強磁性半導体超薄膜におけるスピン依存熱電効果

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近年に磁性材料と半導体材料の特長を融合できる新材料として強磁性半導体は大変注目されている。強磁性半導体においては、通常の半導体と異なり、スピンに依存する様々な熱電効果存在する。強磁性半導体におけるスピン依存熱電効果を利用すれば、従来の半導体よりも性能が格段に高い熱電材料が開発でき、高性能な熱電素子に応用できると期待されている。そこで、本研究では、常温でも強磁性が発現できる(InFe)Sb鉄系強磁性半導体薄膜を対象にスピン依存熱電効価の評価を行った。MBE法で製膜した(InFe)Sb薄膜に対して、面内スピン依存熱電効果の評価を行った。その結果、熱電の横方向電圧が面内磁化に対して、偶関数の振る舞いを示したことを観測した。また、熱電の横方向電圧の磁化方向の角度依存性および温度依存性を系統的に調べた。その結果、(InFe)Sbの薄膜の面内スピン依存熱電効果がプラナーネルンスト効果によって発生することを確認した。観測したプラナーネルンスト効果を理論的に解析するために、面内スピン依存熱伝導と面内スピン依存電気伝導現象の間にモット関係が成り立つことを仮定し、横方向熱電係数Sxyとプレナーホール抵抗率ρxyの関係を定式化した。この関係が成り立つことを証明するために、同じ(InFe)Sbの薄膜に対して、プラナーホール効果の磁化依存性および温度依存性も測定した。得られた横方向熱電係数Sxyとプレナーホール抵抗率ρxyをモット関係から導出した式で定量的に説明可能であることを明らかにした。これにより、面内スピン依存熱伝導と面内スピン依存電気伝導現象の間にモット関係が成り立つことを世界で初めて成功した。以上の研究成果が鉄系強磁性半導体のスピン依存熱電現象の評価技術や初期なデータとして貴重であり、今後の鉄系強磁性半導体のスピン依存熱電デバイスに貢献できる。