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user: 5. 提高YIG/Pt界面自旋混合传导 纯自旋流具有传递自旋角动量而无净电荷流的独特特性，因此具有更高的能量效率。然而，SSE器件的热电转换性能在实际应用中仍然不理想，热电转换效率提高的研究经久不衰。自旋塞贝克效应所产生电压大小由以下因素决定 [ 30 ]： V ∝ η ⋅ θ H ⋅ ρ ⋅ g r ⋅ γ ⋅ e ⋅ k B ⋅ l π ⋅ M s ⋅ V a ⋅ A Δ T (14) 在这里 η 与磁振子-声子温差成正比， θ H 是自旋霍尔角， ρ 是电阻率， g r 是自旋混合传导， γ 是旋磁比，e是电子电荷， k B 是玻尔兹曼常数，l是探测点之间的距离， M s 是饱和磁化强度， V a 是磁相干体积，A是铁磁氧化物层与非磁金属层界面之间的接触面积。 决定自旋塞贝克效应的一个重要参量就是铁磁氧化物和非磁金属界面之间的自旋混合传导 [ 50 ] [ 51 ]。在这里我们分别列举在Pt/YIG结构中插入金属、半导体和反铁磁材料来提高Pt/YIG异质结的自旋混合传导和改善界面质量，从而增强自旋塞贝克效应。 5.1. 在Pt/YIG中插入薄Fe层 Y. Iwasaki等测试了 V SSE 和 g r 对插入Fe层厚度依赖关系，发现当0.3 nm厚的Fe插入Pt/Bi:YIG层中时，热电转换效率达到峰值，如图11(a)所示 [ 52 ]。而 g r 可以通过以下公式进行计算： g r = 2 3 π M s γ d F g μ B w ( W FI/PM − W FI ) (15) M s 、γ、d F 、g、μ B 和W分别是饱和磁化强度、旋磁比、Bi:YIG的层的厚度、g因子、玻尔磁子和微波的角频率。 W FI/PM 和 W FI 分别是Pt/Fe/Bi:YIG/SGGG和Bi:YIG/SGGG的FMR光谱宽度ΔH。图11(b)显示了铁磁共振FMR的光谱，同时平面内外磁场H的大小发生了变化，微波频率固定在 f = 9.44   GHz 。Bi:YIG/SGGG显示了最窄的FMR光谱宽度w，如图11(b)的插图所示。在Bi:YIG层上沉积铂层时，FMR光谱宽度增大，当插入0.3 nm Fe层后，FMR光谱宽度进一步增大。通过将这些测量的宽度代入方程(15)，可以得到 g r 。进一步说明了通过插入几个原子层厚的铁磁层可以提高自旋混合传导，从而提高自旋流的注入效率。 图11. (a) 细虚线和粗虚线分别代表Pt/Bi:YIG/SGGG和Pt/Fe(0.3 nm)/Bi:YIG/SGGG结构中所测的V SSE 的大小。(b) 平面内外磁场Bi:YIG/SGGG、Pt/Bi:YIG/SGGG和Pt/Fe(0.3 nm)/Bi:YIG/SGGG的FMR光谱 [ 52 ] 5.2. 在Pt/YIG中插入薄Ni 80 Fe 20 层 NiFe是一种典型的铁磁性金属，每个原子都有一个磁矩沿同一方向排列，0.355 nm的面心立方NiFe磁矩密度为18 μ B /nm 2 。Hiromi Yuasa等在YIG(1 mm)/Pt(5 nm)界面中间插入0.6 nm厚Ni 80 Fe 20 薄层，如图12(a)所示。比较bulk-YIG/Pt (5 nm)与bulk-YIG/NiFe (0.6 nm)/Pt(5 nm)的V-H曲线可知，在ΔT = 13 K和ΔT = 18 K下，插入0.6 nm的Ni80Fe20薄层之后，自旋塞贝克电压都提高了2.1倍，如图12(b)和图12(c)所示 [ 53 ]。 图12. (a) 样品结构及测量装置示意图。(b) 在ΔT = 13 K和ΔT = 18 K下，bulk-YIG/Pt (5 nm)和bulk-YIG/NiFe (0.6 nm)/Pt(5 nm)的V-H曲线 [ 53 ] 图13(a)与图13(b)展示了SSE系数S与插入的镍铁合金厚度的关系。一方面NiFe的插入提高了磁矩密度，提高了磁性与非磁性部分界面处的自旋混合传导。另一方面，随着NiFe的厚度增加到0.6 nm后，自旋Seebeck系数S减小。这是因为金属部分的增厚降低了整个样品电阻，根据欧姆定律，所产生的电压降低，磁矩密度在NiFe为0.6 nm处达到饱和 [ 54 ]。对铁磁绝缘体层与重金属层之间界面上的磁矩密度的控制是提高界面自旋混合传导一个有效的方法，选择合适材料以及合适厚度的铁磁层，对自旋流的输运有着重要的影响。 图13. (a) 自旋塞贝克系数S与插入NiFe厚度的关系。(b) 改变NiFe厚度时的磁矩密度和电阻率的变化和NiFe覆盖范围示意图 [ 53 ] 5.3. 在Pt/YIG中插入薄 层 磁各向异性在确定YIG/Pt结构中的LSSE中起着重要作用。除了体(磁晶)各向异性外， YIG表面的垂直磁各向异性(PMA)也影响自旋流输运，从而影响LSSE行为。由于YIG的PMA在YIG与其它材料相接触时可能发生改变，在绝缘体(YIG)和金属(Pt)之间沉积C 60 半导体有望纠正自旋–电导失配问题 [ 28 ] [ 54 ]。自旋流在C 60 具有较长的扩散长度，大约为100 nm，有机半导体C 60 的存在可以改善YIG/Pt界面的自旋混合传导。 Das在YIG和Pt层中间插入5 nm的C 60 薄层后，YIG/Pt的LSSE电压由150 nV增加到240 nV [ 54 ]。图14(a)和图14(b)分别展示了YIG/Pt和YIG/C 60 /Pt结构在300 K时 V LSSE 的磁场依赖性。C 60 的存在极大的改善了YIG/Pt的界面质量，增大了YIG/Pt界面的自旋混合传导。YIG/C 60 /Pt和YIG/Pt之间的自旋流比为： J s Pt/C 60 /YIG J s Pt/YIG = ( 1 + ( ( G Pt/C 60 G Pt/YIG ) − 1 ) G Pt G Pt/C 60 + G Pt ) 1 cosh ( t C 60 λ C 60 ) + G C 60 ( 1 G YIG + 1 G C 60 /YIG ) ( sinh ( t C 60 λ C 60 ) ) (16) 在这里 J s 是自旋流，G是自旋流传导，λ是自旋扩散长度， t C 60 是C 60 层的厚度。 图14. (a) YIG/Pt和(b) YIG/C 60 /Pt系统中，当温度梯度为1 K时，在300 K时，LSSE电压的磁场依赖性 [ 54 ] 5.4. 在Pt/YIG中插入薄NiO层 Weiwei Lin等报道在NM/YIG界面插入NiO反铁磁层，SSE电压信号有一个巨大的提高，并且在反铁磁层Neel温度附近，所测电压信号达到最大值，如图15(a) [ 55 ]。在图15(b)和图15(c)中可以看到，由于NiO的插入，Ta/NiO/YIG中 V ISHE 的信号有了大幅度提高，但因其Ta与Pt具有相反的自旋霍尔角，Ta/NiO/YIG中 V ISHE 的信号与Pt/NiO/YIG中的相反。在这两种情况下，NiO间隔层的存在隔绝了ANE信号，而只保留SSE信号， V ISHE 信号有了极大的提升。同样将CoO反铁磁层插入Pt/YIG层中也可以观察到类似现象 [ 56 ]。 图15. (a) 热自旋输运测量示意图。(b) Pt(3 nm)/YIG、Pt(3 nm)/NiO(1 nm)/YIG和Pt(3 nm)/NiO(1 nm)/SiOx/Si逆自旋霍尔电压V与外加磁场H的函数。金属层的温度约为303 K，穿过YIG的面外温度梯度约为10 K/mm。(c) Ta(3 nm)/YIG和Ta(3 nm)/NiO(1 nm)/YIG逆自旋霍尔电压V与外加磁场H的函数 [ 55 ]