Thermal conductance in spin caloritronics

Abstract

Spin caloritronics is a field of research that relates the interaction of the electronic spin to a heat flow in a sample. Since the magnitude of such a heat flow is only quantifiable with precise knowledge of the thermal conductivity of the sample, this thesis studies the role of the thermal conductivity in spin caloritronics. However, the 3 omega method as developed by Cahill et al. that isrncommonly used to determine the thermal conductivity in thin films is only capable of analyzing films with a thermal conductivity much lower than that of the substrate.rnThis thesis describes and applies a suitable extension of the original 3 omega method that eliminates these shortcomings. So far, determining the thermal conductivity by this extension led to large numerical uncertainties. The novel data evaluation scheme presented here is based on Bayesian statistics in order to reduce the numerical instability.rnWhile the majority of the projects within spin caloritronics considers the impact of a temperature gradient applied to a solid on the spin structure, this project analyzes the inverse question: How does a change in magnetic texture change the thermal conductivity of a material? In particular, such an effect of a magnetic field on the thermal conductivity was studied concerning thermal transport perpendicular to the film plane in La0.67Ca0.33MnO3 and in the film plane in Permalloy. In both cases the measured change in thermal conductivity inrnthe presence of a magnetic field is discussed.rnFinally, as explained, the community of spin caloritronics relies on accurate values of the thin film thermal conductivity of a number of characteristic materials. Especially Y3Fe5O12 (YIG) is studied frequently, so that as an example of particular interest the thin film thermal conductance of YIG is presented and analyzed. The methods and results presented here provide a different approach to spin caloritronic research and allow a novel path to studying thermal conductivity.

Spin-Kaloritronik ist ein Forschungsfeld, in dem die Wechselwirkung von Spin mit Wärmeströmen untersucht wird. Da die Größe solcher Ströme nur durch genaue Kenntnis der Wärmeleitfähigkeit des Materials zu untersuchen ist, beschäftigt sich diese Arbeit mit der Rolle der Wärmeleitfähigkeit im Bereich der Spin-Kaloritronik. Allerdings ist die 3-omega-Methode, wie sie von Cahill et al. etwickelt wurde, und die häufig verwendet wird um die Wärmeleitfähigkeitrndünner Filme zu bestimmen, nicht für alle erdenklichen Film-Substrat-Systeme geeignet.rnDie vorliegende Arbeit beschreibt eine geeignete Erweiterung der ursprünglichen 3-omega-Methode, die diese Mängel ausgleicht, und ihre Anwendung. Bisher war die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit durch diese Erweiterung mit großen numerischen Unsicherheiten verbunden. Das neuartige Auswertungsschema, das hier gezeigt wird, basiert auf Bayesscher Statistik, um diese Unsicherheiten zu reduzieren.rnWährend sich die Mehrzahl der Projekte in der Spin-Kaloritronik mit dem Einfluss eines Temperaturgradienten auf die Spinstruktur eines Festkörpers auseinandersetzt, analysiert diese Arbeit die inverse Fragestellung: Wie beeinflusst eine Änderung der magnetischen Struktur die Wärmeleitfähigkeit eines Materials? Insbesondere wurde ein solcher Effekt eines Magnetfeldsrnauf die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Filmebene von La0.67Ca0.33MnO3 und in der Filmebene von Permalloy untersucht. In beiden Fällen wird die gemessenernÄnderung der Wärmeleitfähigkeit in einem Magnetfeld diskutiert.rnSchließlich beruht die Spin-Kaloritronik auf präzisen Werten der Dünnfilmwärmeleitfähigkeit relevanter Materialien. Insbesondere wird Y3Fe5O12 (YIG) häufig untersucht, sodass als Beispiel von besonderem Interesse die Dünnfilmwärmeleitfähigkeit von YIG gezeigt und analysiert wird.Die vorgestellten Methoden und Ergebnisse stellen einen anderen Blick auf die Spin-Kaloritronik und einen neuartigen Zugang zur Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit dar.