熱電変換素子及び熱電変換装置
【課題】 熱電変換素子及び熱電変換装置に関し、温度勾配から電力を取り出す際の設計自由度を高める。
【解決手段】 磁性誘電体からなる熱スピン波スピン流発生部材に逆スピンホール効果部材を設け、前記熱スピン波スピン流発生部材の厚さ方向に温度勾配を設けるとともに、磁場印加手段により前記逆スピンホール効果部材の長手方向と直交する方向且つ前記温度勾配と直交する方向に磁場を印加して前記逆スピンホール効果部材において熱スピン波スピン流を電圧に変換して取り出す。
【解決手段】 磁性誘電体からなる熱スピン波スピン流発生部材に逆スピンホール効果部材を設け、前記熱スピン波スピン流発生部材の厚さ方向に温度勾配を設けるとともに、磁場印加手段により前記逆スピンホール効果部材の長手方向と直交する方向且つ前記温度勾配と直交する方向に磁場を印加して前記逆スピンホール効果部材において熱スピン波スピン流を電圧に変換して取り出す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子及び熱電変換装置に関するものであり、特に、素子の設計自由度を高める構成に特徴のある熱電変換素子及び熱電変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化対策としてクリーンエネルギーの必要性が叫ばれており、このようなクリーンエネルギー源として熱電効果の応用が期待されている。その一例として、火力発電所や工場或いは自動車の廃熱・排熱をゼーベック効果素子を利用して電力に変換することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、現在のゼーベック効果素子の効率は十分ではなく、クリーンエネルギー源としての実用化に際してはさらなる熱電変換効率の高効率化が必要である。
【０００４】
現在のゼーベック係数が互いに異なる２種類の金属による異種金属接合を用いたゼーベック効果素子の熱電変換効率の指標となる性能指数Ｚは、ゼーベック係数をＳ、電気伝導度をσ、熱伝導率をκとすると、
Ｚ＝Ｓ２×（σ／κ） ・・・（１）
と表される。また、起電力Ｖの発生方向は温度勾配▽Ｔと平行方向になる。
【０００５】
この場合、ゼーベック係数Ｓ、電気伝導度σ及び熱伝導率κは全て物質固有の値であるので、性能指数Ｚも物質固有の値となり、高効率の熱電発電を実現するためには性能指数Ｚの高い熱電変換素子が必要になる。そして、性能指数Ｚを高めるためには新規な物質の開発が必要であった。
【０００６】
一方、現在の半導体装置等のエレクトロニクス分野において利用されている電子の電荷の自由度に代わるものとして、電子が電荷以外に有するスピンという自由度、即ち、スピン角運動量の自由度を利用したスピントロニクスが次世代のエレクトロニクス技術の担い手として注目を集めている。
【０００７】
このスピントロニクスでは電子の電荷とスピンの自由度を同時に利用することによって、従来にない機能や特性を得ることを目指しているが、スピントロニクス機能の多くはスピン流によって駆動される。
【０００８】
スピン流はエネルギーの散逸が少ないため、効率の良いエネルギー伝達に利用できる可能性が期待されており、スピン流の生成方法や検出方法の確立が急務になっている。
【０００９】
なお、スピン流の生成方法としては、スピンポンピングによるスピン流が提案されており（例えば、非特許文献１参照）、スピン流の検出方法についても、本発明者等により逆スピンホール効果（ＩＳＨＥ）によるスピン流の検出方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
【００１０】
図１２は、逆スピンホール効果の説明図であり、試料中に純スピン流Ｊｓを注入すると、逆スピンホール効果により純スピン流Ｊｓの方向と垂直方向に電流Ｊｃが流れる。この逆スピンホール効果を利用することによって、試料の端部に電位差Ｖが発生するので、この電位差Ｖを検出することによって、純スピン流Ｊｓの流れの有無の検出が可能になる。
【００１１】
しかし、上述のゼーベック効果を利用した熱電変換においては、式（１）からわかるように、電気伝導度σが高い物質を用いると性能指数Ｚが大きくなる。しかし、金属の場合には、電気伝導度σが高い物質は熱伝導率κも高いため、電気伝導度σ向上による性能指数Ｚ向上の効果は熱伝導率κにより相殺されてしまうという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明者は、ＮｉＦｅ等の磁性体とＰｔ等のスピン軌道相互作用の大きな金属との接合を利用したスピン−ゼーベック効果素子を提案している（例えば、特許文献２参照）。このスピン−ゼーベック効果素子においてはＮｉＦｅ等の磁性体において温度勾配により発生した熱スピン流をＰｔとの界面でスピン交換を行い、交換により発生した純スピン流により純スピン流の方向と垂直方向に流れる電流を磁性体の両端において電圧として出力するものである。
【００１３】
これは、磁性体、特に、強磁性体の場合には、外部磁場を印加した状態で温度勾配を与えると、アップスピン流とダウンスピン流に差ができて熱的にスピン流が発生することを見いだした結果を利用したものである。
【００１４】
この場合の性能指数Ｚは、スピン−ゼーベック効果素子の熱電変換能をＳｓ、逆スピンホール部材の電気伝導率をσＩ、磁性体の熱伝導率をκＦ とすると、
Ｚ＝Ｓｓ２×（σＩ／κＦ） ・・・（２）
と表される。この場合の性能指数では、従来の性能指数と異なり、分子の電気伝導率と分母の熱伝導率はそれぞれ異なる物質が担うため、素子の材料選択をすることによって性能指数を大幅に変えることができる。
【００１５】
但し、この場合には、起電力Ｖの発生方向は、逆スピンホール効果を利用しているので温度勾配▽Ｔと垂直方向になる。スピン−ゼーベック効果素子の熱電変換能Ｓｓは温度勾配▽Ｔに垂直な方向の長さに比例するので、従来のゼーベック効果素子に比べて、試料サイズにより性能指数Ｚを変調することができるという特徴がある。即ち、試料のサイズを温度勾配▽Ｔに垂直な方向の長さが長くなるように構成することによって、長さに比例した起電力Ｖを得ることができる。
【００１６】
スピン流は物理的な保存量ではないため、このような熱スピン流変換を利用することによって、温度勾配を与えるだけでスピン流を連続して取り出すことができ、したがって、熱起電力も連続して取り出すことができる。
【００１７】
しかし、このスピン−ゼーベック効果素子においては、熱スピン流発生部材に熱伝導率κの大きい金属を用いており、したがって、起電力Ｖを増大させるために試料のサイズを大きくすると均一な温度勾配▽Ｔを設けることが困難になってしまう。よって、現状では、全金属系スピン−ゼーベック効果素子を用いて工業的に利用可能な熱電変換素子を実現することは困難である。
【００１８】
そこで、本発明者は、熱スピン流発生部材として、金属の代わりにＹＩＧ等の熱伝導率の小さな磁性誘電体を用いたスピン−ゼーベック効果素子を提案している（例えば、特許文献３参照）。ここで、図１３を参照して、磁性誘電体を用いたスピン−ゼーベック効果素子を説明する。
【００１９】
図１３は、磁性誘電体を用いたスピン−ゼーベック効果素子の概略的斜視図であり、磁性誘電体層５１上にストライプ状の非磁性導電体５２,５３を設ける。この状態で、矢印の方向に外部磁界Ｈを印加するとともに、均一な温度勾配▽Ｔを設けることによって、素子の高温側及び低温側に位置する磁性誘電体／非磁性導電体界面にそれぞれ逆符号の純スピン流Ｊｓが流れる。常電導体５２，５３に注入された純スピン流ＪＳは、電子相対論効果によって温度勾配▽Ｔに直交する方向の電流に変換され、高温側に設けた非磁性導電体５２と低温側に設けた非磁性導電体５３に互いに逆向きの熱起電力ＶＩＳＨＥが発生する。即ち、逆スピン−ホール効果による起電力は、注入された純スピン流ＪＳとスピンの偏極方向（磁性誘電体の磁化方向Ｍ）の外積方向に発生する。
【００２０】
磁性誘電体５１としては、ＦｅやＣｏを含むものであれば何でも良いが、実用的には、入手が容易で且つスピン角運動量の散逸の小さいＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）やイットリウムガリウム鉄ガーネット、即ち、一般式で表記するとＹ３Ｆｅ５−ｘＧａｘＯ１２（但し、ｘ＜５）を用いる。また、逆スピンホール効果部材となる非磁性導電体５２，５３としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、或いは、ｆ軌道を有する元素のいずれかを用いることが望ましい。これらの元素はスピン軌道相互作用が大きいので、磁性誘電体５１との界面において、熱スピン波スピン流と純スピン流の交換を高効率で行うことができる。
【００２１】
図１４は、スピン波スピン流の説明図であり、図１４に模式的に示すように、スピン波スピン流とは、スピンが平衡位置の周りで歳差運動し、その位相の変化が波としてスピン系を伝わっていくものであり、熱スピン波スピン流とは位相変化が熱により生起されたものをいう。スピン波スピン流の特徴は、伝導電子型の純スピン流のスピン拡散長が数ｎｍ〜数百ｎｍであるのに対して、数ｍｍ或いは数ｃｍ以上の長距離に亘って伝播可能であることであり、これは様々な実験によってすでに確認されている（例えば、非特許文献３参照）。
【００２２】
この熱スピン波スピン流−純スピン流交換においては、磁性誘電体中において温度勾配により発生した熱スピン波スピン流が金属電極中のスピンと交換されて金属電極中に純スピン流が生起され、この純スピン流により電流が生じ、この電流により金属電極の両端に熱起電力ＶＩＳＨＥが発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２００７−１６５４６３号公報
【特許文献２】特開２００９−１３００７０号公報
【特許文献３】国際公開パンフレット ＷＯ ２００９／１５１０００
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．，Ｂ１９，ｐ．４３８２，１９７９
【非特許文献２】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．８８，ｐ．１８２５０９，２００６
【非特許文献３】Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ.４６４，ｐ.２６２−２６６，２０１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
しかし、上述の磁性誘電体を用いたスピン−ゼーベック効果素子の場合も磁性誘電体層の面内方向に温度勾配▽Ｔを設けているため、熱源との接触状態が限られ、ボイラーや煙突等に巻きつけるように接触させることができないという問題があり、その結果、現実の適用範囲が狭いという問題がある。
【００２６】
したがって、本発明は、温度勾配から電力を取り出す際の設計自由度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記課題を解決するために、本発明は、熱電変換素子であって、磁性誘電体からなる熱スピン波スピン流発生部材に逆スピンホール効果部材を設け、前記熱スピン波スピン流発生部材の厚さ方向に温度勾配を設けるとともに、磁場印加手段により前記逆スピンホール効果部材の長手方向と直交する方向且つ前記温度勾配と直交する方向に磁場を印加して前記逆スピンホール効果部材において熱スピン波スピン流を電圧に変換して取り出す。
【００２８】
このように、熱スピン波スピン流発生部材の厚さ方向に温度勾配を設けることによって、熱起電力を温度勾配に垂直な方向に生成することができ、素子設計自由度が大きくなる。
【００２９】
また、磁性誘電体としては、フェリ磁性誘電体、強磁性誘電体でも或いは反強磁性誘電体でも良い。磁性誘電体をフェリ磁性誘電体或いは強磁性誘電体とする場合には、磁場印加手段として磁性誘電体に接してその磁化方向を固定する反強磁性層を設けても良い。
【００３０】
また、磁性誘電体としては、ＦｅやＣｏを含むものであれば何でも良いが、ガーネットフェライト、ＭｎｘＺｎ１−ｘＦｅ２Ｏ４（但し、０＜ｘ＜１）等のスピネルフェライト、或いは、六方晶フェライトを用いることが望ましい。
【００３１】
また、逆スピンホール効果部材としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、或いは、ｆ軌道或いは３ｄ軌道を有する遷移金属を有する元素、若しくはそれらの合金のいずれかを有する元素のいずれか、或いは、これらの材料とＣｕ、Ａｌ、或いは、Ｓｉの合金を用いることが望ましい。
【００３２】
上述の熱電変換素子を複数個、磁化方向が互いに反対になるように交互に配置するか或いは磁化方向が互いに同じ向きになるように配置し、熱起電力が直列接続になるように前記逆スピンホール効果部材の端部を互いに接続することによって高起電力を出力する熱電変換装置を構成することができる。
【００３３】
或いは、磁性誘電体からなる熱スピン波スピン流発生部材の両面に逆スピンホール効果部材を設けて熱電変換要素を構成し、複数の前記熱電変換要素を非磁性絶縁体を介して積層するとともに、熱起電力が直列接続になるように前記逆スピンホール効果部材の端部を互いに接続し、前記熱電変換要素の積層方向に温度勾配を設けるとともに、磁場印加手段により前記逆スピンホール効果部材の長手方向と直交する方向且つ前記温度勾配と直交する方向に磁場を印加して前記逆スピンホール効果部材において熱スピン波スピン流を電圧に変換して取り出すようにしても良い。
【発明の効果】
【００３４】
本発明は、熱スピン波スピン流発生部材の厚さ方向に温度勾配を設けているので、熱起電力を温度勾配に垂直な方向に生成することができ、素子設計自由度が大きくなり、それによって適用可能な熱源が飛躍的に増大する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態の熱電変換素子の概念的構成図である。
【図２】従来例の構成との対比を容易にするために変形した変形図である。
【図３】Ｐｔ電極側を高温側とした場合の構成説明図である。
【図４】Ｐｔ電極側を低温側とした場合の構成説明図である。
【図５】測定結果の説明図である。
【図６】本発明の実施例２の熱電変換装置の概念的構成図である。
【図７】本発明の実施例３の熱電変換装置の概念的構成図である。
【図８】本発明の実施例４の熱電変換装置の概念的構成図である。
【図９】本発明の実施例５の熱電変換装置の概念的構成図である。
【図１０】本発明の実施例６の熱電変換装置の構成説明図である。
【図１１】本発明の実施例６における測定結果の説明図である。
【図１２】逆スピンホール効果の説明図である。
【図１３】磁性誘電体を用いたスピン−ゼーベック効果素子の概略的斜視図である。
【図１４】スピン波スピン流の説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態の熱電変換素子の概念的構成図であり、図１（ａ）は概念的斜視図であり、また、図１（ｂ）は逆スピンホール効果部材側を高温にした場合の概念的断面図であり、図１（ｃ）は、逆スピンホール効果部材側を低温にした場合の概念的断面図である。なお、図における矢印は熱流の方向を示している。
【００３７】
図に示すように、磁性誘電体からなる熱スピン波スピン流発生部材１１に逆スピンホール効果部材１２を設け、熱スピン波スピン流発生部材１１の厚さ方向に温度勾配（図における縦方向）を設けるとともに、磁場印加手段により逆スピンホール効果部材１２の長手方向と直交する方向に磁場Ｈを印加して逆スピンホール効果部材１２の両端から熱起電力Ｖを取り出す。
【００３８】
図２は、本発明の構成を図１２に示した従来例の構成との対比を容易にするために変形した変形図であり、平板状の熱スピン波スピン流発生部材１１の両端に非磁性導電体からなる逆スピンホール効果部材１２１，１２２を設け、熱スピン波スピン流発生部材１１の長手方向に温度勾配▽Ｔを設けるとともに、熱スピン波スピン流発生部材１１の厚さ方向に外部磁界Ｈを印加する。
【００３９】
この時、熱スピン波スピン流Ｊｓは、逆スピンホール効果部材１２１，１２２との界面において、熱スピン波スピン流と純スピン流の交換により、逆スピンホール効果部材１２１，１２２に純スピン流として注入される。
【００４０】
注入された純スピン流は電子相対論的効果によって温度勾配と直交する方向に電流が流れて逆スピンホール効果部材１２１，１２２の長手方向に熱起電力ＶＩＳＨＥが発生する。この時、両方の逆スピンホール効果部材１２１，１２２との界面の熱起電力ＶＩＳＨＥの方向は、流れ込むスピン流の方向が同じであるので、熱起電力ＶＩＳＨＥは同じ向きになる。
【００４１】
この図２に示した素子の熱スピン波スピン流発生部材１１を温度勾配方向に極端に短くして厚さと同程度の長さとするとともに、一方の逆スピンホール効果部材１２１，１２２を除去し、それを９０°回転させると図１に示した熱電変換素子と等価になる。逆スピンホール効果部材１２２を除去すると、図１（ｂ）と等価になり、逆スピンホール効果部材１２１を除去すると、図１（ｃ）と等価になる。
【００４２】
磁性誘電体としては、ＦｅやＣｏを含むものであれば何でも良いが、ガーネットフェライト、ＭｎｘＺｎ１−ｘＦｅ２Ｏ４（但し、０＜ｘ＜１）等のスピネルフェライト、或いは、六方晶フェライト、特に、実用的には、入手が容易で且つスピン角運動量の散逸の小さいＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）やイットリウムガリウム鉄ガーネット、即ち、一般式で表記するとＹ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）からなるガーネットフェライト、或いは、ＹＩＧのＹサイトをＬａ等の原子で置換したガーネットフェライト、例えば、ＬａＹ２Ｆｅ５Ｏ１２等を用いることが望ましい。これは、Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２は電荷ギャップが大きいので伝導電子が非常に少なく、したがって、伝導電子によるスピン角運動量の散逸が小さいためである。但し、コストの観点からは、通常のフェライトＦｅ３Ｏ４等の安価な材料が望ましい。
【００４３】
また、反強磁性誘電体を用いる場合には、典型的には酸化ニッケルやＦｅＯが挙げられるが、磁性誘電体の大半は反強磁性誘電体である。また、磁性誘電体層を強磁性誘電体で構成する場合には、磁性誘電体層の磁化方向を固定するために反強磁性層を設けることが望ましい。
【００４４】
なお、磁性誘電体の代わりに導電性磁性体を用いた場合には、逆スピンホール効果部材と熱起電力が発生していない導電性磁性体とが接合した構造となり、両者の間で電気的な緩和が起こるので、逆スピンホール効果部材から熱起電力を取り出すことが非常に困難になる。
【００４５】
また、磁性誘電体層の成長方法としては、スパッタ法、ＭＯＤ法（Ｍｅｔａｌ-ｏｒｇａｎｉｃ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ：有機金属塗布熱分解法）、ゾル−ゲル法、液相エピタキシー法、フローティングゾーン法、或いは、エアロゾルデポジッション法（必要ならば、上述の特許文献４参照）のいずれを用いても良い。また、磁性誘電体層の結晶性としては単結晶でも良いし或いは多結晶でも良い。
【００４６】
ＭＯＤ法を用いる場合には、例えば、｛１００｝面を主面とするＧＧＧ（Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２）単結晶基板上に、例えば、Ｙ３Ｆｅ４ＧａＯ１２組成のＭＯＤ溶液をスピンコート法で塗布する。この場合のスピンコート条件としては、まず、５００ｒｐｍで５秒間回転させたのち、３０００〜４０００ｒｐｍで３０秒間回転させてＭＯＤ溶液を焼成後の膜厚が１００ｎｍになるように均一に塗布する。なお、ＭＯＤ溶液としては、例えば、（株）高純度化学研究所製のＭＯＤ溶液を用いる。
【００４７】
次いで、例えば、１５０℃に加熱したホットプレート上で５分間乾燥させて、ＭＯＤ溶液に含まれる余分な有機溶媒を蒸発させる。次いで、電気炉中において、例えば、５５０℃で５分間加熱する仮焼成によって酸化物層とする。
【００４８】
次いで、電気炉中において、７５０℃で１〜２時間加熱する本焼成において酸化物層の結晶化を進めてＹＩＧ層とする。最後に、ＹＩＧ層を所定のサイズに切り出したのち、マスクスパッタ法を用いてＹＩＧ層上に、Ｐｔ電極等の逆スピンホール効果部材を設けることにより熱電変換素子が得られる。
【００４９】
また、エアロゾルデポジション法を用いる場合には、例えば、平均粒径が１μｍのＦｅ２Ｏ３、ＮｉＯ,ＺｎＯそれぞれ、５０ｍｏｌ％、２７ｍｏｌ％、２３ｍｏｌ％のエアロゾル用粉体を用い、例えば、開口が０．４ｍｍ×１０ｍｍのノズルを用いてキャリガスとなるＡｒガスを１０００ｓｃｃｍ流して基板上に噴射させて堆積させれば良い。
【００５０】
また、逆スピンホール効果部材としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、或いは、ｆ軌道或いは３ｄ軌道を有する遷移金属を有する元素、若しくはそれらの合金のいずれかを有する元素のいずれか、或いは、これらの材料とＣｕ、Ａｌ、或いは、Ｓｉの合金を用いることが望ましい。前者の元素はスピン軌道相互作用が大きいので、磁性誘電体との界面において、熱スピン波スピン流と純スピン流の交換を高効率で行うことができる。但し、コストの観点からは、前者の材料とＣｕ、Ａｌ、或いは、Ｓｉの合金が望ましい。
【実施例１】
【００５１】
ここで、図３乃至図５を参照して、本発明の実施例１の熱電変換装置を説明する。図３は、逆スピンホール効果部材であるＰｔ電極側を高温側とした場合の構成説明図であり、図３（ａ）は概略的正面図であり、図３（ｂ）は概略的側面図であり、図３（ｃ）は、熱電変換素子近傍の要部上面図である。
【００５２】
Ｃｕブロック４１上に単結晶のＹＩＧ板２１とＰｔ電極２２とからなる熱電変換素子２０を固着し、熱源に接触するＣｕブロック４２との間を真鍮製のコ字状の熱伝搬部材４３で熱的に接続する。従って、温度勾配▽Ｔは上向きとなる。ここで、外部磁場ＨをＰｔ電極の長手方向と垂直方向で且つ温度勾配▽Ｔと垂直方向（図において左向き）に印加する。
【００５３】
なお、ＹＩＧ板２１のサイズは、厚さ１ｍｍ×幅２ｍｍ×長さ６ｍｍであり、Ｐｔ電極２２のサイズは、厚さ１５ｎｍ、幅０．５ｍｍ、長さ６ｍｍである。この時、温度差ΔＴを熱電対４４で測定するとともに、Ｐｔ電極２２の長手方向で発生する熱起電力を電圧計４５で測定する。
【００５４】
図４は逆スピンホール効果部材であるＰｔ電極側を低温側とした場合の構成説明図であり、図４（ａ）は概略的正面図であり、図４（ｂ）は概略的側面図であり、図４（ｃ）は、熱電変換素子近傍の要部上面図である。
【００５５】
熱源に接触するＣｕブロック４２上に単結晶のＹＩＧ板２１とＰｔ電極２２とからなる熱電変換素子２０を固着し、Ｃｕブロック４１との間を真鍮製のコ字状の熱伝搬部材４３で熱的に接続する。従って、温度勾配▽Ｔは下向きとなる。ここで、図３の場合と同様に、外部磁場ＨをＰｔ電極の長手方向と垂直方向で且つ温度勾配▽Ｔと垂直方向（図において左向き）に印加し、温度差ΔＴを熱電対４４で測定するとともに、Ｐｔ電極２２の長手方向で発生する熱起電力を電圧計４５で測定する。
【００５６】
図５は、測定結果の説明図であり、図５（ａ）は図３の構成の測定結果であり、図５（ｂ）は図４の構成の測定結果である。図５に示すように、いずれの場合にも、Ｈ＝１０００〔Ｏｅ〕とした条件で、温度差ΔＴ＝２０℃で、約１５μＶの起電力が得られた。なお、外部磁場ＨをＰｔ電極２２の長手方向に印加した場合、即ち、θ＝０°の場合には、起電力はＰｔ電極２２の幅方向に発生するので、図に示した構成では起電力は取り出すことができない。
【実施例２】
【００５７】
次に、図６を参照して、本発明の実施例２の熱電変換装置を説明する。図６は本発明の実施例２の熱電変換装置の概念的構成図であり、図６（ａ）は概念的平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概念的断面図である。上述のＹＩＧ板２１とＰｔ電極２２からなる熱電変換素子２０のＹＩＧ板２１の裏面に磁化方向を付与したＩｒＭｎ反強磁性体板２３を貼りつける。この時、ＩｒＭｎ反強磁性体板２３の磁化方向ＭがＰｔ電極２２の長手方向と直交するように磁化方向を付与しておく。
【００５８】
この熱電変換素子２０を磁化方向Ｍが互いに反対になるように交互にＰＥＴシート等の可撓性シート２４上に配置して固着し、それぞれ隣接する熱電変換素子２０のＰｔ電極２２を隣の熱電変換素子２０のＰｔ電極２２とＣｕ接続導体２５を用いて順次接続する。
【００５９】
可撓性シート２４を熱源に密着させ、Ｐｔ電極２２側を空冷或いは水冷により冷却することによって、熱起電力を取り出すことができる。この時の熱起電力Ｖｔｏｔは、熱電変換素子２０の数をｎ、一個の熱電変換素子２０の熱起電力をＶとすると、
Ｖｔｏｔ＝ｎ×Ｖ
となる。
【実施例３】
【００６０】
次に、図７を参照して、本発明の実施例３の熱電変換装置を説明する。図７は本発明の実施例２の熱電変換装置の概念的構成図であり、図７（ａ）は概念的平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概念的断面図である。
【００６１】
耐熱性ガラス繊維シート等の耐熱性可撓性シート３１上にマスクスパッタ法を用いてＩｒＭｎ反強磁性体層３２をラインアンドスペース状に堆積する。この時、外部磁場を印加しておき、ＩｒＭｎ反強磁性体層３２を外部磁場の方向に磁化する。
【００６２】
次いで、ＩｒＭｎ反強磁性体層３２上に、エアロゾルデポジション法を用いてＦｅ３Ｏ４を選択的に堆積させて磁性誘電体層３３を形成する。次いで、マスク蒸着法を用いて磁性誘電体層３３上にＰｔ電極３４を形成することによって熱電変換素子３０とする。
【００６３】
次いで、それぞれ隣接する熱電変換素子３０のＰｔ電極３４の一方の端部を隣の熱電変換素子３０のＰｔ電極３４の反対側の端部とＣｕ接続導体３５を用いて順次接続する。耐熱性可撓性シート３１を熱源に密着させ、Ｐｔ電極３４側を空冷或いは水冷により冷却することによって、熱起電力を取り出すことができる。この時の熱起電力Ｖｔｏｔも、熱電変換素子３０の数をｎ、一個の熱電変換素子３０の熱起電力をＶとすると、
Ｖｔｏｔ＝ｎ×Ｖ
となる。この場合、各熱電変換素子３０における磁性誘電体層３３は一様な方向に磁化しているため、ＩｒＭｎ反強磁性体層３２を用いず、外部磁場によって磁性誘電体層３３を磁化させても良い。
【実施例４】
【００６４】
次に、図８を参照して、本発明の実施例４の熱電変換装置を説明する。図８は本発明の実施例４の熱電変換装置の概念的構成図であり、図８（ａ）は概念的側面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概念的断面図である。上述のＹＩＧ板２１の対向する一対の主面にＰｔ電極２２１，２２２をマスク蒸着して熱電変換要素２６を形成する。
【００６５】
この熱電変換要素２６をＳｉＯ２や絶縁性樹脂等の非磁性絶縁体２７を介して積層し、Ｐｔ電極２２１の一方の端部とその上に位置するＰｔ電極２２２の他方の端部をＣｕ接続導体２８により順次接続することによって熱電変換装置を作製する。
【００６６】
この熱電変換装置の積層方向に温度勾配▽Ｔを設けるとともに、外部磁界ＨをＰｔ電極２２１，２２２の長手方向と温度勾配▽Ｔに対して直交するように印加すると一つのＹＩＧ板２１と両側のＰｔ電極２２１，２２２との界面から２つのＰｔ電極２２１，２２２に図において矢印で示す方向に純スピン電流Ｊｓが注入され、Ｐｔ電極２２１，２２２中の逆スピンホール効果によって起電力に変換される。
【００６７】
したがって、熱電変換要素一個当たり発生する熱起電力は、図１の熱起変換素子の熱起電力の２倍になるので、熱起電力Ｖｔｏｔは、熱電変換要素２６の数をｎとすると、
Ｖｔｏｔ＝ｎ×（２×Ｖ）
となる。
【実施例５】
【００６８】
次に、図９を参照して、本発明の実施例５の熱電変換装置を説明する。図９は本発明の実施例５の熱電変換装置の概念的構成図である。Ｐｔ電極２２とＣｕ等のスピン軌道相互作用の小さな常磁性導体２９とでＹＩＧ板２１を挟持した積層体をＳｉＯ２や絶縁性樹脂等の非磁性絶縁体２７を介して積層し、Ｐｔ電極２２の端部をその上に位置する常磁性導体２９の端部とをＣｕ接続導体２８により順次接続することによって熱電変換装置を作製する。
【００６９】
この熱電変換装置の積層方向に温度勾配▽Ｔを設けるとともに、外部磁界ＨをＰｔ電極２２の長手方向と温度勾配▽Ｔに対して直交するように印加すると一つのＹＩＧ板２１とＰｔ電極２２との界面から図において矢印で示す方向に純スピン電流Ｊｓが注入され、Ｐｔ電極２２１，２２２中の逆スピンホール効果によって起電力に変換される。常磁性導体２９にはスピン軌道相互作用の小さな物質を用いているので、常磁性導体２９中には逆スピンホール効果による熱起電力は発生しない。
【００７０】
したがって、熱電変換要素一個当たり発生する熱起電力は、図１の熱起変換素子の熱起電力と同じになるので、熱起電力Ｖｔｏｔは、積層体の数をｎとすると、
Ｖｔｏｔ＝ｎ×Ｖ
となる。この場合、上述の実施例４と比較すると熱起電力は半分になるものの、積層体の電気的相互接続が容易になる。
【実施例６】
【００７１】
次に、図１０及び図１１を参照して、本発明の実施例６の熱電変換装置を説明する。図１０は、本発明の実施例６の熱電変換装置の構成説明図であり、図１０（ａ）は概略的正面図であり、図１０（ｂ）は概略的側面図であり、図１０（ｃ）は、熱電変換素子近傍の要部上面図である。ここでは、図４と同様に逆スピンホール効果部材であるＰｔ電極側を低温側とした場合を説明しているが、図３と同様に、逆スピンホール効果部材であるＰｔ電極側を高温側としても良い。
【００７２】
熱源に接触するＣｕブロック４２上に焼結体からなるＭｎ０．７５Ｚｎ０．２５Ｆｅ２Ｏ４板６１とＰｔ電極６２とからなる熱電変換素子６０を固着し、Ｃｕブロック４１との間を真鍮製のコ字状の熱伝搬部材４３によりＡｌ２Ｏ３板６３を介して熱的に接続する。従って、温度勾配▽Ｔは下向きとなる。
【００７３】
ここで、図４の場合と同様に、外部磁場ＨをＰｔ電極６２の長手方向と垂直方向で且つ温度勾配▽Ｔと垂直方向（図において左向き）に印加し、温度差ΔＴを熱電対４４で測定するとともに、Ｐｔ電極６２の長手方向で発生する熱起電力を電圧計４５で測定する。
【００７４】
なお、Ｍｎ０．７５Ｚｎ０．２５Ｆｅ２Ｏ４板６１のサイズは、厚さ１ｍｍ×幅２ｍｍ×長さ６ｍｍであり、Ｐｔ電極６２のサイズは、厚さ１５ｎｍ×幅０．５ｍｍ×長さ６ｍｍである。また、Ａｌ２Ｏ３板６３のサイズは、厚さ０．５ｍｍ×幅５ｍｍ×長さ５ｍｍであり、起電力測定時に熱電変換素子６０を熱伝搬部材４３から電気的に絶縁するために介在させており、熱伝導率の高い絶縁体であれば、Ａｌ２Ｏ３でなくても良い。
【００７５】
図１１は、測定結果の説明図であり、図１１（ａ）は熱起電力Ｖと温度差ΔＴの相関図であり、ここでも、Ｈ＝１０００〔Ｏｅ〕とした条件で、温度差ΔＴ＝１５℃で、約２μＶの起電力が得られた。なお、外部磁場ＨをＰｔ電極６２の長手方向に印加した場合、即ち、θ＝０°の場合には、起電力はＰｔ電極２２の幅方向に発生するので、図に示した構成では起電力は取り出すことができない。
【００７６】
図１１（ｂ）は、外部磁場を掃引した場合の熱起電力の温度差依存性の説明図であり、下側の線は外部磁場をマイナスからプラスに掃引した場合の特性曲線であり、下側の線は外部磁場をプラスからマイナスにした場合の特性曲線である。
【００７７】
図から明らかなように、いずれの温度差ΔＴにおいても明瞭なヒステリシスループが表れているので、観測された起電力がＭｎ０．７５Ｚｎ０．２５Ｆｅ２Ｏ４板６１の磁化反転に由来して反転すること、即ち、逆スピンホール効果の対称性に整合することがわかる。
【００７８】
なお、この実施例６のＭｎ０．７５Ｚｎ０．２５Ｆｅ２Ｏ４板は、ＹＩＧに比べて熱起電力が小さいが、これは、焼結体、即ち、微結晶界面でマグノンが散乱されるとともに、磁気損失（緩和定数α）がＹＩＧよりはるかに大きいためと考えられる。なお、実施例６においては、Ｍｎ：Ｚｎ＝３：１の組成比の（ＭｎＺｎ）Ｆｅ２Ｏ４を用いているが、組成比は任意である。
【符号の説明】
【００７９】
１１ 熱スピン波スピン流発生部材
１２，１２１，１２２ 逆スピンホール効果部材
２０，６０ 熱電変換素子
２１ ＹＩＧ板
２２，２２１，２２２ ，６２ Ｐｔ電極
２３ ＩｒＭｎ反強磁性体板
２４ 可撓性シート
２５，２８ Ｃｕ接続導体
２６ 熱電変換要素
２７ 非磁性絶縁体
２９ 常磁性導体
３０ 熱電変換素子
３１ 耐熱性可撓性シート
３２ ＩｒＭｎ反強磁性体層
３３ 磁性誘電体層
３４ Ｐｔ電極
３５ Ｃｕ接続導体
４１，４２ Ｃｕブロック
４３ 熱伝搬部材
４４ 熱電対
４５ 電圧計
５１ 磁性誘電体層
５２，５３ 非磁性導電体
６１ Ｍｎ０．７５Ｚｎ０．２５Ｆｅ２Ｏ４板
６３ Ａｌ２Ｏ３板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子及び熱電変換装置に関するものであり、特に、素子の設計自由度を高める構成に特徴のある熱電変換素子及び熱電変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化対策としてクリーンエネルギーの必要性が叫ばれており、このようなクリーンエネルギー源として熱電効果の応用が期待されている。その一例として、火力発電所や工場或いは自動車の廃熱・排熱をゼーベック効果素子を利用して電力に変換することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、現在のゼーベック効果素子の効率は十分ではなく、クリーンエネルギー源としての実用化に際してはさらなる熱電変換効率の高効率化が必要である。
【０００４】
現在のゼーベック係数が互いに異なる２種類の金属による異種金属接合を用いたゼーベック効果素子の熱電変換効率の指標となる性能指数Ｚは、ゼーベック係数をＳ、電気伝導度をσ、熱伝導率をκとすると、
Ｚ＝Ｓ２×（σ／κ） ・・・（１）
と表される。また、起電力Ｖの発生方向は温度勾配▽Ｔと平行方向になる。
【０００５】
この場合、ゼーベック係数Ｓ、電気伝導度σ及び熱伝導率κは全て物質固有の値であるので、性能指数Ｚも物質固有の値となり、高効率の熱電発電を実現するためには性能指数Ｚの高い熱電変換素子が必要になる。そして、性能指数Ｚを高めるためには新規な物質の開発が必要であった。
【０００６】
一方、現在の半導体装置等のエレクトロニクス分野において利用されている電子の電荷の自由度に代わるものとして、電子が電荷以外に有するスピンという自由度、即ち、スピン角運動量の自由度を利用したスピントロニクスが次世代のエレクトロニクス技術の担い手として注目を集めている。
【０００７】
このスピントロニクスでは電子の電荷とスピンの自由度を同時に利用することによって、従来にない機能や特性を得ることを目指しているが、スピントロニクス機能の多くはスピン流によって駆動される。
【０００８】
スピン流はエネルギーの散逸が少ないため、効率の良いエネルギー伝達に利用できる可能性が期待されており、スピン流の生成方法や検出方法の確立が急務になっている。
【０００９】
なお、スピン流の生成方法としては、スピンポンピングによるスピン流が提案されており（例えば、非特許文献１参照）、スピン流の検出方法についても、本発明者等により逆スピンホール効果（ＩＳＨＥ）によるスピン流の検出方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
【００１０】
図１２は、逆スピンホール効果の説明図であり、試料中に純スピン流Ｊｓを注入すると、逆スピンホール効果により純スピン流Ｊｓの方向と垂直方向に電流Ｊｃが流れる。この逆スピンホール効果を利用することによって、試料の端部に電位差Ｖが発生するので、この電位差Ｖを検出することによって、純スピン流Ｊｓの流れの有無の検出が可能になる。
【００１１】
しかし、上述のゼーベック効果を利用した熱電変換においては、式（１）からわかるように、電気伝導度σが高い物質を用いると性能指数Ｚが大きくなる。しかし、金属の場合には、電気伝導度σが高い物質は熱伝導率κも高いため、電気伝導度σ向上による性能指数Ｚ向上の効果は熱伝導率κにより相殺されてしまうという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明者は、ＮｉＦｅ等の磁性体とＰｔ等のスピン軌道相互作用の大きな金属との接合を利用したスピン−ゼーベック効果素子を提案している（例えば、特許文献２参照）。このスピン−ゼーベック効果素子においてはＮｉＦｅ等の磁性体において温度勾配により発生した熱スピン流をＰｔとの界面でスピン交換を行い、交換により発生した純スピン流により純スピン流の方向と垂直方向に流れる電流を磁性体の両端において電圧として出力するものである。
【００１３】
これは、磁性体、特に、強磁性体の場合には、外部磁場を印加した状態で温度勾配を与えると、アップスピン流とダウンスピン流に差ができて熱的にスピン流が発生することを見いだした結果を利用したものである。
【００１４】
この場合の性能指数Ｚは、スピン−ゼーベック効果素子の熱電変換能をＳｓ、逆スピンホール部材の電気伝導率をσＩ、磁性体の熱伝導率をκＦ とすると、
Ｚ＝Ｓｓ２×（σＩ／κＦ） ・・・（２）
と表される。この場合の性能指数では、従来の性能指数と異なり、分子の電気伝導率と分母の熱伝導率はそれぞれ異なる物質が担うため、素子の材料選択をすることによって性能指数を大幅に変えることができる。
【００１５】
但し、この場合には、起電力Ｖの発生方向は、逆スピンホール効果を利用しているので温度勾配▽Ｔと垂直方向になる。スピン−ゼーベック効果素子の熱電変換能Ｓｓは温度勾配▽Ｔに垂直な方向の長さに比例するので、従来のゼーベック効果素子に比べて、試料サイズにより性能指数Ｚを変調することができるという特徴がある。即ち、試料のサイズを温度勾配▽Ｔに垂直な方向の長さが長くなるように構成することによって、長さに比例した起電力Ｖを得ることができる。
【００１６】
スピン流は物理的な保存量ではないため、このような熱スピン流変換を利用することによって、温度勾配を与えるだけでスピン流を連続して取り出すことができ、したがって、熱起電力も連続して取り出すことができる。
【００１７】
しかし、このスピン−ゼーベック効果素子においては、熱スピン流発生部材に熱伝導率κの大きい金属を用いており、したがって、起電力Ｖを増大させるために試料のサイズを大きくすると均一な温度勾配▽Ｔを設けることが困難になってしまう。よって、現状では、全金属系スピン−ゼーベック効果素子を用いて工業的に利用可能な熱電変換素子を実現することは困難である。
【００１８】
そこで、本発明者は、熱スピン流発生部材として、金属の代わりにＹＩＧ等の熱伝導率の小さな磁性誘電体を用いたスピン−ゼーベック効果素子を提案している（例えば、特許文献３参照）。ここで、図１３を参照して、磁性誘電体を用いたスピン−ゼーベック効果素子を説明する。
【００１９】
図１３は、磁性誘電体を用いたスピン−ゼーベック効果素子の概略的斜視図であり、磁性誘電体層５１上にストライプ状の非磁性導電体５２,５３を設ける。この状態で、矢印の方向に外部磁界Ｈを印加するとともに、均一な温度勾配▽Ｔを設けることによって、素子の高温側及び低温側に位置する磁性誘電体／非磁性導電体界面にそれぞれ逆符号の純スピン流Ｊｓが流れる。常電導体５２，５３に注入された純スピン流ＪＳは、電子相対論効果によって温度勾配▽Ｔに直交する方向の電流に変換され、高温側に設けた非磁性導電体５２と低温側に設けた非磁性導電体５３に互いに逆向きの熱起電力ＶＩＳＨＥが発生する。即ち、逆スピン−ホール効果による起電力は、注入された純スピン流ＪＳとスピンの偏極方向（磁性誘電体の磁化方向Ｍ）の外積方向に発生する。
【００２０】
磁性誘電体５１としては、ＦｅやＣｏを含むものであれば何でも良いが、実用的には、入手が容易で且つスピン角運動量の散逸の小さいＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）やイットリウムガリウム鉄ガーネット、即ち、一般式で表記するとＹ３Ｆｅ５−ｘＧａｘＯ１２（但し、ｘ＜５）を用いる。また、逆スピンホール効果部材となる非磁性導電体５２，５３としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、或いは、ｆ軌道を有する元素のいずれかを用いることが望ましい。これらの元素はスピン軌道相互作用が大きいので、磁性誘電体５１との界面において、熱スピン波スピン流と純スピン流の交換を高効率で行うことができる。
【００２１】
図１４は、スピン波スピン流の説明図であり、図１４に模式的に示すように、スピン波スピン流とは、スピンが平衡位置の周りで歳差運動し、その位相の変化が波としてスピン系を伝わっていくものであり、熱スピン波スピン流とは位相変化が熱により生起されたものをいう。スピン波スピン流の特徴は、伝導電子型の純スピン流のスピン拡散長が数ｎｍ〜数百ｎｍであるのに対して、数ｍｍ或いは数ｃｍ以上の長距離に亘って伝播可能であることであり、これは様々な実験によってすでに確認されている（例えば、非特許文献３参照）。
【００２２】
この熱スピン波スピン流−純スピン流交換においては、磁性誘電体中において温度勾配により発生した熱スピン波スピン流が金属電極中のスピンと交換されて金属電極中に純スピン流が生起され、この純スピン流により電流が生じ、この電流により金属電極の両端に熱起電力ＶＩＳＨＥが発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２００７−１６５４６３号公報
【特許文献２】特開２００９−１３００７０号公報
【特許文献３】国際公開パンフレット ＷＯ ２００９／１５１０００
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．，Ｂ１９，ｐ．４３８２，１９７９
【非特許文献２】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．８８，ｐ．１８２５０９，２００６
【非特許文献３】Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ.４６４，ｐ.２６２−２６６，２０１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
しかし、上述の磁性誘電体を用いたスピン−ゼーベック効果素子の場合も磁性誘電体層の面内方向に温度勾配▽Ｔを設けているため、熱源との接触状態が限られ、ボイラーや煙突等に巻きつけるように接触させることができないという問題があり、その結果、現実の適用範囲が狭いという問題がある。
【００２６】
したがって、本発明は、温度勾配から電力を取り出す際の設計自由度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記課題を解決するために、本発明は、熱電変換素子であって、磁性誘電体からなる熱スピン波スピン流発生部材に逆スピンホール効果部材を設け、前記熱スピン波スピン流発生部材の厚さ方向に温度勾配を設けるとともに、磁場印加手段により前記逆スピンホール効果部材の長手方向と直交する方向且つ前記温度勾配と直交する方向に磁場を印加して前記逆スピンホール効果部材において熱スピン波スピン流を電圧に変換して取り出す。
【００２８】
このように、熱スピン波スピン流発生部材の厚さ方向に温度勾配を設けることによって、熱起電力を温度勾配に垂直な方向に生成することができ、素子設計自由度が大きくなる。
【００２９】
また、磁性誘電体としては、フェリ磁性誘電体、強磁性誘電体でも或いは反強磁性誘電体でも良い。磁性誘電体をフェリ磁性誘電体或いは強磁性誘電体とする場合には、磁場印加手段として磁性誘電体に接してその磁化方向を固定する反強磁性層を設けても良い。
【００３０】
また、磁性誘電体としては、ＦｅやＣｏを含むものであれば何でも良いが、ガーネットフェライト、ＭｎｘＺｎ１−ｘＦｅ２Ｏ４（但し、０＜ｘ＜１）等のスピネルフェライト、或いは、六方晶フェライトを用いることが望ましい。
【００３１】
また、逆スピンホール効果部材としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、或いは、ｆ軌道或いは３ｄ軌道を有する遷移金属を有する元素、若しくはそれらの合金のいずれかを有する元素のいずれか、或いは、これらの材料とＣｕ、Ａｌ、或いは、Ｓｉの合金を用いることが望ましい。
【００３２】
上述の熱電変換素子を複数個、磁化方向が互いに反対になるように交互に配置するか或いは磁化方向が互いに同じ向きになるように配置し、熱起電力が直列接続になるように前記逆スピンホール効果部材の端部を互いに接続することによって高起電力を出力する熱電変換装置を構成することができる。
【００３３】
或いは、磁性誘電体からなる熱スピン波スピン流発生部材の両面に逆スピンホール効果部材を設けて熱電変換要素を構成し、複数の前記熱電変換要素を非磁性絶縁体を介して積層するとともに、熱起電力が直列接続になるように前記逆スピンホール効果部材の端部を互いに接続し、前記熱電変換要素の積層方向に温度勾配を設けるとともに、磁場印加手段により前記逆スピンホール効果部材の長手方向と直交する方向且つ前記温度勾配と直交する方向に磁場を印加して前記逆スピンホール効果部材において熱スピン波スピン流を電圧に変換して取り出すようにしても良い。
【発明の効果】
【００３４】
本発明は、熱スピン波スピン流発生部材の厚さ方向に温度勾配を設けているので、熱起電力を温度勾配に垂直な方向に生成することができ、素子設計自由度が大きくなり、それによって適用可能な熱源が飛躍的に増大する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態の熱電変換素子の概念的構成図である。
【図２】従来例の構成との対比を容易にするために変形した変形図である。
【図３】Ｐｔ電極側を高温側とした場合の構成説明図である。
【図４】Ｐｔ電極側を低温側とした場合の構成説明図である。
【図５】測定結果の説明図である。
【図６】本発明の実施例２の熱電変換装置の概念的構成図である。
【図７】本発明の実施例３の熱電変換装置の概念的構成図である。
【図８】本発明の実施例４の熱電変換装置の概念的構成図である。
【図９】本発明の実施例５の熱電変換装置の概念的構成図である。
【図１０】本発明の実施例６の熱電変換装置の構成説明図である。
【図１１】本発明の実施例６における測定結果の説明図である。
【図１２】逆スピンホール効果の説明図である。
【図１３】磁性誘電体を用いたスピン−ゼーベック効果素子の概略的斜視図である。
【図１４】スピン波スピン流の説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態の熱電変換素子の概念的構成図であり、図１（ａ）は概念的斜視図であり、また、図１（ｂ）は逆スピンホール効果部材側を高温にした場合の概念的断面図であり、図１（ｃ）は、逆スピンホール効果部材側を低温にした場合の概念的断面図である。なお、図における矢印は熱流の方向を示している。
【００３７】
図に示すように、磁性誘電体からなる熱スピン波スピン流発生部材１１に逆スピンホール効果部材１２を設け、熱スピン波スピン流発生部材１１の厚さ方向に温度勾配（図における縦方向）を設けるとともに、磁場印加手段により逆スピンホール効果部材１２の長手方向と直交する方向に磁場Ｈを印加して逆スピンホール効果部材１２の両端から熱起電力Ｖを取り出す。
【００３８】
図２は、本発明の構成を図１２に示した従来例の構成との対比を容易にするために変形した変形図であり、平板状の熱スピン波スピン流発生部材１１の両端に非磁性導電体からなる逆スピンホール効果部材１２１，１２２を設け、熱スピン波スピン流発生部材１１の長手方向に温度勾配▽Ｔを設けるとともに、熱スピン波スピン流発生部材１１の厚さ方向に外部磁界Ｈを印加する。
【００３９】
この時、熱スピン波スピン流Ｊｓは、逆スピンホール効果部材１２１，１２２との界面において、熱スピン波スピン流と純スピン流の交換により、逆スピンホール効果部材１２１，１２２に純スピン流として注入される。
【００４０】
注入された純スピン流は電子相対論的効果によって温度勾配と直交する方向に電流が流れて逆スピンホール効果部材１２１，１２２の長手方向に熱起電力ＶＩＳＨＥが発生する。この時、両方の逆スピンホール効果部材１２１，１２２との界面の熱起電力ＶＩＳＨＥの方向は、流れ込むスピン流の方向が同じであるので、熱起電力ＶＩＳＨＥは同じ向きになる。
【００４１】
この図２に示した素子の熱スピン波スピン流発生部材１１を温度勾配方向に極端に短くして厚さと同程度の長さとするとともに、一方の逆スピンホール効果部材１２１，１２２を除去し、それを９０°回転させると図１に示した熱電変換素子と等価になる。逆スピンホール効果部材１２２を除去すると、図１（ｂ）と等価になり、逆スピンホール効果部材１２１を除去すると、図１（ｃ）と等価になる。
【００４２】
磁性誘電体としては、ＦｅやＣｏを含むものであれば何でも良いが、ガーネットフェライト、ＭｎｘＺｎ１−ｘＦｅ２Ｏ４（但し、０＜ｘ＜１）等のスピネルフェライト、或いは、六方晶フェライト、特に、実用的には、入手が容易で且つスピン角運動量の散逸の小さいＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）やイットリウムガリウム鉄ガーネット、即ち、一般式で表記するとＹ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）からなるガーネットフェライト、或いは、ＹＩＧのＹサイトをＬａ等の原子で置換したガーネットフェライト、例えば、ＬａＹ２Ｆｅ５Ｏ１２等を用いることが望ましい。これは、Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２は電荷ギャップが大きいので伝導電子が非常に少なく、したがって、伝導電子によるスピン角運動量の散逸が小さいためである。但し、コストの観点からは、通常のフェライトＦｅ３Ｏ４等の安価な材料が望ましい。
【００４３】
また、反強磁性誘電体を用いる場合には、典型的には酸化ニッケルやＦｅＯが挙げられるが、磁性誘電体の大半は反強磁性誘電体である。また、磁性誘電体層を強磁性誘電体で構成する場合には、磁性誘電体層の磁化方向を固定するために反強磁性層を設けることが望ましい。
【００４４】
なお、磁性誘電体の代わりに導電性磁性体を用いた場合には、逆スピンホール効果部材と熱起電力が発生していない導電性磁性体とが接合した構造となり、両者の間で電気的な緩和が起こるので、逆スピンホール効果部材から熱起電力を取り出すことが非常に困難になる。
【００４５】
また、磁性誘電体層の成長方法としては、スパッタ法、ＭＯＤ法（Ｍｅｔａｌ-ｏｒｇａｎｉｃ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ：有機金属塗布熱分解法）、ゾル−ゲル法、液相エピタキシー法、フローティングゾーン法、或いは、エアロゾルデポジッション法（必要ならば、上述の特許文献４参照）のいずれを用いても良い。また、磁性誘電体層の結晶性としては単結晶でも良いし或いは多結晶でも良い。
【００４６】
ＭＯＤ法を用いる場合には、例えば、｛１００｝面を主面とするＧＧＧ（Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２）単結晶基板上に、例えば、Ｙ３Ｆｅ４ＧａＯ１２組成のＭＯＤ溶液をスピンコート法で塗布する。この場合のスピンコート条件としては、まず、５００ｒｐｍで５秒間回転させたのち、３０００〜４０００ｒｐｍで３０秒間回転させてＭＯＤ溶液を焼成後の膜厚が１００ｎｍになるように均一に塗布する。なお、ＭＯＤ溶液としては、例えば、（株）高純度化学研究所製のＭＯＤ溶液を用いる。
【００４７】
次いで、例えば、１５０℃に加熱したホットプレート上で５分間乾燥させて、ＭＯＤ溶液に含まれる余分な有機溶媒を蒸発させる。次いで、電気炉中において、例えば、５５０℃で５分間加熱する仮焼成によって酸化物層とする。
【００４８】
次いで、電気炉中において、７５０℃で１〜２時間加熱する本焼成において酸化物層の結晶化を進めてＹＩＧ層とする。最後に、ＹＩＧ層を所定のサイズに切り出したのち、マスクスパッタ法を用いてＹＩＧ層上に、Ｐｔ電極等の逆スピンホール効果部材を設けることにより熱電変換素子が得られる。
【００４９】
また、エアロゾルデポジション法を用いる場合には、例えば、平均粒径が１μｍのＦｅ２Ｏ３、ＮｉＯ,ＺｎＯそれぞれ、５０ｍｏｌ％、２７ｍｏｌ％、２３ｍｏｌ％のエアロゾル用粉体を用い、例えば、開口が０．４ｍｍ×１０ｍｍのノズルを用いてキャリガスとなるＡｒガスを１０００ｓｃｃｍ流して基板上に噴射させて堆積させれば良い。
【００５０】
また、逆スピンホール効果部材としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、或いは、ｆ軌道或いは３ｄ軌道を有する遷移金属を有する元素、若しくはそれらの合金のいずれかを有する元素のいずれか、或いは、これらの材料とＣｕ、Ａｌ、或いは、Ｓｉの合金を用いることが望ましい。前者の元素はスピン軌道相互作用が大きいので、磁性誘電体との界面において、熱スピン波スピン流と純スピン流の交換を高効率で行うことができる。但し、コストの観点からは、前者の材料とＣｕ、Ａｌ、或いは、Ｓｉの合金が望ましい。
【実施例１】
【００５１】
ここで、図３乃至図５を参照して、本発明の実施例１の熱電変換装置を説明する。図３は、逆スピンホール効果部材であるＰｔ電極側を高温側とした場合の構成説明図であり、図３（ａ）は概略的正面図であり、図３（ｂ）は概略的側面図であり、図３（ｃ）は、熱電変換素子近傍の要部上面図である。
【００５２】
Ｃｕブロック４１上に単結晶のＹＩＧ板２１とＰｔ電極２２とからなる熱電変換素子２０を固着し、熱源に接触するＣｕブロック４２との間を真鍮製のコ字状の熱伝搬部材４３で熱的に接続する。従って、温度勾配▽Ｔは上向きとなる。ここで、外部磁場ＨをＰｔ電極の長手方向と垂直方向で且つ温度勾配▽Ｔと垂直方向（図において左向き）に印加する。
【００５３】
なお、ＹＩＧ板２１のサイズは、厚さ１ｍｍ×幅２ｍｍ×長さ６ｍｍであり、Ｐｔ電極２２のサイズは、厚さ１５ｎｍ、幅０．５ｍｍ、長さ６ｍｍである。この時、温度差ΔＴを熱電対４４で測定するとともに、Ｐｔ電極２２の長手方向で発生する熱起電力を電圧計４５で測定する。
【００５４】
図４は逆スピンホール効果部材であるＰｔ電極側を低温側とした場合の構成説明図であり、図４（ａ）は概略的正面図であり、図４（ｂ）は概略的側面図であり、図４（ｃ）は、熱電変換素子近傍の要部上面図である。
【００５５】
熱源に接触するＣｕブロック４２上に単結晶のＹＩＧ板２１とＰｔ電極２２とからなる熱電変換素子２０を固着し、Ｃｕブロック４１との間を真鍮製のコ字状の熱伝搬部材４３で熱的に接続する。従って、温度勾配▽Ｔは下向きとなる。ここで、図３の場合と同様に、外部磁場ＨをＰｔ電極の長手方向と垂直方向で且つ温度勾配▽Ｔと垂直方向（図において左向き）に印加し、温度差ΔＴを熱電対４４で測定するとともに、Ｐｔ電極２２の長手方向で発生する熱起電力を電圧計４５で測定する。
【００５６】
図５は、測定結果の説明図であり、図５（ａ）は図３の構成の測定結果であり、図５（ｂ）は図４の構成の測定結果である。図５に示すように、いずれの場合にも、Ｈ＝１０００〔Ｏｅ〕とした条件で、温度差ΔＴ＝２０℃で、約１５μＶの起電力が得られた。なお、外部磁場ＨをＰｔ電極２２の長手方向に印加した場合、即ち、θ＝０°の場合には、起電力はＰｔ電極２２の幅方向に発生するので、図に示した構成では起電力は取り出すことができない。
【実施例２】
【００５７】
次に、図６を参照して、本発明の実施例２の熱電変換装置を説明する。図６は本発明の実施例２の熱電変換装置の概念的構成図であり、図６（ａ）は概念的平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概念的断面図である。上述のＹＩＧ板２１とＰｔ電極２２からなる熱電変換素子２０のＹＩＧ板２１の裏面に磁化方向を付与したＩｒＭｎ反強磁性体板２３を貼りつける。この時、ＩｒＭｎ反強磁性体板２３の磁化方向ＭがＰｔ電極２２の長手方向と直交するように磁化方向を付与しておく。
【００５８】
この熱電変換素子２０を磁化方向Ｍが互いに反対になるように交互にＰＥＴシート等の可撓性シート２４上に配置して固着し、それぞれ隣接する熱電変換素子２０のＰｔ電極２２を隣の熱電変換素子２０のＰｔ電極２２とＣｕ接続導体２５を用いて順次接続する。
【００５９】
可撓性シート２４を熱源に密着させ、Ｐｔ電極２２側を空冷或いは水冷により冷却することによって、熱起電力を取り出すことができる。この時の熱起電力Ｖｔｏｔは、熱電変換素子２０の数をｎ、一個の熱電変換素子２０の熱起電力をＶとすると、
Ｖｔｏｔ＝ｎ×Ｖ
となる。
【実施例３】
【００６０】
次に、図７を参照して、本発明の実施例３の熱電変換装置を説明する。図７は本発明の実施例２の熱電変換装置の概念的構成図であり、図７（ａ）は概念的平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概念的断面図である。
【００６１】
耐熱性ガラス繊維シート等の耐熱性可撓性シート３１上にマスクスパッタ法を用いてＩｒＭｎ反強磁性体層３２をラインアンドスペース状に堆積する。この時、外部磁場を印加しておき、ＩｒＭｎ反強磁性体層３２を外部磁場の方向に磁化する。
【００６２】
次いで、ＩｒＭｎ反強磁性体層３２上に、エアロゾルデポジション法を用いてＦｅ３Ｏ４を選択的に堆積させて磁性誘電体層３３を形成する。次いで、マスク蒸着法を用いて磁性誘電体層３３上にＰｔ電極３４を形成することによって熱電変換素子３０とする。
【００６３】
次いで、それぞれ隣接する熱電変換素子３０のＰｔ電極３４の一方の端部を隣の熱電変換素子３０のＰｔ電極３４の反対側の端部とＣｕ接続導体３５を用いて順次接続する。耐熱性可撓性シート３１を熱源に密着させ、Ｐｔ電極３４側を空冷或いは水冷により冷却することによって、熱起電力を取り出すことができる。この時の熱起電力Ｖｔｏｔも、熱電変換素子３０の数をｎ、一個の熱電変換素子３０の熱起電力をＶとすると、
Ｖｔｏｔ＝ｎ×Ｖ
となる。この場合、各熱電変換素子３０における磁性誘電体層３３は一様な方向に磁化しているため、ＩｒＭｎ反強磁性体層３２を用いず、外部磁場によって磁性誘電体層３３を磁化させても良い。
【実施例４】
【００６４】
次に、図８を参照して、本発明の実施例４の熱電変換装置を説明する。図８は本発明の実施例４の熱電変換装置の概念的構成図であり、図８（ａ）は概念的側面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概念的断面図である。上述のＹＩＧ板２１の対向する一対の主面にＰｔ電極２２１，２２２をマスク蒸着して熱電変換要素２６を形成する。
【００６５】
この熱電変換要素２６をＳｉＯ２や絶縁性樹脂等の非磁性絶縁体２７を介して積層し、Ｐｔ電極２２１の一方の端部とその上に位置するＰｔ電極２２２の他方の端部をＣｕ接続導体２８により順次接続することによって熱電変換装置を作製する。
【００６６】
この熱電変換装置の積層方向に温度勾配▽Ｔを設けるとともに、外部磁界ＨをＰｔ電極２２１，２２２の長手方向と温度勾配▽Ｔに対して直交するように印加すると一つのＹＩＧ板２１と両側のＰｔ電極２２１，２２２との界面から２つのＰｔ電極２２１，２２２に図において矢印で示す方向に純スピン電流Ｊｓが注入され、Ｐｔ電極２２１，２２２中の逆スピンホール効果によって起電力に変換される。
【００６７】
したがって、熱電変換要素一個当たり発生する熱起電力は、図１の熱起変換素子の熱起電力の２倍になるので、熱起電力Ｖｔｏｔは、熱電変換要素２６の数をｎとすると、
Ｖｔｏｔ＝ｎ×（２×Ｖ）
となる。
【実施例５】
【００６８】
次に、図９を参照して、本発明の実施例５の熱電変換装置を説明する。図９は本発明の実施例５の熱電変換装置の概念的構成図である。Ｐｔ電極２２とＣｕ等のスピン軌道相互作用の小さな常磁性導体２９とでＹＩＧ板２１を挟持した積層体をＳｉＯ２や絶縁性樹脂等の非磁性絶縁体２７を介して積層し、Ｐｔ電極２２の端部をその上に位置する常磁性導体２９の端部とをＣｕ接続導体２８により順次接続することによって熱電変換装置を作製する。
【００６９】
この熱電変換装置の積層方向に温度勾配▽Ｔを設けるとともに、外部磁界ＨをＰｔ電極２２の長手方向と温度勾配▽Ｔに対して直交するように印加すると一つのＹＩＧ板２１とＰｔ電極２２との界面から図において矢印で示す方向に純スピン電流Ｊｓが注入され、Ｐｔ電極２２１，２２２中の逆スピンホール効果によって起電力に変換される。常磁性導体２９にはスピン軌道相互作用の小さな物質を用いているので、常磁性導体２９中には逆スピンホール効果による熱起電力は発生しない。
【００７０】
したがって、熱電変換要素一個当たり発生する熱起電力は、図１の熱起変換素子の熱起電力と同じになるので、熱起電力Ｖｔｏｔは、積層体の数をｎとすると、
Ｖｔｏｔ＝ｎ×Ｖ
となる。この場合、上述の実施例４と比較すると熱起電力は半分になるものの、積層体の電気的相互接続が容易になる。
【実施例６】
【００７１】
次に、図１０及び図１１を参照して、本発明の実施例６の熱電変換装置を説明する。図１０は、本発明の実施例６の熱電変換装置の構成説明図であり、図１０（ａ）は概略的正面図であり、図１０（ｂ）は概略的側面図であり、図１０（ｃ）は、熱電変換素子近傍の要部上面図である。ここでは、図４と同様に逆スピンホール効果部材であるＰｔ電極側を低温側とした場合を説明しているが、図３と同様に、逆スピンホール効果部材であるＰｔ電極側を高温側としても良い。
【００７２】
熱源に接触するＣｕブロック４２上に焼結体からなるＭｎ０．７５Ｚｎ０．２５Ｆｅ２Ｏ４板６１とＰｔ電極６２とからなる熱電変換素子６０を固着し、Ｃｕブロック４１との間を真鍮製のコ字状の熱伝搬部材４３によりＡｌ２Ｏ３板６３を介して熱的に接続する。従って、温度勾配▽Ｔは下向きとなる。
【００７３】
ここで、図４の場合と同様に、外部磁場ＨをＰｔ電極６２の長手方向と垂直方向で且つ温度勾配▽Ｔと垂直方向（図において左向き）に印加し、温度差ΔＴを熱電対４４で測定するとともに、Ｐｔ電極６２の長手方向で発生する熱起電力を電圧計４５で測定する。
【００７４】
なお、Ｍｎ０．７５Ｚｎ０．２５Ｆｅ２Ｏ４板６１のサイズは、厚さ１ｍｍ×幅２ｍｍ×長さ６ｍｍであり、Ｐｔ電極６２のサイズは、厚さ１５ｎｍ×幅０．５ｍｍ×長さ６ｍｍである。また、Ａｌ２Ｏ３板６３のサイズは、厚さ０．５ｍｍ×幅５ｍｍ×長さ５ｍｍであり、起電力測定時に熱電変換素子６０を熱伝搬部材４３から電気的に絶縁するために介在させており、熱伝導率の高い絶縁体であれば、Ａｌ２Ｏ３でなくても良い。
【００７５】
図１１は、測定結果の説明図であり、図１１（ａ）は熱起電力Ｖと温度差ΔＴの相関図であり、ここでも、Ｈ＝１０００〔Ｏｅ〕とした条件で、温度差ΔＴ＝１５℃で、約２μＶの起電力が得られた。なお、外部磁場ＨをＰｔ電極６２の長手方向に印加した場合、即ち、θ＝０°の場合には、起電力はＰｔ電極２２の幅方向に発生するので、図に示した構成では起電力は取り出すことができない。
【００７６】
図１１（ｂ）は、外部磁場を掃引した場合の熱起電力の温度差依存性の説明図であり、下側の線は外部磁場をマイナスからプラスに掃引した場合の特性曲線であり、下側の線は外部磁場をプラスからマイナスにした場合の特性曲線である。
【００７７】
図から明らかなように、いずれの温度差ΔＴにおいても明瞭なヒステリシスループが表れているので、観測された起電力がＭｎ０．７５Ｚｎ０．２５Ｆｅ２Ｏ４板６１の磁化反転に由来して反転すること、即ち、逆スピンホール効果の対称性に整合することがわかる。
【００７８】
なお、この実施例６のＭｎ０．７５Ｚｎ０．２５Ｆｅ２Ｏ４板は、ＹＩＧに比べて熱起電力が小さいが、これは、焼結体、即ち、微結晶界面でマグノンが散乱されるとともに、磁気損失（緩和定数α）がＹＩＧよりはるかに大きいためと考えられる。なお、実施例６においては、Ｍｎ：Ｚｎ＝３：１の組成比の（ＭｎＺｎ）Ｆｅ２Ｏ４を用いているが、組成比は任意である。
【符号の説明】
【００７９】
１１ 熱スピン波スピン流発生部材
１２，１２１，１２２ 逆スピンホール効果部材
２０，６０ 熱電変換素子
２１ ＹＩＧ板
２２，２２１，２２２ ，６２ Ｐｔ電極
２３ ＩｒＭｎ反強磁性体板
２４ 可撓性シート
２５，２８ Ｃｕ接続導体
２６ 熱電変換要素
２７ 非磁性絶縁体
２９ 常磁性導体
３０ 熱電変換素子
３１ 耐熱性可撓性シート
３２ ＩｒＭｎ反強磁性体層
３３ 磁性誘電体層
３４ Ｐｔ電極
３５ Ｃｕ接続導体
４１，４２ Ｃｕブロック
４３ 熱伝搬部材
４４ 熱電対
４５ 電圧計
５１ 磁性誘電体層
５２，５３ 非磁性導電体
６１ Ｍｎ０．７５Ｚｎ０．２５Ｆｅ２Ｏ４板
６３ Ａｌ２Ｏ３板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性誘電体からなる熱スピン波スピン流発生部材に逆スピンホール効果部材を設け、前記熱スピン波スピン流発生部材の厚さ方向に温度勾配を設けるとともに、磁場印加手段により前記逆スピンホール効果部材の長手方向と直交する方向且つ前記温度勾配と直交する方向に磁場を印加して前記逆スピンホール効果部材において熱スピン波スピン流を電圧に変換して取り出す熱電変換素子。
【請求項２】
前記磁性誘電体が、フェリ磁性誘電体、強磁性誘電体或いは反強磁性誘電体のいずれかからなる請求項１記載の熱電変換素子。
【請求項３】
前記磁性誘電体がフェリ磁性誘電体或いは強磁性誘電体からなるとともに、前記磁場印加手段が前記磁性誘電体に接してその磁化方向を固定する反強磁性層である請求項１または２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記磁性誘電体が、ガーネットフェライト、スピネルフェライト、或いは、六方晶フェライトのいずれかからなる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
前記磁性誘電体が、Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）からなるガーネットフェライトである請求項４に記載の熱電変換素子。
【請求項６】
前記磁性誘電体が、ＭｎｘＺｎ１−ｘＦｅ２Ｏ４(但し、０＜ｘ＜１）からなるスピネルフェライトである請求項４に記載の熱電変換素子。
【請求項７】
前記逆スピンホール効果部材が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、ｆ軌道を有する元素或いは３ｄ軌道を有する遷移金属を有する元素、若しくはそれらの合金のいずれか、または、前記各材料とＣｕ、Ａｌ、或いは、Ｓｉとの合金のいずれかからなる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の熱電変換素子を複数個、磁化方向が互いに反対になるように交互に配置するとともに、熱起電力が直列接続になるように前記逆スピンホール効果部材の端部を互いに接続した熱電変換装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の熱電変換素子を複数個、磁化方向が互いに同じ向きになるように配置するとともに、熱起電力が直列接続になるように前記逆スピンホール効果部材の端部を互いに接続した熱電変換装置。
【請求項１０】
磁性誘電体からなる熱スピン波スピン流発生部材の両面もしくは片面に逆スピンホール効果部材を設けて熱電変換要素を構成し、複数の前記熱電変換要素を非磁性絶縁体を介して積層するとともに、熱起電力が直列接続になるように前記逆スピンホール効果部材の端部を互いに接続し、前記熱電変換要素の積層方向に温度勾配を設けるとともに、磁場印加手段により前記逆スピンホール効果部材の長手方向と直交する方向且つ前記温度勾配と直交する方向に磁場を印加して前記逆スピンホール効果部材において熱スピン波スピン流を電圧に変換して取り出す熱電変換装置。
【請求項１】
磁性誘電体からなる熱スピン波スピン流発生部材に逆スピンホール効果部材を設け、前記熱スピン波スピン流発生部材の厚さ方向に温度勾配を設けるとともに、磁場印加手段により前記逆スピンホール効果部材の長手方向と直交する方向且つ前記温度勾配と直交する方向に磁場を印加して前記逆スピンホール効果部材において熱スピン波スピン流を電圧に変換して取り出す熱電変換素子。
【請求項２】
前記磁性誘電体が、フェリ磁性誘電体、強磁性誘電体或いは反強磁性誘電体のいずれかからなる請求項１記載の熱電変換素子。
【請求項３】
前記磁性誘電体がフェリ磁性誘電体或いは強磁性誘電体からなるとともに、前記磁場印加手段が前記磁性誘電体に接してその磁化方向を固定する反強磁性層である請求項１または２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記磁性誘電体が、ガーネットフェライト、スピネルフェライト、或いは、六方晶フェライトのいずれかからなる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
前記磁性誘電体が、Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）からなるガーネットフェライトである請求項４に記載の熱電変換素子。
【請求項６】
前記磁性誘電体が、ＭｎｘＺｎ１−ｘＦｅ２Ｏ４(但し、０＜ｘ＜１）からなるスピネルフェライトである請求項４に記載の熱電変換素子。
【請求項７】
前記逆スピンホール効果部材が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、ｆ軌道を有する元素或いは３ｄ軌道を有する遷移金属を有する元素、若しくはそれらの合金のいずれか、または、前記各材料とＣｕ、Ａｌ、或いは、Ｓｉとの合金のいずれかからなる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の熱電変換素子を複数個、磁化方向が互いに反対になるように交互に配置するとともに、熱起電力が直列接続になるように前記逆スピンホール効果部材の端部を互いに接続した熱電変換装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の熱電変換素子を複数個、磁化方向が互いに同じ向きになるように配置するとともに、熱起電力が直列接続になるように前記逆スピンホール効果部材の端部を互いに接続した熱電変換装置。
【請求項１０】
磁性誘電体からなる熱スピン波スピン流発生部材の両面もしくは片面に逆スピンホール効果部材を設けて熱電変換要素を構成し、複数の前記熱電変換要素を非磁性絶縁体を介して積層するとともに、熱起電力が直列接続になるように前記逆スピンホール効果部材の端部を互いに接続し、前記熱電変換要素の積層方向に温度勾配を設けるとともに、磁場印加手段により前記逆スピンホール効果部材の長手方向と直交する方向且つ前記温度勾配と直交する方向に磁場を印加して前記逆スピンホール効果部材において熱スピン波スピン流を電圧に変換して取り出す熱電変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−２４９７４６（Ｐ２０１１−２４９７４６Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９５５０８（Ｐ２０１０−１９５５０８）
【出願日】平成２２年９月１日（２０１０．９．１）
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１日（２０１０．９．１）
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【Ｆターム（参考）】
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