无序CoPt薄膜中的巨大异常能斯特效应用于平面热电传感

《Advanced Electronic Materials》：Large Anomalous Nernst Effect in Disordered CoPt Thin Films for Planar Thermoelectric Sensing

　　

异常能斯特效应（ANE）可将热梯度转换为横向电场，为平面热电器件和微尺度热通量传感器提供了有前景的途径。在本研究中，研究人员系统地研究了沉积在石英玻璃基底上的Co_1?xPt_x薄膜中ANE和热输运的组分依赖性。观察到横向热电功率（S_ANE）具有很强的组分依赖性，从0.33 μV K^?1显著增强十倍至3.22 μV K^?1。相应的横向热电常数（α_xy）达到了5 A m^?1 K^?1，紧密遵循与异常霍尔电导率（σ_xy）类似本征的标度行为。通过调节Pt浓度，研究人员实现了|α_xy|/|σ_xy|比值接近在拓扑磁体中观察到的已知k_B/e基准的显著比率。ANE灵敏度（E/J_Q）在x = 50%时表现出最大值0.3 μm A^?1，伴随着约10 W m^?1 K^?1的降低热导率（κ）。研究结果表明，无序CoPt薄膜可以同时实现低κ和大本征ANE响应，突出显示了无序或部分结晶结构能够维持强的横向热电输运，并且是用于高灵敏度热电和热通量传感应用的有前景候选材料。

**论文解读：无序CoPt薄膜中的巨大异常能斯特效应及其在平面热电传感中的应用**

**研究背景、问题与意义**
热能向电能的转换是自旋电子学中一个活跃的前沿领域。异常能斯特效应（ANE）通过自旋依赖的输运现象将热流直接转化为横向电场，这种横向构型简化了器件结构，使ANE材料特别适用于片上热通量传感器和微尺度热电能量收集器。ANE的强度和符号不仅受磁化强度控制，还受电子能带的贝里曲率（Berry curvature）调控，后者在动量空间中充当有效磁场。因此，具有强自旋-轨道耦合（SOC）和可调能带拓扑的材料成为热电转换的重要平台。含重元素（如Pt或Pd）的铁磁过渡金属合金因可通过调节SOC强度来操控磁晶各向异性和贝里曲率分布而备受关注。在Co-Pt等体系中，Pt不仅增强SOC，还通过电子掺杂将费米能级移向高贝里曲率区域，同时稀释Co或Fe的磁矩，形成磁化强度减小与本征横向响应增强之间的竞争。然而，尽管对L1₀有序Fe–Pt和Co–Pt薄膜已有大量研究，组分调控和无序相对ANE和热导率（κ）的影响仍未被充分理解。已有少数关于无序或非晶态材料的研究表明，短程有序和局域对称性破缺可以在缺乏长程有序的情况下维持显著的贝里曲率和大的横向热电常数（α_xy）。因此，有必要系统探索无序CoPt薄膜中ANE的组分依赖性，并评估其在热电传感应用中的潜力。该研究发表在《Advanced Electronic Materials》期刊上。

**主要关键技术方法**
研究人员采用直流磁控共溅射法在石英玻璃基底上制备了SiN(10 nm)/Co_1?xPt_x(20 nm)/SiN(5 nm)三层结构薄膜，通过独立调节Co和Pt靶的溅射功率实现Pt浓度从0到95 at.%的系统变化。利用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）及选区电子衍射（SAED）进行结构表征；使用振动样品磁强计（VSM）测量面内磁滞回线；通过霍尔条图案和微加热器构型测量纵向电阻率（ρ_xx）、异常霍尔电阻率（ρ_xy）、塞贝克系数（S_xx）以及异常能斯特电压；采用热通量法评估ANE灵敏度（E/J_Q）和热导率（κ）。所有薄膜均为沉积态，未经后退火处理。

**研究结果**
**3.1 结晶学演化和磁性质**
XRD结果显示，低Pt浓度（x<20%）时仅观察到底物非晶散射，表明缺乏长程晶序。随Pt浓度增加，在2θ≈41°处出现对应于面心立方（fcc）CoPt(111)反射的衍射峰，峰位向低角度偏移，表明晶格膨胀。半高宽（FWHM）从Pt 35%时的1.10°减小到60%时的0.38°，对应晶粒相干长度从约7.7 nm增至22.3 nm；Pt浓度高于60%时晶粒尺寸非单调变化（约14–18 nm）。TEM和SAED对Co_0.5Pt_0.5样本的进一步分析确认了化学无序A1型fcc CoPt相的形成，未见L1₀有序相反射。面内磁滞回线显示，纯Co的饱和磁化强度（M_S）为1300 emu/cm³，随Pt增加线性下降，接近纯Pt时趋近于零；矫顽力（H_c）整体较小，与沉积态无序结构一致。

**3.2 输运和热电性质**
纵向电阻率（ρ_xx）呈现穹顶形组分依赖：纯Co约26 μΩ·cm，在等原子比附近升至约55 μΩ·cm，随后在富Pt端降至约24 μΩ·cm，符合Nordheim规则。异常霍尔电阻率（ρ_xy）在50% Pt附近达到最大值，异常霍尔角（tanθ_AHE）约6%。塞贝克系数（S_xx）在所有组分下均为负值，随Pt增加绝对值从?16 μV/K降至约?1 μV/K。异常能斯特系数（S_ANE）在x=0时仅0.33 μV/K，随Pt增加单调上升，在x=0.5时达到最大值3.22 μV/K（增强约十倍），随后下降。将S_ANE分解为本征贝里曲率贡献项S1和耦合到异常霍尔效应的外禀贡献项S2后发现，在整个组分范围内S1占主导，尤其在等原子比附近S1贡献约80%。横向热电常数（α_xy）在50-60% Pt处达到峰值约5 A m^?1 K^?1。将|α_xy|对|σ_xy|作图，数据点靠近本征标度线|α_xy|/|σ_xy| ～ k_B/2e，表明该体系的横向输运主要受本征贝里曲率贡献驱动。

**3.3 热输运和ANE灵敏度**
ANE灵敏度（E/J_Q）表现出与S_ANE相似的穹顶形演变：在x=40-50%时达到最大值0.30 μm A^?1。热导率（κ）则呈相反趋势：Co-rich薄膜约为24 W m^?1 K^?1，在x≈50%时降至最小值约10 W m^?1 K^?1。通过Wiedemann–Franz定律分离电子贡献κ_ele和声子贡献κ_pho，发现κ_ele在中间组分（约40-60% Pt）出现明显极小值，κ_pho整体较小。该灵敏度值（0.3 μm A^?1）优于或媲美已报道的许多高性能ANE材料，如Co₂MnGa（约0.22 μm A^?1）、Fe₈₁Al₁₉（约0.20 μm A^?1）等。

**讨论与结论总结**
研究人员在总结讨论中指出，通过组分调控在无序CoPt薄膜中实现了横向热电响应的系统优化。在等原子比（x=0.5）附近，薄膜处于局部有序Co-Pt簇形成、但缺乏长程有序的无序相结构，这为自旋-轨道耦合强度与磁序之间提供了平衡点，使贝里曲率对ANE的贡献最大化。与需要高温退火的L1₀有序CoPt不同，无序CoPt薄膜无需后沉积热处理即可获得高性能ANE，表明短程化学有序足以支持大的本征横向响应。S_ANE的十倍增强和峰值灵敏度（0.3 μm A^?1）源于Pt诱导的电子掺杂与无序介导的贝里曲率增强以及声子散射导致的热导率降低（κ=10 W m^?1 K^?1）的协同效应。α_xy与σ_xy的本征标度行为进一步支持了主导贡献来自本征自旋-轨道相互作用驱动的横向输运而非外禀散射。

翻译研究结论部分如下：
在本研究中，研究人员系统阐明了沉积在石英玻璃基底上的Co_1?xPt_x薄膜中组分与横向热电响应之间的关联。通过结合结构、磁性和热电测量，揭示了从富Co到富Pt组分的演变伴随着向具有局部有序Co–Pt簇的无序相逐渐转变。这种位于x≈0.5附近的结构状态代表自旋-轨道耦合强度与磁序之间的最优平衡，在此状态下贝里曲率对异常能斯特效应的贡献被最大化。与需要高温退火的有序L1₀-CoPt不同，所研究的无序CoPt薄膜无需沉积后热处理即可实现高ANE性能，证明短程化学序足以维持大的本征横向响应。观察到的S_ANE十倍增强和峰值ANE灵敏度（E/J_Q=0.3 μm A^?1）源于Pt诱导的电子掺杂、无序介导的贝里曲率以及声子散射导致热导率（κ=10 W m^?1 K^?1）降低的协同效应。α_xy与σ_xy的本征标度行为进一步支持了主导贡献与自旋-轨道相互作用驱动的本征横向输运相关，而非外禀散射。本研究确立了无序CoPt薄膜作为一类有前景的自旋-热电子材料，其中化学无序可作为设计参数而非限制因素加以利用。这些结果为基于ANE的热通量传感器和片上能量收集器的低温制备开辟了新途径，并将无序增强贝里曲率的概念推广至其他铁磁和拓扑合金体系。未来的研究结合温度依赖测量和组分梯度映射，可进一步阐明局域序、电子结构和热电转换效率之间的微观相互作用。