Magneto-Seebeck tunneling across a vacuum barrier

Abstract

In this thesis spin-polarized scanning tunneling microscopy, combined with scanning tunneling potentiometry, was used to study magneto-Seebeck tunneling at an atomic scale. For our experiments, we used a homebuilt scanning tunneling microscope, mounted on an eddy-current damping stage inside of an ultra-high vacuum chamber system. Both the tip and the sample were simultaneously cooled using a helium flow cryostat, allowing for equilibrium measurements. A temperature gradient between the tip and sample was then created using an external diode laser with variable power. Numerical modeling was used to determine the temperature gradient from the linear thermal tip expansion. A lock-in amplifier was used to measure the differential conductance, which was used as a feedback signal to maintain the tip-sample separation, and a separate DC bias feedback loop compensated for any DC tunneling current, thus measuring the potential across the tunneling junction.

This potentiometry measurement was used to predict the values of the Seebeck coefficient S. The predictions were supported by means of IV spectroscopy. If the probe tip is heated with the laser, the resulting thermal voltage can be measured directly. The corresponding (magneto-)Seebeck coefficients were thus determined on different magnetic surfaces with spin-averaged and spin-resolving tips.

The measured S values exhibited a dependence on the relative magnetization of the measurement tip and the sample. With a periodicity of 1 nm, this effect was also measured in a nanoskyrmion lattice of a Fe single layer on Ir(111) to emphasize the achievable resolution of the experimental method.

In dieser Arbeit wurde spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie in Kombination mit Rastertunnelpotentiometrie verwendet, um den Magneto-Seebeck-Tunneleffekt auf atomarer Skala zu untersuchen. Die Experimente wurden mit einem Rastertunnelmikroskop durchgeführt, welches sich auf einem wirbelstrombasierten Dämpfungstisch in einem Ultra-Hochvakuum-System befindet. Die Kühlung von Sondenspitze und Probe erfolgte mithilfe eines Helium-Durchfluss-Kryostats, was Messungen im thermischen Gleichgewicht ermöglichte. Für die Erzeugung eines Temperaturunterschieds zwischen Sondenspitze und Probe wurde ein externer Diodenlaser mit variabler Leistung verwendet. Der generierte Temperaturgradient wurde mithilfe numerischer Berechnungen der linearen thermischen Ausdehnung der Messspitze ermittelt. Durch einen Lock-in-Verstärker wurde der differentielle Leitwert bestimmt, welcher als Feedback-Signal für den Abstand zwischen Messspitze und Probe diente. Ein Gleichspannungs-Regelkreis kompensierte Gleichstromanteile im Tunnelstrom und zeichnete so den Spannungsabfall am Tunnelkontakt auf.

Diese Potentiometriemessung wurde verwendet, um die Werte des Seebeck-Koeffizienten S vorherzusagen. Die Vorhersagen wurden durch mittels IV-Spektroskopie unterstützt. Wird die Sondenspitze mit dem Laser erwärmt, kann die entstehende Thermospannung direkt gemessen werden. Die entsprechenden (magneto-)Seebeck-Koeffizienten wurden so auf verschiedenen magnetischen Oberflächen mit spin-gemittelten und spin-auflösenden Spitzen bestimmt.

Der gemessene S-Wert zeigte eine Abhängigkeit von der relativen Magnetisierung von Sondenspitze und Probe. Mit einer Periodizität von 1 nm wurde dieser Effekt auch in einem Nanoskyrmionen-Gitter einer Fe-Einzelschicht auf Ir(111) gemessen, um die hohe Ortsauflösung der experimentellen Methode zu unterstreichen.