二维材料中的热致自旋输运研究

Spintronics has attracted a large amount of interest in condensed matter physics research since it is proposed. Motivated by the discovery of new physical effects, the study of the interaction of spin transport with the heat current becomes an active and attractive field which is called spin caloritronics. Spin caloritronics does not only have the depth in the basic physics research but also hold vast potential in the application of spintronics devices and strategies to improve the performance of the thermoelectric devices..This project will mainly implement magnetic proximity effect to introduce magnetic exchange field in single-layer two-dimensional (2D) materials. By studying the spin Seebeck effect in 2D materials, magnetic proximity effect induced spin polarization, spin-related scattering mechanism and heat driven spin transport properties of the 2D materials will be explored. Low temperature magneto-transport and variable temperature thermal spin transport measurement will be used to study the transport and the thermal spin transport properties of the devices. The dependence of the spin Seebeck coefficient on temperature, the magnitude and direction of the magnetization in the ferromagnetic insulator, and so on will be focused on. The research based on these studies will lay the foundation for the study of the spin caloritronics in 2D materials and pave the way for the potential applications in spin caloritronics and thermoelectrics.

自旋电子学的概念自提出至今一直是凝聚态物理研究的热点。随着新的物理效应的发现，器件中伴随着热输运的自旋输运现象越来越受到关注和研究，被命名为自旋卡诺电子学。自旋卡诺电子学不仅具有基础物理研究的意义，而且在自旋电子学的器件应用及提升热电器件性能的研究中有很大的潜力。. 本项目将主要运用磁近邻效应在单层二维材料中引入磁交换场。通过研究二维材料中的自旋塞贝克效应，探索二维材料中由磁近邻效应引起的自旋极化、自旋相关的散射机制及热输运驱动的自旋输运性质。本项目将采用低温磁输运和变温热致自旋输运等方法研究器件的输运和热致自旋输运性质。重点研究二维材料中自旋塞贝克系数对温度、铁磁绝缘体衬底的磁化强度和方向等的依赖关系，为二维材料中自旋卡诺电子学的研究和潜在应用奠定基础。

利用温度梯度驱动自旋流动是现在自旋电子学研究方向的一个热点，被称为自旋卡诺电子学。研究其物理起源和探索相关的应用是自旋卡诺电子学的重点。目前对自旋卡诺电子学的研究集中在铁磁体（导体或绝缘体）和金属构成的体系中。由于金属沟道存在难以调控以及自旋弛豫时间过短的问题，本项目提出利用二维材料作为沟道，通过磁近邻相互作用利用铁磁绝缘体引入磁化。研究内容包括：1.制备高质量的铁磁绝缘体/二维材料器件；2.运用低温磁输运和变温热电输运等手段研究器件的输运和热致输运，尤其是热致自旋输运性质。研究重要结果包括：1.利用自主设计搭建的手套箱内高精度范德瓦尔斯转移系统制备了高质量的铁磁绝缘体/石墨烯器件。通过低温磁输运，我们观测到了非常明显的反常霍尔效应。这一反常霍尔效应的符号可以通过栅压有效的调节；2.研究了拓扑半金属和节线半金属的热电性质。我们在节线半金属Nb3SiTe6中发现了栅压可调的热电响应。在大载流子浓度的情况下，由于多能带填充的原因，带间散射使热电系数增大，样品表现出极大的power factor。在II型Weyl半金属TaIrTe4中，我们观测到了随温度变化的霍尔系数和热电系数的符号变化。通过变温多带拟合以及与理论计算的对照，我们确认了体系存在由温度引起的费米面移动以及由此造成的Lifshitz相变。3.为了测量器件的热电响应，我们着重研究了二维器件在有衬底情况下的温度梯度分布问题。利用热电器件结构进行输运和热反射率的测量，我们确认在有衬底情形下，系统的温度梯度分布不是常数，而是随着到加热丝的距离线性下降的。4.我们还与合作者一起研究了一种透明的钙钛矿薄膜。这种通过高气压磁控溅射生长的薄膜具有高迁移率和高载流子浓度，同时适合大面积生长，可以用于透明电子器件。本项目研究对二维材料的热电性质，热电输运和热电自旋输运测量等有很大的帮助。