強磁性窒化鉄薄膜への第三元素添加と多層構造化による異常ネルンスト効果の増大

通过在铁磁氮化铁薄膜中添加第三种元素并创建多层结构来增强反常能斯特效应

基本信息

批准号：
21K04859
负责人：
伊藤啓太
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、Fe4Nに第三元素を添加した単結晶薄膜を作製し、フェルミ準位制御、多層構造化を通じて、異常ネルンスト効果を利用した熱電変換素子の実用化への指標である、室温で10 μV/Kを超える異常ネルンスト係数の達成を目的としている。令和4年度は、分子線エピタキシー法により、Fe4-xCoxN薄膜およびFe4-xMnxN薄膜を成膜し、異常ネルンスト効果の評価に取り組んだ。反射高速電子回折およびX線回折測定により構造を評価した結果、エピタキシャル成長を確認できた。しかし、Fe4-xCoxN薄膜については、Co組成比が増加するにつれて窒素が脱離しやすくなる傾向が見られ、Co4N薄膜の作製は実現できなかった。作製した試料を微細加工によりホールバー形状に加工し、ゼーベック効果、異常ネルンスト効果、異常ホール効果を評価した。結果、CoおよびMn添加量の増加に伴い、異常ネルンスト係数が減少した。これは、第三元素添加による横熱電伝導度の減少に起因しており、Fe4NへのCoおよびMn添加では、異常ネルンスト効果は増強できないことが分かった。上記に加えて、積層数を変えてFe4NとMgOの多層膜を作製し、異常ネルンスト係数の積層数依存性を調べた。分子線エピタキシー法により多層膜をエピタキシャル成長し、ゼーベック効果、異常ネルンスト効果、異常ホール効果を評価した。結果、積層数の変化に応じて、異常ネルンスト係数が変化する傾向が見られ、最大で単層Fe4N薄膜の1.4倍程度の異常ネルンスト係数の増大を確認できた。これは、Fe4NとMgOの界面効果によるものと考えられるが、詳細なメカニズムは不明である。今後は、より細かく積層数を変えた多層膜を作製し、異常ネルンスト係数の更なる増大と、そのメカニズムの解明を目指す。

在这项研究中，将第三个元素添加到Fe4n的单个薄膜中，并且通过Fermi级别的控制和多层结构化，目的是在室温下实现超过10μV/K的异常NERNST系数，这是在室温下实现热电转换元件实用的指标，该指标利用了Abnormal NernernSt效应。在2022年，使用分子束外延沉积了Fe4-Xcoxn和Fe4-XMNXN薄膜，并评估了异常的Nernst效果。通过高速反射的电子衍射和X射线衍射测量评估结构的结构显示出外延的生长。但是，对于Fe4-XCOXN薄膜，随着CO组成比的增加，氮倾向于解吸，并且不可能产生CO4N薄膜的产生。通过微加工将准备好的样品处理成孔形状，并评估了Seebeck效应，异常的Nernst效果和异常的HALL效应。结果，随着添加的CO和MN量的增加，异常的NERNST系数降低。这是由于由于添加了第三个元素而导致的侧面热电传导率降低，因此发现无法通过将CO和MN添加到FE4N来增强异常的Nernst效应。除上述内容外，通过改变层的数量来制造Fe4n和MGO的多层膜，并检查了异常的Nernst系数对堆栈数的依赖性。多层膜通过分子束外延生长，以评估Seebeck效应，异常Nernst效果和异常HALL效应。结果，根据层数的数量，异常的NERNST系数发生变化的趋势，并且可以证实，异常的Nernst系数增加了约1.4倍的单层FE4N薄膜。这被认为是由于FE4N和MGO的界面效应造成的，但是详细的机制尚不清楚。将来，我们将旨在进一步增加异常的NERNST系数，并阐明多层膜更精细地层压的机制。