Spin seebeck effect in magnetite nanostructures

Resumen

En los últimos años, la generación de corrientes de espín ha sido un campo de estudio científicamente muy activo. El descubrimiento del efecto Seebeck de espín en 2008 realizado por K. Uchida et al. incrementó el interés de la comunidad científica sobre las posibilidades emergentes en áreas como la generación de energía eléctrica por medio de la termoelectricidad o el sensado de temperaturas, además de las nuevas posibles aplicaciones en manipulación y control de corrientes de espín. El descubrimiento de este nuevo efecto muestra un gran potencial de aplicaciones en el campo de la espintrónica, ya que permite generar corrientes de espín directamente a partir de calor y ha demostrado ser una propiedad universal de los materiales magnéticos: metales, semiconductores y aislantes. Una de las estrategias más exitosas adoptada para estudiar el efecto Seebeck de espín consiste en el uso de películas delgadas magnéticas. Trabajos previos han utilizado satisfactoriamente películas delgadas y muestras masivas de materiales como el granate de itrio y hierro (Y3Fe5O12) o permalloy. La magnetita es un candidato excelente para el estudio del efecto Seebeck de espín, ya que es un óxido ferromagnético con una alta temperatura de Curie (858 K); además, presenta un comportamiento de semimetal con un ancho de banda prohibido entre la subbanda mayoritaria y minoritaria de espines de 0.5 eV con una polarización de espín del 100% a la energía de Fermi. Una polarización de espín alta es de capital importancia, ya que el el voltage generado en el efecto Seebeck de espín es proporcional a la polarización de espín de la capa magnética. El objetivo de esta tesis es el estudio de los principios físicos del efecto Seebeck de espín por medio del uso de nanoestructuras basadas en películas delgadas de magnetita/platino, su optimización y la fabricación de dispositivos para generación de energía eléctrica a partir de calor por medio de estas nanoestructuras. En una primera fase, se diseñó, fabricó y calibró un sistema versátil de medida apto para estudiar las propiedades termoeléctricas y termomagnéticas de estas nanoestructuras. Este proceso se describe en más detalle en el capítulo 2 y comprende el desarrollo tanto del sistema físico de medida como de los programas informáticos, así como el estudio sistemático de las variables de control involucradas en las medidas. El capítulo 3 incluye una descripción completa de la caracterización de las propiedades físicas fundamentales de la magnetita, incluyendo propiedades estructurales, magnéticas, térmicas y de transporte tanto en películas delgadas como en sistemas masivos. El proceso de crecimiento de estas películas delgadas ha sido también un tema de estudio en este capítulo. El capítulo 4 aborda el estudio del efecto Seebeck de espín en bicapas magnetita/metal pesado centrándose en el análisis de la influencia de los parámetros más relevantes para el efecto Seebeck de espín: el sustrato, el espesor de las películas de magnetita y metal y la elección del metal. Estos resultados ayudarán a revelar la naturaleza del efecto Seebeck de espín en nanoestructuras basadas en magnetita. El capítulo 5 se centra en el estudio del efecto Seebeck de espín en heteroestructuras basadas en películas delgadas. Se han estudiado estructuras apiladas de bicapas magnetita/platino y se ha interpretado el rol de las corrientes de espín por medio de otros experimentos como la sustitución de una capa metálica por una de óxido de magnesio con el fin de suprimir la corriente de espín que atraviesa la estructura. Además, se ha estudiado el efecto Seebeck de espín en tricapas con la forma magnetita/platino/magnetita dependiendo del espesor de la capa metálica intermedia. También se ha abordado el diseño y fabricación de dispositivos basados en termopilas centrándose en su eficiencia para la generación de energía.