Authors:	Kehlberger, Andreas
Title:	Origin of the spin Seebeck effect
Online publication date:	16-Nov-2015
Year of first publication:	2015
Language:	english
Abstract:	Der Spin Seebeck Effekt repräsentiert einen neuartigen Spin kalorischen Effekt mit vorteilhaften und aussichtsreichen Eigenschaften für Anwendungen in den Gebieten der Spintronik und Thermoelektrik.rnIn dieser Arbeit präsentieren wir eine umfangreiche Untersuchung des Spin Seebeck Effekts in isolierenden, magnetischen Granaten und geben Antworten zum kontrovers diskutierten Ursprung des Effekts. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir die Abhängigkeit des Spin Seebeck Effekts von der Dicke des Ferromagneten, der Temperatur, der Stärke des magnetisches Feldes, der Grenzflächen und des Detektormaterials, sowie Kombinationen dieser Parameter gemessen. Im Zuge dessen haben wir das Wachstum der untersuchten magnetischen Granate optimiert und eine umfassende Analyse der strukturellen und magnetischen Parameter durchgeführt, um Einflüsse der Probenqualität auszuschließen. Des Weiteren zeigte eine Untersuchung des magnetoresistiven Effekts, welcher als mögliche Ursache des Effekts galt, in Kombination mit einer Studie des Messaufbaus, dass parasitäre Einflüsse auf das Messergebnis ausgeschlossen werden können. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Spin Seebeck Effekt mit zunehmender Dicke des Ferromagneten eine Sättigung des Signals aufweist. Diese hängt zudem von der Temperatur ab, da mit abnehmender Temperatur die Sättigung erst bei dickeren Filmen auftritt. Außerdem fanden unsere Messungen ein Maximum des Spin Seebeck Effekts für Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur, welcher sowohl von der Dicke des Materials als auch der Magnetfeldstärke und dem Detektormaterial beeinflusst wird. In Messungen bei hohen magnetischen Feldstärken beobachteten wir eine Unterdrückung des Messsignals, dessen Ursache mithilfe von Simulationen auf den magnonischen Ursprung des Spin Seebeck Effekts zurückgeführt werden kann. Dies unterstreicht, dass der Effekt auf vom Ferromagneten emittierten Magnonen basiert. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit präsentieren wir Messungen in einem bislang nicht untersuchten ferrimagnetischen Material, welche zwei Vorzeichenwechsel des Spin Seebeck Effekts als Funktion der Temperatur aufzeigen. Dieses bisher unbekannte Signalverhalten betont, dass der Effekt aus einem komplexen Zusammenspiel der magnonischen Moden resultiert und zusätzlich vom Detektormaterial abhängt.rnSomit tragen unsere Ergebnisse und Beobachtungen im hohen Maße zur Beantwortung der Frage nach dem Ursprungs des Spin Seebeck Effekts bei und zeigen neuartige bisher nicht beobachtete Effekte, welche ein neues Kapitel für das Gebiet der Spin Kaloritronik eröffnen. The spin Seebeck effect presents a novel spin caloric effect which possesses promising properties for spintronic and thermoelectric applications. Currently the effect leaves open questions about its origin and dependences.rnIn this thesis, we present a comprehensive study of the spin Seebeck effect in insulating magnetic garnets providing answers to its controversially discussed origin. To fulfill this task we probed the dependence of the spin Seebeck effect on the thickness of the ferromagnetic material, the temperature, the magnetic strength field, the interface and the detection material as well as combinations of the afore mentioned parameters. In order to be able to exclude influences of the insufficient sample material quality, we optimized the growth of investigated magnetic garnets and performed a comprehensive analysis of the crystalline and magnetic material parameters. Furthermore the magnetoresistance of the detection layer, previously claimed to be the origin of the effect, has been determined and a systematic study of the self-designed and constructed setups is presented to rule out parasitic signal contributions. Thus our experimental results are of high quality and show a characteristic saturation of the spin Seebeck effect with increasing thickness of the used ferromagnetic material. The observed saturation additionally depends on the temperature as the length scale increases with decreasing temperature. Further temperature dependent studies reveal the occurrences of a thickness, temperature, and magnetic field dependent peaking of the spin Seebeck effect signals, which also can be shifted to different temperatures by the detector material. For measurements performed at high magnetic fields we find a suppression of the spin Seebeck signals. Our observed signal features are in agreement with the results of numerical simulations of a magnon based spin Seebeck effect, highlighting that the spin Seebeck effect is based on magnonic spin currents emitted by the bulk of the ferromagnetic material. In the last part of this thesis we present measurements in a so far not investigated ferrimagnetic material, revealing two sign changes of the spin Seebeck effect as a function of temperature. These novel signal features highlight that the spin Seebeck effect originates from a complex interplay of the magnonic modes of the material, strongly depending on the detection material.rnThereby our results and findings are able to a provide valuable answers to the origin of the spin Seebeck effect and reveal novel, so far unknown effects, opening up a new interesting chapter for the field of spin caloritronics.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1280
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-41928
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen