When vertical temperature gradient is applied to ferromagnet (FM)/non-magnetic (NM) bilayer structure, injected spin current from non-equilibrium thermal excitation between FM and NM is converted to transverse electrical voltage via inverse spin hall effect in NM material, which is called by spin Seebeck effect. The spin Seebeck effect is only a piece among various spin thermoelectric effects (STE). Experimentally, spin current injection, related transport manipulation, and spin- or electrical-energies harvesting technologies can be investigated by just measuring the STE voltages in various FM/NM structures, deducing the comprehensive physical understanding comprehensive interaction between heat and spin. Therefore, enhancement of the STE can provide various technologic and academic benefits in spintonics expected as next generation technology. In this thesis, we tried to develop of high efficient STE voltage generation methods via the three different approaches for future practical application of STE, in which two approaches focused on the structural engineering and one focused on newly observed spin thermoelectric physics related with lateral temperature gradient. We introduced the new structural engineering method by stacking and piling the FM/NM metallic bilayer structure, which expanded the structure along vertical (multilayer structure) and lateral (spin thermopile structure) direction. At last chapter, we newly demonstrate the spin Nernst effect (SNE) experimentally, which is only expected in only few theoretically reports in spin thermoelectric field. Physically, it can induce spin thermoelectric signal from lateral temperature gradient in contrast with previous SSE. As a result, by applying proper temperature condition to FM/NM bilayer, SNE and SSE can affect the STE simultaneously. So existence of SNE and SSE will be quite helpful for future STE-based devices.
스핀 제벡 현상으로 인해 강자성/비강자성 구조에 수직하게 온도 구배를 인가할 때, 강자성체로부터 비강자성체로 스핀전류가 주입되고 이는 비강자성 전극 내에서 역스핀홀 현상에 의해 양단의 전압으로 측정이 되게 된다. 실험적으로 단순히 스핀 열전 전압을 측정하여 열과 스핀의 포괄적인 상호작용을 이해함으로써, 스핀 전류 주입, 관련 수송현상 조절, 스핀 및 전기적 에너지 수확 기술을 확보할 수 있기 때문에 고효율의 스핀 열전소자를 제작하는 것은 차세대 기술로서 주목 받고 있는 스핀트로닉스 분야에 기술적, 학문적으로 많은 기여를 할 수 있다. 본 논문에서는 크게 3가지 접근을 통해 고효율 스핀열전 전압생성기술을 개발하고자 하였다. 이는 두 가지의 공학적인 구조변화와, 새롭게 발견된 스핀열전 현상의 적용과 관련이 있다. 구조변화에 대한 연구는 적층 구조 및 스핀 써모파일 구조를 새롭게 도입하여 3차원적 공간 활용을 통해 달성되었다. 그리고 수평 온도 구배에 의해 새로운 열적 스핀 전류 및 관련 전압을 생성하는 스핀 너런스트 효과를 최초로 발견하였다. 적절한 3차원적 온도 구배를 스핀 열전 소자에 인가할 경우, 스핀 제벡 현상과 스핀 너런스트 현상을 동시에 적용할 수 있어 이는 미래 스핀 기반의 소자에 개발에 매우 큰 기여를 할 것으로 예상된다.
