Magneto-thermopower and Magnetoresistance of Co-Ni Alloy and Co-Ni/Cu Multilayered Nanowires.

Abstract

The relationship of the magneto-thermopower and the anisotropic magnetoresistance/giant magnetoresistance (AMR/GMR) is investigated on individual Co-Ni alloy and Co-Ni/Cu multilayered nanowires. A simple model is developed to distinguish the absolute thermopower contributions without relying on literature values. A versatile measurement setup is developed for the thermoelectric characterization of electrochemically deposited nanowires. The measured thermopowers and electrical resistivities match reasonably well to those reported in the literature for bulk Co-Ni alloys and GMR thin films. The Co-Ni alloy composition is varied and AMR values as high as -6 % are measured at room temperature (RT). The multilayered nanowires with varying thickness of the Cu layers show typical current-perpendicular-to-plane GMR effects of up to -15 % at RT. A linear dependence between thermopower and electrical conductivity—with the magnetic field as an implicit variable—is found over a wide temperature range (50 K to 325 K). This observation is in agreement with the Mott formula under the assumption of a magnetic field independent thermopower offset, which is related to the absolute Seebeck coefficient of the contact materials. Utilizing this relation, the absolute thermopower and the magneto-thermopower of the nanowires are determined and equal absolute values of magnetoresistance and magneto-thermopower follow. This simple model is tested with different contact materials and compared to the absolute thermopower reported in the literature. Accordingly, the magnetic field independent energy derivative of the resistivity from the Mott formula is calculated. By changing the composition of the Co-Ni alloy, the thermoelectric power factor is increased by a factor of two as compared to the Ni nanowire. This can be further enhanced by 24 % in perpendicular magnetic fields. The multilayered nanowires show smaller power factors, but are still competitive with high performance thermoelectric nanowires, which might pave the way for energy harvesting applications in the future.

Die Beziehung zwischen Magneto-Seebeck Effekt und Anisotropen- bzw. Riesenmagnetowiderstand (AMR bzw. GMR) wird an einzelnen Co-Ni legierten und Co-Ni/Cu Multischicht Nanodrähte untersucht. Ein einfaches Modell wurde entwickelt, um die absoluten thermospannungsbeiträge ohne Verwendung von Literaturwerten zu unterscheiden. Ein vielseitiger Messaufbau für die thermoelektrische Charakterisierung von elektrochemisch abgeschiedenen Nanodrähten wurde entwickelt. Die gemessenen Seebeck-Koeffizienten und elektrischen Widerstände passen gut zu den Literaturwerten für Bulk Co-Ni-Legierungen und GMR dünnen Filmen. Die Co-Ni Zusammensetzung wurde variiert und AMR Werte bis zu -6 % bei Raumtemperaturen (RT) gemessen. Die mehrschichtigen Nanodrähte mit unterschiedlicher Cu Schichtdicke zeigen typische GMR Effekte von bis zu -15 % bei RT mit dem Stromfluss senkrecht zur Schichtebene. Eine lineare Abhängigkeit zwischen Seebeck-Koeffizient und spezifischer Leitfähigkeit mit dem Magnetfeld als implizite Variable wurde über einen weiten Temperaturbereich (50 K bis 325 K) gefunden. Diese Beobachtung steht in Übereinstimmung mit der Mott Formel unter der Annahme eines vom Magnetfeld unabhängigen Thermospannungs-Offsets, der mit den absoluten Seebeck-Koeffizienten der Kontaktmaterialien verknüpft ist. Mit Hilfe dieser Beziehung können die absoluten Seebeck-Koeffizienten und der Magneto-Seebeck Effekt der Nanodrähte bestimmt werden und es folgen gleich große Beträge von Magneto-Seebeck Effekt und Magnetowiderstand. Dieses einfache Modell wird an unterschiedlichen Kontaktmaterialien getestet und mit absoluten Seebeck-Koeffizienten aus der Literatur verglichen. Die Magnetfeld unabhängige Ableitung des spezifischen Widerstands nach der Energie wird dementsprechend aus der Mott Formel berechnet. Durch Verändern der Co-Ni Zusammensetzung verdoppelt sich der thermoelektrische Powerfaktor verglichen mit dem Wert des Ni Nanodrahtes. Eine Erhöhung um weitere 24 % ist in senkrechten Magnetfeldern möglich. Obwohl die multischichtigen Nanodrähte kleinere Powerfaktoren zeigen, sind diese dennoch mit Nanodrähten aus thermoelektrischen Hochleistungsmaterialien Vergleichbar, diese Erkenntnis könnte zukünftig zur Anwendung in der Energiegewinnung führen.