Science：热电新突破，废热驱动电子器件工作！

纳米人

2019-03-09

第一作者：Cody Friesen

通讯作者：Stefan Krause

通讯单位：University of Hamburg

研究亮点：

1. 在原子尺度解析了隧道磁塞贝克效应。

2. 实现了一种废热驱动的自旋探测器。

电子器件中的废热问题

自旋电子器件中的有源元件必须按比例缩小到越来越小的尺寸，从而产生更高的电荷和自旋电流密度。同时，产生大量对电器件有害的废热。近来，实验和理论研究表明，废热未来可以用于节能设备中，譬如利用废热发电，传感或计算。

什么是塞贝克效应

谈到热电转换，就不得不提到塞贝克效应。塞贝克效应又称为“第一热电效应”，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。自旋电子器件两端会产生温差，因此可基于塞贝克效应产生电压。如果在磁隧道结（两个被绝缘隧道势垒隔开的磁化层）上施加热梯度，产生的电压的大小取决于两个磁化层中磁化的相对取向。

本研究拟探索的问题

目前，这种磁-塞贝克隧道效应的传输测量通常仅显示器件上的平均信号，无法获取原子尺度精确的信号，不利于自旋电子器件热电转换的进一步发展。

成果简介

有鉴于此，德国汉堡大学物理系Cody Friesen和Stefan Krause团队在成功在原子尺度解析了隧道磁塞贝克效应，提出了一种废热驱动的自旋探测器。

图1. 实验方法

要点1：原子尺度信号测量

1. 温度梯度驱动下，自旋极化电子在磁隧道结中的遂穿是热控制电子自旋运输领域的基本过程。作者在极低温度下将磁性探针尖端靠近磁性样品，以真空作为遂穿势垒，研究了隧道磁塞贝克效应在原子尺度下的细节。在加热尖端、测量磁隧道结热电势的同时，对样品的自旋纹理进行扫描，获得了自旋分辨的塞贝克系数，实现了在原子级横向分辨率下的成像。

图2. 隧道磁塞贝克系数的确定

要点2：原子尺度信号测量

在此基础上，作者提出了一种纯废热驱动的自旋探测器。他们利用隧道磁塞贝克效应将自旋信息转换为可供数据处理的电压。这种读取元件可以深深地嵌入三维集成电路，不需要使用电源，也不会产生废热。

小结

总之，这项成果使高效自旋电子器件能够回收废热，驱动原子级读取元件，以检测单个磁畴，畴壁或晶体，为节能电子器件的发展提供了更多新的思路。

参考文献：

Friesen C, Osterhage H, Friedlein J, et al. Magneto-Seebeck tunneling on the atomic scale. Science, 2019.

http://science.sciencemag.org/content/363/6431/1065