Thermoelectric Transport Phenomena in Magnetic Nanowires and Topological Micro-Ribbons

Abstract

Since its discovery, thermoelectricity has been developed and advanced as an energy conversion method. At the same time, thermoelectric measurements have also evolved as a method to investigate transport phenomena in condensed matter physics. In this thesis, studies on magnetic nanostructures as well as topological microstructures are presented, contributing to current research in the fields of spincaloritronics and topological materials by using thermoelectric characterization. The presented studies show how thermoelectric measurements can be used to investigate transport phenomena in systems with multiple, parallel transport channels, namely the spin up and the spin down channel in ferromagnetic systems and topological and non-topological transport channels in topological insulators and semimetals. For magnetic CoNi alloy and CoNi/Cu multilayered nanowires a classical, magneto-thermoelectric characterization has been conducted, revealing that thermoelectric power generation from waste heat at the nanoscale is a competitive scenario compared to conventional thermoelectric materials, because the thermoelectric power factors can compete with the power factors of conventional thermoelectric Bi--Sb--Se--Te based bulk materials. Utilizing magnetoresistance and magnetothermopower measurements on CoNi/Cu multilayered nanowires, we developed a simple model based on the Mott formula to distinguish between the absolute thermopower contribution of the magnetic nanowires and the non-magnetic, electrical leads. Our model is a virtual tool to determine the absolute thermopower contributions in an electrical measurement circuit. We further investigated the magnetic switching behavior of CoNi and NiFe alloy nanowires under the influence of a temperature gradient. We found that a temperature gradient can counteract the thermally assisted switching process in the magnetic nanowires, which reveals an engineering challenge in future heat-assisted magnetic recording devices to carefully distinguish between elevated temperatures and temperature gradients. In our magneto-transport study on HfTe5, which is a promising low-temperature thermoelectric material and has a topologically non-trivial band structure, we found that the application of a magnetic field enhances the thermoelectric power output between 150 K and 300 K, this being the temperature range relevant to thermoelectric applications of HfTe5, by up to 40 % compared to the power output at zero magnetic field. Furthermore, we observed an almost complete suppression of the magneto-thermoelectric transport for temperatures below 100 K and we introduced different possible transport mechanisms for this observation. In a bulk sample of the Weyl semimetal NbP, we investigated the band structure by magnetometry measurements and identified multiple non-topological transport channels as well as one transport channel hosting Weyl fermions. This verification of the existence of Weyl fermions at the Fermi energy of NbP set the basis for our transport studies on NbP. In a micro-structured NbP sample, we achieved a separation of the W2 Weyl cones in momentum space by a slight shift of the Fermi energy compared to the bulk sample and measured the breakdown of the chiral symmetry in the W2 Weyl cones by applying collinear magnetic and electric fields. Finally, the mixed, axial-gravitational anomaly, a breakdown of the chiral symmetry due to collinear magnetic fields and temperature gradients has been observed in NbP. Thereby, we were able to realize an experiment that remains elusive in high-energy physics.

Seit ihrer Entdeckung wird Thermoelektrizität hauptsächlich als Methode der elektrischen Energieerzeugung weiterentwickelt. Gleichzeitig haben sich thermoelektrische Messungen auch als Untersuchungsmethode für Transportphänomene in der Festkörperphysik etabliert. In dieser Arbeit werden Untersuchungen an magnetische Nanostrukturen und topologischen Mikrostrukturen vorgestellt, die zu aktuellen Fragestellungen aus der Spinkaloritronik als auch aus dem Bereich der topologischen Materialien beitragen. Die Studien in dieser Arbeit zeigen wie thermoelektrische Messungen zur Untersuchung von Systeme mit mehreren, parallelen Transportkanälen, gegeben durch den Spin-Up- und den Spin-Down-Kanal in ferromagnetischen Materialien sowie topologische und nicht-topologische Kanäle in topologischen Isolatoren und Halbmetallen, beitragen können. CoNi-Alloy- and CoNi/Cu-Multischichtnanodrähte wurden magneto-thermoelektrische charakterisiert. Wir konnten zeigen, dass unser Nanostrukturen für die thermoelektrische Energiegewinnung durch die Nutzung von Abwärme auf der Nanoskala konkurrenzfähig zur konventionellen thermoelektrischen Materialien ist, da die thermoelektrischen Powerfaktoren der Nanodrähte in der gleichen Größenordnung liegen wie die von konventionellen Bi-Sb-Se-Te-basierten Materialien. Mit Hilfe von Magnetowiderstands- und Magneto-Seebeckmessungen an CoNi/Cu-Multischichtnanodrähten wurde ein einfaches, auf der Mott Formel basierendes Model aufgestellt um zwischen den absoluten Seebeck-Koeffizienten zwischen den magnetischen Nanodrähten und der nicht-magnetischen, elektrischen Kontaktstruktur zu unterscheiden. Schließlich wurde noch das magnetische Schaltverhalten von CoNi und FeNi Nanodrähten unter dem Einfluss von Temperaturgradienten untersucht mit dem Ergebnis, dass die Temperaturgradienten dem thermisch unterstützen, magnetischen Schalten der Nanodrähte entgegenwirken kann. Es zeigt sich somit, dass bei der Konstruktion von Bauteilen zur wärmeunterstützten Magnetaufzeichnung (HAMR) sorgfältig zwischen Temperaturgradienten und erhöhten Umgebungstemperaturen unterschieden werden muss. HfTe5 ist ein vielversprechendes Material für thermoelektrische Tieftemperaturanwendungen zwischen 150 K und 300 K und hat eine topologisch nicht-triviale Bandstruktur. In unseren Magneto-Transportmessungen an HfTe5 konnten wir zum einen zeigen, dass zwischen 150 K und 300 K der thermoelektrische Power Faktor durch das Anlegen eines magnetischen Feldes um 40 % im Vergleich zum Nullfeldwert gesteigert werden kann. Zum Anderen wurde der magneto-thermoelektrische Transport für Temperaturen unter 100 K fast komplett unterdrückt. Mögliche Transportmechanismen für diese Beobachtung werden vorgestellt. In einem Bulk-Kristall des Weyl Halbmetalls NbP wurden in Magnetometrie-Messungen verschieden nicht-topologische Leitungsbänder sowie ein Weyl Band identifiziert. Der Nachweis von Weyl-Fermionen an der Fermi-Energie legt die Grundlage für unsere Transportstudien an NbP. In einer mikrostrukturierten NbP-Probe, konnten wir durch eine kleine Verschiebung des Fermi Niveaus die W2 Weyl Bänder an der Fermi-Energie separieren und den Zusammenbruch der chiralen Symmetrie in den W2 Weyl-Bändern in parallel-verlaufenden, magnetischen und elektrischen Feldern nachweisen. Schlussendlich haben wir die gemischte, axial-gravitative Anomalie, welches ein Zusammenbruch der chiralen Symmetrie in parallel-verlaufenden magnetischen Feldern und Temperaturgradienten ist, ebenfalls in einer mikrostrukturierten NbP Probe nachweisen können. Wir konnten somit ein Experiment aus der Hochenergiephysik realisieren, zu dem bisher kein experimenteller Zugang bestand.