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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-89532
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/8953/


Magneto-Thermoelectric Effects in Co/Pt Layered Systems

Magneto-Thermoelektrische Effekte in Co/Pt-Schichtsystemen

Frauen, Axel

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Basisklassifikation: 33.75 , 33.61
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Oepen, Hans Peter (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.01.2018
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 29.01.2018
Kurzfassung auf Englisch: The magnetoresistance and magneto-thermoelectric effects of Pt/Co/Pt layered systems are investigated. The wire shaped films are prepared by means of photolithography varying the cobalt thickness t_Co in the range of 0.8 nm to 50 nm. Measurements of the resistivity rho and the thermopower (Seebeck coefficient) S in dependence on external magnetic field and magnetization orientation, respectively, are performed. The thickness dependent evaluation enables to disentangle effects that are superimposed in the measurements and to correct for the shunting influence of the Pt layers on the electrical current and thermovoltage in the Co layer. The latter is essential for a quantitative determination of the genuine magnetization dependent magnitudes of the effects originating in the Co bulk and Co/Pt interfaces.
Beyond reproducing the known results of the anisotropic magnetoresistance (AMR) and anisotropic interface MR (AIMR) effects their thermoelectric analogs, namely, the anisotropic magneto-thermoelectric power (AMTEP) and the interface AMTEP are revealed whereat the latter was firstly reported in literature as part of this thesis. The existence of these effects were anticipated due to the Mott formula which describes the proportionality between the thermopower S and the electrical conductivity sigma (=1/rho if scalar) in the form of S = C * 1/sigma with C being proportional to the energy derivative of the conductivity at the Fermi energy.
The AMR and AIMR results are adapted regarding the current shunting with an existing correction model, considering the layered sample structure, yielding the genuine effect sizes. For the AMTEP and interface AMTEP another model is developed to determine the pure effect sizes in the thermopower, too. The comparison of the bulk and interface effects reveals a different scaling in the resistivity and thermopower as C_bulk non-equal C_interf. In consequence to the dependence of C on the mentioned derivative, this leads to the conclusion that in the regions where the effects originate (bulk and interface, respectively) a different electronic band structure is present.
To validate the integrity of this finding numerous additional investigations are performed, e.g., the consideration of the three dimensional temperature gradient in the sample and its impact (Nernst effects) on the thermoelectric measurements. It is found to be the source of parasitic contributions to the longitudinal thermopower which are successfully eliminated from the measurement data.
Kurzfassung auf Deutsch: Es werden die Magnetowiderstands- und magnetothermoelektrischen Effekte von Pt/Co/Pt-Schichtsystemen untersucht. Die drahtförmigen Filme werden per Photolithographie hergestellt, wobei die Cobalt-Dicke t_Co im Bereich von 0.8 nm bis 50 nm variiert wird. Der spezifische Widerstand rho und die Thermokraft (Seebeck-Koeffizient) S wird in Abhängigkeit eines externen Magnetfeldes bzw. der Magnetisierungsorientierung gemessen. Die dickenabhängige Untersuchung erlaubt es, Effekte, die in den Messungen überlagert auftreten, zu trennen und den Kurzschluss-Einfluss der Pt-Schichten auf den elektrischen Strom und die Thermospannung in der Co-Lage zu korrigieren. Letztgenanntes ist unerlässlich für eine quantitative Bestimmung der unverfälschten magnetisierungsabhängigen Größen der Effekte, welche im Co-Volumenfestkörper und den Co/Pt-Grenzflächen ihren Ursprung finden.
Neben der Reproduktion der bekannten Ergebnisse des anisotropen Magnetowiderstandseffekts (AMR) und des anisotropen Grenzflächen-Magnetowiderstandseffekts (AIMR) werden deren thermoelektrischen Gegenstücke, der anisotrope Magneto-Thermokrafteffekt (MTEP) und anisotrope Grenzflächen-Magneto-Thermokrafteffekt (interface AMTEP), aufgedeckt, wobei der letztgenannte erstmalig im Rahmen dieser Arbeit in der Literatur veröffentlicht wurde. Die Existenz besagter Effekte wurde anhand der Mott-Formel erwartet, welche die Proportionalität zwischen Thermokraft S und der elektrischen Leitfähigkeit sigma (=1/rho falls skalar) in der Form S = C * 1/sigma beschreibt. C ist dabei proportional zur Ableitung der spezifischen Leitfähigkeit nach der Energie an der Fermi-Energie.
Die AMR- und AIMR-Ergebnisse werden bezüglich des Kurzschluss-Einflusses auf den Strom mit einem bestehenden Korrekturmodell, welches das Schichtsystem berücksichtigt, angepasst, was zu den unverfälschten Effektgrößen führt. Für den AMTEP und den Grenzflächen-AMTEP wird ein weiteres Modell entwickelt um auch für die thermoelektrischen Messungen die reinen Effektgrößen zu bestimmen. Der Vergleich der Volumenfestkörper- und Grenzflächeneffekte enthüllt eine unterschiedliche Skalierung in Widerstands- und thermoelektrischen Messungen, da C_bulk ungleich C_interf. beobachtet wird. Wegen der Abhängigkeit von C von der vorher erwähnten Ableitung führt dies zu dem Schluss, dass in den Entstehungsgebieten (Volumenfestkörper bzw. Grenzflächen) der Effekte eine unterschiedliche elektronische Bankstruktur vorliegt.
Um die Aussagekraft dieses Ergebnisses zu verifizieren, werden zahlreiche zusätzliche Untersuchungen durchgeführt, z. B. die Berücksichtigung des dreidimensionalen Temperaturgradienten in der Probe und dessen Einfluss (Nernst-Effekte) auf die thermoelektrischen Messungen. Es wird festgestellt, dass dieser die Quelle parasitärer Beiträge zur Längs-Thermokraft darstellt, welche erfolgreich von den Messdaten entfernt werden können.

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