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Univ. Paris-Saclay
05 juin 2014
Pour un capteur thermique de champ magnétique : effet hall thermique anisotrope
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La capture et le traitement de l'information sont aujourd'hui essentiellement portés par des dispositifs basés sur le transport électrique (i.e. transport de charge, porté par les électrons ou les trous d'électrons) et l'ordre magnétique. Le transport thermique pourrait être aussi efficace pour réaliser des capteurs, voire des circuits performants.

Pour ceci, l'ensemble des couplages entre gradients (de potentiel et/ou de température) et transport électrique et/ou thermique, et en présence d'une aimantation, doivent être complètement explorés. Par une étude complète dans les isolants et les conducteurs des phénomènes de transport thermique, une équipe du LSI a identifié des effets nouveaux et forts, analogue à un "effet Hall thermique anisotrope", qui ont pu être modélisés par l'écriture d'une nouvelle équation complète, incluant les effets liés à l'aimantation du matériau. Ces effets peuvent être la source potentielle d'applications innovantes dans la réalisation de capteurs originaux et le traitement de l'information.

 

 
Pour un capteur thermique de champ magnétique : effet hall thermique anisotrope

Capteur magnétique à courant de chaleur. Une couche mince ferromagnétique est parcourue par un courant de chaleur. Le gradient de température transverse T généré par le courant de chaleur dépend de la direction de l’aimantation. Ce gradient est mesuré par une électrode transverse, qui joue le rôle de thermocouple.

En fonctionnement les composants électroniques s'échauffent, ce qui peut conduire, sans refroidissement efficace, à la destruction du dispositif. C'est aussi une déperdition d'énergie qui augmente avec l'accroissement du nombre de circuits électroniques en service, et des solutions alternatives doivent être recherchées. Une solution possible serait d'utiliser des courants de chaleur plutôt que du courant électrique pour alimenter des dispositifs intégrés. Cette stratégie très innovante en termes d’efficience énergétique, ouvre la voie à un nouveau type d’électronique : la "caloritronique".

Pour ceci une étude complète des phénomènes de transport électrique et de chaleur, et et en présence d'une aimantation doit être conduite. Dans ce cadre, une équipe du LSI a identifié, dans des matériaux ferromagnétiques, des effets de couplage entre le courant de chaleur et l'aimantation. Ce couplage est l'analogue thermique, bien connu dans les conducteurs ferromagnétiques, des effets de magnétorésistance anisotrope [1] et d'effet Hall anormal [2].

Ainsi, il est observé qu'une couche mince ferromagnétique, parcouru par un courant de chaleur peut constituer un capteur magnétique, par la mesure de la tension générée aux bornes d'une électrode disposée transversalement au courant de chaleur (voir schéma). La couche mince peut être en NiFe (matériau conducteur électrique) ou un grenat de fer et d'yttrium (YIG: matériau isolant électrique).

 
Pour un capteur thermique de champ magnétique : effet hall thermique anisotrope

Tension mesurée aux bornes d'une électrode de Pt en réponse à un courant de chaleur d’une dizaine de mW dans une couche de NiFe (ou Py : échelle de droite) et de YIG (échelle de gauche). L’angle est mesuré par rapport au plan de la couche mince (mesures de l’aimantation hors du plan) Notez que les thermocouples Pt/Py/Al et Pt/Al (dans le cas du YIG) sont de signes opposés.

L'étude montre qu'un choix judicieux de l'électrode permet d'atteindre de fortes amplitudes du signal : une électrode suffisamment fine (une dizaine de nanomètre), déposée sur la couche ferromagnétique et perpendiculaire à son axe, permet en effet de créer un thermocouple très efficace pour sonder le gradient de température généré dans la couche ferromagnétique sous-jacente. Typiquement, une électrode de bismuth permet de gagner un facteur 60 par rapport à une électrode de Pt ou de Cu. Une optimisation du thermocouple doit pouvoir permettre de gagner un ordre de grandeur supplémentaire.

Quel mécanisme physique ?

Du point de vue des mécanismes physique, ces observations du transport thermique anisotrope sont une surprise du fait de leur caractère universel : l'effet est mesuré de la même façon sur les conducteurs électriques que sur les isolants électriques. Cela signifie que le couplage entre courant de chaleur et aimantation n'est pas dû aux porteurs de charges (typiquement les électrons de conductions), comme dans les effets thermoélectriques usuels.

Transport thermoélectrique non magnétique

En effet, dans un métal à température ambiante, les porteurs de charge sont aussi les porteurs de chaleur, de sorte que les effets thermoélectriques sont attendus. Par exemple l'effet Seebeck [3] permet de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température ou d'un courant de chaleur. De même, l'effet Hall (généré par la force de Lorentz F = q v x B sur une charge q dans un champ magnétique B) a pour corollaire thermoélectrique l'effet Nernst, qui est la mesure d'une tension électrique généré transversalement à un courant de chaleur. Autre corollaire: dans le cas du transport thermique sans courant électrique, un analogue à l'effet Hall est l'effet Righi-Leduc, qui consiste en la mesure d'un gradient de température DT transverse au courant chaleur, du fait de la présence d'un champ magnétique (et de l'action de la force de Lorentz sur les porteurs qui sont à la fois des porteurs de charge et de chaleur).

 

Les effets galvanométriques

Gradient imposé ou généré

Champ électrique E=-∇V

Gradient thermique ∇T

Longitudinal

Transverse

Longitudinal

Transverse

Flux généré
ou
imposé

Courant électrique longitudinal

Résistance électrique

Effet Hall

Effet Seebeck

Effet Nernst

Courant thermique longitudinal

Effet Peltier

Effet Ettinghausen

Résistance thermique

Effet Righi-Leduc

 
Pour un capteur thermique de champ magnétique : effet hall thermique anisotrope

Tensions mesurées sur une couche mince de NiFe et de YIG en réponse à un courant de chaleur en fonction de l'angle de l'aimantation pour différents thermocouples : Cu, Pt (échelle de gauche) et Bi (échelle de droite). Notez que l'échelle de droite est multipliée par dix, bien que le courant de chaleur soit 3 fois plus faible.

Transport thermoélectrique magnétique

Comme rappelé ci-dessus à propos de l'effet Hall, les équivalents dans les matériaux ferromagnétiques conducteurs existent (il s'agit de l'effet "Seebeck anisotrope", l'effet "Nernst anormal", et l’effet de conductivité thermique anisotrope dû à l'aimantation), bien que la force de Lorentz n'en soit plus la cause. Il s'agit maintenant d'effets de couplage entre l'aimantation du matériau et les électrons de conduction (ou autres porteurs de charge et de spin) qui font toujours l'objet d'études très actuelles du point de vue théorique et expérimentale. 

Transport thermique et magnétisme

Cependant, le cas du transport thermique anisotrope représente encore une généralisation inattendue, au-delà des effets thermoélectriques décrit ci-dessus, puisque l'effet ne dépend plus des porteurs de charges. Par exemple, l'observation de ce qu'on pourrait appeler un effet "Righi-Leduc anormal" est inattendue dans le cas du NiFe et du YIG (c'est un effet du type "Hall-magnonique"). Ces observations semblent montrer qu’un autre type de couplage existe entre les porteurs de chaleur et l’aimantation, qui ne concerne pas les porteurs de charges. Cet aspect du problème fait aussi l’objet du travail en cours, avec une motivation à la fois de physique fondamental et pour l’application aux capteurs.

 

Références :

Effets thermiques anisotropes dans les couches minces ferromagnétiques Py et YIG
Pham do Chung, Doctorat de l'école Polytechnique, soutenu le 16 mai 2014.

Anisotropic magnetothermal transport and spin Seebeck effect
J.-E. Wegrowe, H.-J. Drouhin, D. Lacour, Phys. Rev. B 89, 094409 (2014).

Contact IRAMIS/LSI : Jean-Eric Wegrove.

 


[1] Magnétorésistance : variation de résistance électrique en présence d'un champ magnétique. Dans ce contexte, la magnétorésistance anisotrope est la part de la résistance électrique qui est fonction de l'angle formé entre la direction du courant et celle de l'aimantation.

[2] L'effet Hall est l'apparition dans un conducteur parcouru par un courant et soumis à un champ magnétique externe, d'une différence de potentiel dans la direction perpendiculaire au champ appliqué et au courant électrique. L'effet Hall "anormal" (ou "extraordinaire") est une composante complémentaire qui provient, dans les matériaux ferromagnétiques, de l'aimantation du matériau et non pas d'un champ magnétique appliqué.

[3] Effet Seebeck : apparition d'une tension électrique entre les bornes d'un conducteur de chaleur soumis à un gradient thermique.

 

Maj : 09/06/2014 (2354)

 

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