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反常能斯特效應（anomalous Nernst effect，ANE）是橫向的熱電效應，即鐵磁材料在受溫度梯度影響時(shí)產(chǎn)生的一種與溫度梯度方向和自發(fā)磁化方向相垂直的電勢差。反常能斯特效應克服了正常能斯特效應需要在強磁場(chǎng)下才能實(shí)現的缺點(diǎn)，且所產(chǎn)生熱電壓方向與熱流方向相互垂直。因此，基于此效應制作的熱電模塊具有良好的延展性與方向性，在熱電器件應用方面具有獨特的優(yōu)勢（圖1a、b）。 然而，如何提升鐵磁材料中的反常能斯特效應一直是領(lǐng)域難題。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室M03組沈保根院士團隊，致力于新型永磁材料的研究。近期，該團隊與懷柔研究部HM-T03組、理論室T03組以及先進(jìn)材料實(shí)驗室等合作，對Fe-Pt系永磁薄膜中的反常能斯特效應進(jìn)行系統研究。研究表明，Fe₃Pt合金薄膜在室溫下具有反常能斯特效應（S_yx ≈ 2 μV·K^-1），約為Fe薄膜的10倍。此外，Fe₃Pt薄膜具有較大的矯頑力（HC ≈ 1300 Oe）（圖1e），在無(wú)外磁場(chǎng)下的新型熱電器件方面展示應用潛力。

該研究利用Pt 5d態(tài)與Fe 3d態(tài)之間存在的較強的共價(jià)雜化以及較強的自旋-軌道耦合作用，運用分子束外延技術(shù)（MBE）生長(cháng)了Fe₃Pt薄膜，并通過(guò)高分辨透射電子顯微鏡（STEM）對樣品進(jìn)行表征（圖2）。結果顯示了Fe₃Pt薄膜的高質(zhì)量外延生長(cháng)。此外，研究通過(guò)測量Fe₃Pt的ANE發(fā)現其反常能斯特系數S_yx相比于FePt提高了近4倍（圖1e）。為進(jìn)一步確定Fe₃Pt中的ANE是來(lái)源于橫向熱電導率α_yx的內稟性質(zhì)還是塞貝克/霍爾效應的外稟性質(zhì)，研究對縱向電阻率（ρ_xx）和縱向熱電勢，即塞貝克系數（S_xx）和反?；魻栯娮杪剩é?sub>yx），進(jìn)行測量。 研究顯示，橫向熱電導率α_yx在230K達到最大值4 A·K^-1m^-1，并在室溫時(shí)接近飽和（圖3e）。它的數值約是FePt薄膜的5倍（|α_yx| ≈ 0.8 A·K^-1m^-1），與先前所報道的Co2MnGa（|α_yx| ≈ 4 A·K-1m-1）相近，大于Fe3Al薄膜（|α_yx| ≈ 3.8 A·K-1m-1)和Co₃Sn2S₂ （|α_yx| ≈ 2 A·K^-1m^-1）。研究對電子結構和橫向熱電導率α_yx進(jìn)行了第一性原理計算（圖3a、b）。研究發(fā)現，Fe原子中的3d電子與Pt原子中5d電子之間的雜化與Fe₃Pt中較強的SOC在費米面附近的能帶形成一系列能隙，從而引入貝瑞曲率（圖3c）。這種貝瑞曲率被認為是較大ANE與橫向熱電導率的內稟來(lái)源。它的理論計算的αyx隨溫度的變化曲線(xiàn)與實(shí)驗相符（圖3e）?？蒲腥藛T總結先前工作發(fā)現，在具有大ANE的鐵磁材料中，只有Fe₃Pt展現出矯頑力（圖4a）。此外，與傳統鐵磁體進(jìn)行比較，Fe₃Pt中ANE系數隨磁化強度的變化關(guān)系處于拓撲非平庸區域（圖4b），這表明Fe₃Pt中的大ANE源于強 SOC導致的貝瑞曲率拓撲增強效應。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、科學(xué)技術(shù)部和中國科學(xué)院等的資助。該工作得到安徽大學(xué)科研人員在薄膜生長(cháng)以及北京師范大學(xué)科研人員在熱導率測量等方面的支持。

圖1. a、ANE和塞貝克效應測試示意圖；b、ANE微型熱電轉換裝置演示圖；c、FePt L1₀有序相（頂部）和Fe₃Pt L1₂有序相（底部）的晶體結構（Fe原子為藍色，Pt原子為紅色；橙色箭頭代表磁矩）；d和e、磁化強度（M）和ANE系數S_yx在室溫下隨磁場(chǎng)（μ₀H）的變化曲線(xiàn)。

圖2. a和b分別為L(cháng)12與L10相Fe₃Pt薄膜的高分辨場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡圖像，c-f分別為Mg、Cr、Pt和 Fe的EDX圖，g為L(cháng)12相Fe₃Pt成分元素空間分布圖。

圖3. a、未引入SOC的Fe₃Pt的能帶結構，紅色與藍色實(shí)線(xiàn)分別表示自旋多子與自旋少子，綠色圓圈與箭頭分別表示高對稱(chēng)線(xiàn)與點(diǎn)上的簡(jiǎn)并態(tài)；b、引入SOC后的能帶結構；c、BZ費米面上的貝瑞曲率Ω_xy（k）示意圖；d、理論計算得到的橫向熱電導率α_yx，分別在20K（紅色實(shí)線(xiàn)）、100K（橙色實(shí)線(xiàn)）和300K（綠色實(shí)線(xiàn)）下隨化學(xué)勢的變化曲線(xiàn)，黑色、藍色和橙色虛線(xiàn)分別表示μ=E-E_F=0meV、-113meV和563meV對應的能量位置；e、實(shí)驗（菱形）和計算得到的α_yx理論值（紅色曲線(xiàn)）隨溫度的變化曲線(xiàn)。

圖4. a、迄今研究的具有大ANE（|S_yx| > 1 μ V·K^-1）的鐵磁體的矯頑力H_c對比，紅色虛線(xiàn)代表磁條卡中使用的材料的矯頑力；b、鐵磁和反鐵磁材料 ANE系數（S_yx）與磁化強度（M）關(guān)系圖，黃色與藍色區域分別表示傳統鐵磁材料和拓撲增強材料。