Kinetics of ferroics at nanoscales - (towards low-energy consuming devices)

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Art und Weise, wie die Temperatur in Ferroika auf der Nanoskala eingeführt wird. Systeme werden behandelt, die einer klassischen Behandlung erlauben. Wir verwenden numerische Simulationen, um thermische Effekte zu studieren, die potenziell für thermische Energieumwandlung und energiesparende Geräte verwendet werden können. Insbesondere studieren wir den Spin Seebeck-Effekt (SSE) in ferromagnetischen Isolatoren im Detail, um den zugrundeliegenden Mechanismus und mögliche Anwendungen zu verstehen. Wir behandeln auch pyroelektrische Wärmekraftmaschinen und zeigen, wie wir ihre Effizienz steigern können, indem wir über die rein ferroelektrischen Materialien hinausgehen und Multiferroika verwenden. Weiterhin untersuchen wir eine Reihe von weiteren thermischen Effekten wie SSE-getriebene Domänenwandbewegung, mittlere Erstdurchlaufzeiten, Finite-Size-Effekte in Ferroelektrika und multiferroische thermische Dioden. Die Arbeit schließt mit einigen Perspektiven zur thermischen Energieumwandlung auf der Nanoskala.

In this thesis we address the way temperature is introduced into nanoscale ferroic materials that are amenable to classical treatments. We use numerical simulation to study some thermal effects which potentially can be used for thermal energy harvesting and low-energy-consuming devices. Among them, we thoroughly study the spin Seebeck effect (SSE) in ferromagnetic insulators to understand its mechanism and potential applications. We also address pyroelectric engines and show how we can enhance their efficiency by going beyond the sole ferroelectrics and using multiferroics. We also address a number of further other thermal effects such as SSE-driven domain-wall motion, mean-first-passage times, finite-size effects in ferroelectrics and a multiferroic thermal diode. We close the thesis with some perspectives towards thermal energy harvesting at the nanoscales.