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，我们制备了在Fe4N中添加第三种元素的单晶薄膜，通过费米能级控制和多层结构，实现了温度为10℃的目的，实现了超过μV/K的反常能斯特系数。 2020年度，我们利用分子束外延法沉积了Fe4-xCoxN薄膜和Fe4-xMnxN薄膜，并致力于评估反常能斯特效应。通过反射高速电子衍射和X射线衍射测定来评价结构，确认了外延生长。然而，对于Fe4-xCoxN薄膜，随着Co组成比的增加，存在氮容易脱附的趋势，并且不可能制造Co4N薄膜。将制备的样品微细加工成霍尔棒形状，并评价塞贝克效应、反常能斯特效应和反常霍尔效应。结果，异常能斯特系数随着Co和Mn添加量的增加而降低。这是由于添加第三元素导致横向热电导率降低，并且发现在Fe4N中添加Co和Mn不能增强反常能斯特效应。除此之外，我们还通过改变层压层数制备了 Fe4N 和 MgO 多层膜，并研究了反常能斯特系数对层压层数的依赖性。使用分子束外延生长多层膜，并评估塞贝克效应、反常能斯特效应和反常霍尔效应。结果发现，反常能斯特系数随着层叠层数的变化而变化，并确认反常能斯特系数与单层Fe4N薄膜相比最大增加约1.4倍。这被认为是由于 Fe4N 和 MgO 之间的界面效应所致，但详细机制尚不清楚。未来，我们的目标是通过制造层压层数变化更细微的多层薄膜，进一步提高反常能斯特系数并阐明其机理。