磁性微纳结构中的自旋塞贝克效应与热电性质研究

The recently discovered spin Seebeck effects may have potential applications in thermal control and thermoelectric energy conversion of micro- and nano-scale. Therefore it is necessary to study thermal transport and spin transport in magnetic micro- and nanostructures. This project is thus devoted to study of thermal transport and spin transport properties in magnetic micro- and nanostructures based on the nonequilibrium Green's function, quantum master equations etc. (1) Firstly we will study the difference of several approaches that describe the thermoelectric performance of magnetic quantum dot/single molecular magnets. We will also consider the maximal thermoelectric output power, the corresponding efficiency, and effects of electron correlation on thermoelectric performance as well. (2) Next, we will investigate thermal spin injection through interfaces between metal and magnetic materials, and discuss effects of interface properties on spin accumulation as well as rectification of spin current. (3) Finally, we will explore thermoelectric energy conversion processes in interfaces between normal metal and ferromagnetic metals, and discuss effects of size, strength of spin-orbital coupling, and defects on thermoelectric properties as well as the ways to enhance the thermoelectric figure of merit. Through these studies, we expect to uncover the effects of spin or magnetic properties on thermoelectric properties in magnetic micro- and nanostructures so as to enhance the thermoelectric performance, and thus pave the way for the application of spin Seebeck effects in heat management of micro- and nano-scale electronics and in thermoelectric energy conversion.

在微纳尺度上的热电能转换和热控制方面，最近发现的自旋塞贝克效应具有重要的应用前景，因此，研究磁性微纳结构中的热输运与自旋输运十分必要。本项目拟采用非平衡Green函数与量子主方程等方法开展以下研究：（1）探讨磁性量子限制结构（量子点与单分子磁体）中几种描述热电性能方式的异同，研究远离平衡条件下最大热电输出功率与效率的关系，以及电子关联效应对热电性能的影响;（2）研究金属/铁磁材料界面上的自旋热注入问题，探讨界面属性对自旋堆积的影响和自旋流整流效应；（3）研究金属/铁磁材料界面结构中的热电转化过程，探讨尺寸效应、自旋轨道耦合强弱、缺陷等因素对热电性质的影响和热电性能的优化方式。本项目的研究旨在揭示磁性微纳结构中自旋属性或磁效应对热电性质的影响，从而提高热电转化性能，为自旋塞贝克效应在微纳电子学中的热管理与热电能量转化方面的应用提供理论依据。

在微纳尺度上的热电能转换和热控制方面，最近发现的自旋塞贝克效应具有重要的应用前景，因此，研究磁性微纳结构中的热输运与自旋输运十分必要。本项目就此开展了以下几方面的研究：（1）探讨了磁性电极/量子点/常规电极中自旋依赖的塞贝克效应，研究了磁性对热电输出功率与效率的影响。磁性体系中会同时存在三种流：热流、电荷流与自旋流。此时，热电ZT优值可用几种方式去描述，例如可施加自旋流为零或者自旋偏压为零的限制条件。结果表明磁性电极会同时降低功率因子与效率，因而，磁性结构不一定能提高热电性能。..（2）研究了金属/铁磁材料界面上的自旋热注入问题和热电转化问题。在铁磁绝缘体和常规金属构成的纵向自旋塞贝克效应中，电功率或电压的产生可视为由两步构成。首先，由铁磁绝缘体与金属间的温差产生自旋流抽运到金属中；其次，自旋流通过逆自旋霍尔效应转化为电荷流。本课题分别讨论了两个过程中的效率问题。结果显示热流转化为电功率的效率一般很低，数量级估计为卡诺效率的十的负四次方倍，如何提高转化效率将是今后要克服的难题。..（3）利用时间反演对称破缺是一种优化热电性能的新方式，本课题研究了时间反演对称破缺量子点环路中的热电性能。研究显示在非线性响应区，引入磁通后（时间反演对称破缺），电流会呈现整流效应，效率与热电功率也会变得不对称。此外，破坏时间反演对称性可以提高最大效率，但却会降低最大功率。..（4）本课题还探讨了新型材料硅烯中电子的热霍尔效应。结果显示在磁场作用下，横向热导率可达到十的负三次方瓦特/(米·开)，这与最近测得的多铁材料中的横向热导率相近。此外，热导率峰值随磁场增加而变大，而随温度的升高减小。这对基于硅烯的自旋热电子学研究有借鉴作用。..本项目的研究揭示了微纳结构中自旋属性或磁效应对热电性质的影响，为自旋塞贝克效应在微纳电子学中的热管理与热电能量转化方面的应用提供了依据。