接近1时，反常能斯特效率分别为最低和最高，且随温度的升高而增大；其他中间成分样品的反常能斯特热电转换效率随费米面位置的改变及环境温度的改变，均变化不大，这表明该体系中反常能斯特效应主要来自于Pt原子对电子自旋的散射贡献；同时研究还发现Ni掺杂使得费米面位置降低，导致塞贝克系数的减小。本项目的成功实施，为基于反常能斯特效应的热电器件的选材提供新的思路和方法，具有一定的学术价值。