Enhancement of the anomalous Nernst effect by third elements addition to a ferromagnetic iron nitride film and fabricating multilayer structure

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K04859
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29010:Applied physical properties-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Ito Keita 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (70791763)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 窒化物 / 異常ネルンスト効果

Outline of Final Research Achievements

In this study, single-crystal films of ferromagnetic nitride Fe4N doped with third elements were prepared. Through the Fermi level position modulation and multilayer structuring, we tried to achieve an anomalous Nernst coefficient exceeding 10 μV/K at room temperature, which is required for practical thermoelectric conversion devices based on the anomalous Nernst effect.
Fe4-xMnxN, Fe4-yCoyN, Fe4-αRuαN, Fe4-βPtβN films, and [Fe4N/MgO] multilayers were prepared by molecular beam epitaxy. As a result, the anomalous Nernst coefficient was successfully increased by Pt substitution and multilayering with MgO. In the future, we aim to further increase the anomalous Nernst coefficient by utilizing the knowledge obtained in this study.

Free Research Field

スピントロニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

近年のIoT社会の実現と発展途上国における人口爆発によるエネルギー需要の増大により、身の回りにある様々なエネルギー源から電力を取り出す新たな環境発電技術や、電子機器の消費電力を抑える省エネルギー技術の開発が求められている。異常ネルンスト効果を用いた磁気熱電変換素子は、単層の金属強磁性体薄膜のみの簡便な構造でも発電が可能であり、IoT社会における様々なセンサー用独立電源との親和性が非常に高い環境発電技術である。
本研究では、比較的大きな異常ネルンスト効果を示すFe4Nの薄膜に少量のPtを添加することや、MgO薄膜と多層構造化することで、異常ネルンスト効果が増強することを発見した。