(57)【要約】【課題】磁性材料を含む熱電変換素子において、発電効率を低下させずに、素子の周囲に及ぶ磁場の影響を抑制する。【解決手段】磁性材料を含んで形成され、温度勾配によって起電力が発生する熱電変換ユニットを複数備え、第１の熱電変換ユニットに含まれる磁性材料の磁化の方向と、電気的に接続され隣接する第２の熱電変換ユニットに含まれる磁性材料の磁化の方向とが非平行になるように配置されている熱電変換素子とする。【選択図】      図５
2020009794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性材料を含んで形成され、温度勾配によって起電力が発生する熱電変換ユニットを複数備え、
第１の前記熱電変換ユニットに含まれる前記磁性材料の磁化の方向と、電気的に接続され隣接する第２の前記熱電変換ユニットに含まれる前記磁性材料の磁化の方向とが非平行になるように配置されている熱電変換素子。
【請求項２】
複数の前記熱電変換ユニットは、
それぞれの前記熱電変換ユニットに含まれる前記磁性材料の磁化に起因する磁場が互いに打ち消し合うように配置される請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項３】
前記熱電変換ユニットは、
絶縁性の前記磁性材料を含む磁性絶縁体層と、
スピン軌道相互作用を有する材料を含む起電体層とを積層させた構造を有する請求項１または２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記熱電変換ユニットは、
導電性の前記磁性材料を含む磁性金属層を有する請求項１または２に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
複数の前記熱電変換ユニットが同一平面上に配置された構造を有する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
【請求項６】
複数の前記熱電変換ユニットが積層された構造を有する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
【請求項７】
複数の前記熱電変換ユニットのうち少なくとも二つが同一平面上に配置された構造と、複数の前記熱電変換ユニットのうち少なくとも二つが積層された構造とが組み合わされた構成を有する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
【請求項８】
材料および構造のうち少なくとも一方が同じである一種類の前記熱電変換ユニットで構成される請求項１乃至７のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
【請求項９】
材料および構造のうち少なくとも一方が異なった二種類以上の前記熱電変換ユニットで構成される請求項１乃至７のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
【請求項１０】
スピンホール角の符号が異なる前記熱電変換ユニットを組み合わせた構成を有する請求項９に記載の熱電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子に関する。特に、本発明は、磁性材料を含む熱電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギーや温室効果ガスの排出削減に向けて、無駄に捨てられている膨大な廃熱を再利用する新技術への期待が高まっている。中でも、熱を電力に変換できる熱電変換素子に注目が集まっている。熱は、動物の体温や太陽光、エンジン、工場排熱など、色々な媒体から得ることができる。そのため、熱電変換素子は、例えば、低炭素社会におけるエネルギー利用の高効率化や、ユビキタス端末・センサ等への給電といった用途に広く利用されることが期待される。
【０００３】
特許文献１には、磁性材料に温度勾配（温度差とも呼ぶ）を印加することでスピンの流れ（スピン流とも呼ぶ）を生成するスピンゼーベック効果を利用した熱電変換素子が開示されている。特許文献１の熱電変換素子は、一方向に磁化を有する磁性絶縁体層と、導電性を持つ起電体膜とによって構成される。特許文献１の素子では、面直方向の温度勾配を印加すると、スピンゼーベック効果によって磁性絶縁体中にスピン流が誘起される。特許文献１の素子では、スピン流が注入された起電体膜中における逆スピンホール効果によって面内方向に電流が流れる。その結果、特許文献１の素子によれば、温度勾配から電気を生成する熱電変換が可能となる。特許文献１の素子は、熱伝導率が比較的小さい磁性絶縁体を用いて構成されるため、効果的な熱電変換を行うための必要条件である温度差の保持が可能となる。
【０００４】
一方、スピンゼーベック効果とは別に、導電性のある磁性金属における異常ネルンスト効果と呼ばれる熱電効果もある。異常ネルンスト効果に基づく熱電変換素子は、一方向に磁化を有するニッケルＮｉや鉄Ｆｅなどを含有する磁性金属層を含む。磁性金属層の面直方向に温度勾配を印加すると、面内方向に電流が流れる。スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果とは、いずれも面直方向の温度勾配によって面内方向の起電力を誘起するという同様の対称性を持つ。
【０００５】
非特許文献１には、スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果とを併用するハイブリッド型スピン熱電素子が開示されている。
【０００６】
スピンゼーベック効果や異常ネルンスト効果を利用する熱電変換素子においては、磁化を持つ磁性材料が用いられる。そのため、熱電変換素子の周辺に発生する磁場によって、熱電変換素子が組み込まれた電子回路に影響が及ぶ可能性がある。例えば、熱電変換素子を磁気シールドで覆うことによって、熱電変換素子の周辺に磁場が発生することを抑制できる。
【０００７】
特許文献２には、磁気記憶型素子の周囲に磁場の影響が及ばないように、素子を磁気シールドで覆った構造の半導体装置が開示されている。
【０００８】
特許文献３および特許文献４には、磁性体の磁化方向が互いに反平行になるように、複数個の熱電変換素子を交互に配置した構造が開示されている。特許文献３および特許文献４のように複数の熱電変換素子を、その磁化方向が互いに反平行になるように交互に配置すると、それぞれの磁性体の磁化が互いに打ち消し合い、全体として素子周辺の磁場を弱めることができる。
【０００９】
特許文献５には、スピンゼーベック効果および逆スピンホール効果に基づく熱電変換素子について開示されている。特許文献５の熱電変換素子は、磁性体と、磁性体に磁気的に結合した起電体とを有する。磁性体は、形状磁気異方性による少なくとも一つの磁化容易軸を有し、磁化容易軸の少なくとも一方向に磁化する。起電体は、磁性体の磁化容易軸に平行な面に設けられる。
【００１０】
特許文献６には、熱電変換効率を向上させた熱電変換素子について開示されている。特許文献６の熱電変換素子は、磁性層と非磁性層が交互に複数層積層され、非磁性層を挟んで隣り合う２つの磁性層の磁化方向が互いに反平行になっている多層膜と、多層膜の積層面に電気的に接合された非磁性導電層とを備える。さらに、特許文献６の熱電変換素子は、多層膜の膜面方向に温度勾配を与える機構と、非磁性導電層の多層膜の積層方向に生じた電圧差を検出するための一対の端子とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２００９／１５１０００号
【特許文献２】特開２０１３−２０７０５９号公報
【特許文献３】特開２０１１−２４９７４６号公報
【特許文献４】特開２０１５−１８５７７８号公報
【特許文献５】特開２０１５−１９２０１３号公報
【特許文献６】特開２０１２−０３８９２９号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】K.Uchida, et al., “Thermoelectric Generation Based on Spin Seebeck Effects”, Proceedings of the IEEE, vol.104, No.10, 2016, p.1946-1973.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献２の素子構造によれば、磁気記憶型素子の周囲に及ぶ磁場の影響を抑制できる。しかしながら、特許文献２のように、スピンゼーベック効果や異常ネルンスト効果を利用した熱電変換素子を磁気シールドで素子を覆うと、熱電変換素子に外部の熱が効率的に伝わらずに十分な発電量が得られないという問題点があった。また、特許文献２の素子構造を形成するためには、製造工程が複雑になるという問題点があった。
【００１４】
また、特許文献３や特許文献４のように、磁性体の磁化方向が互いに反平行になるように、複数個の熱電変換素子を交互に配置した構造では、隣り合う熱電変換素子を接続する部分は発電に寄与しない。そのため、特許文献３や特許文献４の素子構造では、接続部分の抵抗によって電力ロスが生じる可能性があった。また、特許文献３や特許文献４の素子構造では、複数の熱電変換素子を配置するため、電力を取り出すための２つの出力端子の距離が大きくなり、配線を引き回すことによる配線部分での電力ロスが大きくなる可能性があった。
【００１５】
本発明の目的は、磁性材料を含む熱電変換素子において、発電効率を低下させずに、素子の周囲に及ぶ磁場の影響を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様の熱電変換素子は、磁性材料を含んで形成され、温度勾配によって起電力が発生する熱電変換ユニットを複数備え、第１の熱電変換ユニットに含まれる磁性材料の磁化の方向と、電気的に接続され隣接する第２の熱電変換ユニットに含まれる磁性材料の磁化の方向とが非平行になるように配置されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、磁性材料を含む熱電変換素子において、発電効率を低下させずに、素子の周囲に及ぶ磁場の影響を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱電変換素子が備える熱電変換ユニットの構成の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る熱電変換素子が備える熱電変換ユニットの構成の別の一例を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る熱電変換素子が備える熱電変換ユニットの構成のさらに別の一例を示す斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る熱電変換素子の構成の一例を示す平面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る熱電変換素子の構成の別の一例を示す平面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る熱電変換素子の構成のさらに別の一例を示す平面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る熱電変換素子の構成の一例を示す斜視図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る熱電変換素子の構成の別の一例を示す斜視図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る熱電変換素子の構成の一例を示す平面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る熱電変換素子の効果について説明するための概念図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る熱電変換素子を第１の実施形態に係る熱電変換素子と比較するための平面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る熱電変換素子の効果について説明するための概念図である。
【図１３】本発明の実施例１の熱電変換素子の構成の一例を示す斜視図である。
【図１４】本発明の実施例１の熱電変換素子の構成の一例を示す平面図である。
【図１５】本発明の実施例２の熱電変換素子の熱電変換ユニットの構成の一例を示す斜視図である。
【図１６】本発明の実施例２の熱電変換素子の構成の一例を示す斜視図である。
【図１７】本発明の実施例３の第１熱電変換ユニットの構成の一例を示す斜視図である。
【図１８】本発明の実施例３の第２熱電変換素子の構成の一例を示す斜視図である。
【図１９】本発明の実施例３の熱電変換素子の構成の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお、以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由がない限り、同様箇所には同一符号を付す。また、以下の実施形態の説明に用いる全図において、構成要素の縮尺や形状、大小関係、位置関係は、目安であって、実際の構成を正確に表すものではない。また、以下の実施形態において、同様の構成・動作に関しては繰り返しの説明を省略する場合がある。また、図面中の矢印の向きは、磁化や電界、温度勾配などの向きの一例を示すものであり、それらの向きを限定するものではない。
【００２０】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る熱電変換素子について図面を参照しながら説明する。本実施形態の熱電変換素子は、磁性材料を含んで形成され、温度勾配によって起電力が発生する熱電変換ユニットを組み合わせた構成を有する。本実施形態の熱電変換ユニットは、スピンゼーベック効果や異常ネルンスト効果を利用する熱電変換素子である。なお、本実施形態の熱電変換ユニットは、温度勾配によって起電力が発生しさえすれば、スピンゼーベック効果や異常ネルンスト効果とは異なる効果を利用するものであってもよい。また、以下において、複数の熱電変換ユニットのうち異なるものを、第１の熱電変換ユニットや第２の熱電変換ユニットなどと表記する場合があるが、熱電変換素子を構成する熱電変換ユニットの数を限定するものではない。
【００２１】
〔熱電変換ユニット〕
図１は、本実施形態の熱電変換素子が備える熱電変換ユニット１０−１の構成例を示す斜視図である。熱電変換ユニット１０−１は、スピンゼーベック効果を利用する熱電変換ユニットである。スピンゼーベック効果とは、磁性材料に温度勾配（温度差とも呼ぶ）を印加することによって、電子のスピン角運動量の流れ（スピン流とも呼ぶ）が発生する現象である。
【００２２】
熱電変換ユニット１０−１は、起電体層１１と磁性絶縁体層１２とを積層した構造を有する。起電体層１１は、金属などの導電体で構成される。磁性絶縁体層１２は、一定方向に磁化している絶縁層で構成される。
【００２３】
例えば、起電体層１１の材料としては、スピン軌道相互作用の大きな白金ＰｔやタングステンＷ、タンタルＴａ、金Ａｕ、パラジウムＰｄ、ルテニウムＲｕ、イリジウムＩｒ等を含む合金材料が好適である。例えば、磁性絶縁体層１２の材料としては、イットリウム鉄ガーネットＹＩＧ（Yttrium Iron Garnet：Ｙ3Ｆｅ5Ｏ12）やニッケル亜鉛フェライト（Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅ）3Ｏ4が好適である。
【００２４】
図１において、磁性絶縁体層１２に温度勾配ΔＴを印加すると、温度勾配ΔＴに対して平行な方向にスピン流が発生する。このスピン流は、起電体層１１の内部で、逆スピンホール効果により電流に変換され、起電力が生じる。図１には、磁性絶縁体層１２に印加される温度勾配ΔＴ、磁性絶縁体層１２の磁化Ｍ、および起電体層１１に発生する起電力Ｅの方向のそれぞれを矢印で示す。
【００２５】
図２は、本実施形態の熱電変換素子が備える熱電変換ユニット１０−２の構成例を示す斜視図である。熱電変換ユニット１０−２は、異常ネルンスト効果を利用する熱電変換ユニットである。異常ネルンスト効果とは、ある方向に磁化した磁性体に温度勾配を印加することによって、磁化と温度勾配との両方に垂直な方向に電界が発生する現象である。
【００２６】
熱電変換ユニット１０−２は、磁性金属層１３によって構成される。
【００２７】
例えば、磁性金属層１３の材料としては、鉄Ｆｅや、コバルトＣｏ、ニッケルＮｉ、マンガンＭｎ等の金属や、それらを主成分とする導電性の合金が好適である。
【００２８】
図２において、磁性金属層１３に磁化Ｍの方向に対して垂直な方向に温度勾配ΔＴを印加すると、磁化Ｍの向きおよび熱流（温度勾配ΔＴ）の向きのそれぞれと直交する方向（外積方向）に起電力が生じる。図２には、磁性金属層１３の磁化Ｍ、温度勾配ΔＴ、および起電力Ｅの方向のそれぞれを矢印で示す。
【００２９】
図３は、本実施形態の熱電変換素子が備える熱電変換ユニット１０−３の構成例を示す斜視図である。熱電変換ユニット１０−３は、スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果とを併用する熱電変換ユニットである。
【００３０】
熱電変換ユニット１０−３は、図１の熱電変換ユニット１０−１の磁性絶縁体層１２と、図２の熱電変換ユニット１０−２の磁性金属層１３とを積層した構造を有する。言い換えると、熱電変換ユニット１０−３は、図１の熱電変換ユニット１０−１の起電体層１１を図２の熱電変換ユニット１０−２の磁性金属層１３で置換した構造を有する。なお、熱電変換ユニット１０−３において、磁化Ｍ１、Ｍ２は、それぞれ磁性絶縁体層と磁性金属層の磁化を表わしており、Ｍ１とＭ２の大きさは異なっていても良い。磁化Ｍ１とＭ２のベクトル和が熱電変換ユニット１０−３全体の磁化となる。熱電変換ユニット１０−３によれば、スピンゼーベック効果と同時に異常ネルンスト効果も利用することができるため、熱電変換ユニット１０−１〜２よりも多くの電力を取り出すことができる。
【００３１】
〔熱電変換素子〕
図４は、本実施形態の熱電変換素子１−１の構成の一例を示す平面図である。熱電変換素子１−１は、複数の熱電変換ユニット１０を備える。なお、熱電変換ユニット１０は、図１〜図３の熱電変換ユニット１０−１〜３のいずれかである。
【００３２】
図４のように、熱電変換素子１−１は、４つの熱電変換ユニット１０を平面上で直列に接続させた構造を有する。なお、熱電変換素子１−１が備える熱電変換ユニット１０の数は４つに限定されない。
【００３３】
４つの熱電変換ユニット１０は、隣接する他の熱電変換ユニット１０と互いの導電部分が接続される。熱電変換ユニット１０−１（図１）を適用する場合、隣接し合う熱電変換素子１−１を構成する熱電変換ユニット１０−１の起電体層１１同士が互いに接続される。熱電変換ユニット１０−２（図２）を適用する場合、隣接し合う熱電変換素子１−１を構成する熱電変換ユニット１０−２の磁性金属層１３同士が互いに接続される。熱電変換ユニット１０−３（図３）の場合、隣接し合う熱電変換素子１−１を構成する熱電変換ユニット１０−３の磁性金属層１３同士が互いに接続される。
【００３４】
直列に接続された４つの熱電変換ユニット１０によって構成される熱電変換素子１−１の両端部のそれぞれには端子１５が接続される。図４の例では、２つの端子１５の間に電圧計１７を設置する。
【００３５】
図４には、それぞれの熱電変換ユニット１０の磁化Ｍの方向を矢印（磁化Ｍ１〜Ｍ４）で示す。複数の熱電変換ユニット１０は、それぞれの磁化Ｍ１〜Ｍ４がお互いに打ち消し合うように配置される。熱電変換素子１−１の磁化は、複数の熱電変換ユニット１０のそれぞれの磁化Ｍ１〜Ｍ４がお互いに打ち消し合い、熱電変換素子１−１の周辺の磁場がゼロまたは非常に小さくなる。すなわち、複数の熱電変換ユニット１０のそれぞれの磁化Ｍ１〜Ｍ４の大きさと方向をベクトルで表わした際に、それらのベクトルの和がほぼゼロとなるようにする。なお、ベクトルの和を完全にゼロにする必要はなく、熱電変換素子１−１によって発生する磁場が周辺に影響を及ぼさない程度に小さくなればよい。
【００３６】
磁化Ｍ１〜Ｍ４それぞれの大きさと方向は、熱電変換ユニット１０の向きとサイズを調整して配置する。実際には、熱電変換ユニット１０のサイズの誤差や材料の不均一性等に起因して、磁化Ｍ１〜Ｍ４それぞれの大きさと方向には誤差が生じる可能性がある。本実施形態においては、熱電変換素子１−１によって生じる磁場が周辺に影響を及ぼさない程度に小さくなればよい。そのため、磁化Ｍ１〜Ｍ４それぞれの大きさと方向には、十パーセント程度の誤差は許容される。また、場合によっては、磁化Ｍ１〜Ｍ４それぞれの大きさと方向には、数十パーセント程度の誤差も許容される。
【００３７】
図４の例において、紙面に対して垂直な方向に表面から裏面に向かう温度勾配ΔＴを印加すると、それぞれの熱電変換ユニット１０には、白抜きの矢印で示す方向に起電力Ｅ１〜Ｅ４が発生する。熱電変換素子１−１においては、４つの熱電変換ユニット１０を直列に電気的に接続することによって、両端部に電気的に接続される端子１５から電力を取り出すことができる。熱電変換素子１−１においては、熱電変換ユニット１０同士が直に接続され、２つの端子１５がすぐ近くに配置されるので、配線部分における電力ロスが少なくなり、熱電変換ユニット１０を直線状に接続させる場合よりも性能が向上する。
【００３８】
図５は、熱電変換素子１−１（図４）よりも多くの熱電変換ユニット１０を配置した熱電変換素子１−２の構成例である。図５のように、熱電変換素子１−２は、１４個の熱電変換ユニット１０を平面上で直列に接続させた構造を有する。なお、熱電変換素子１−２が備える熱電変換ユニット１０の数は１４個に限定されない。熱電変換素子１−２（図５）は、熱電変換素子１−１（図４）よりも熱電変換ユニット１０の数が多いので、より大きな電力が得られる。
【００３９】
熱電変換素子１−２（図５）では、各熱電変換ユニット１０の磁化Ｍ１〜Ｍ１４が互いに打ち消し合うように、各熱電変換ユニット１０の向きとサイズを調整して配置することによって、熱電変換素子１−２の周辺の磁場がゼロまたは非常に小さくなる。すなわち、熱電変換素子１−２は、磁化Ｍ１〜Ｍ１４のそれぞれの大きさと方向を磁化ベクトルとして表わしたときに、全ての磁化ベクトルの和がほぼゼロとなるようにする調整される。熱電変換素子１−２によって発生する磁場が周辺に影響を及ぼさない程度に小さくなればよい。なお、熱電変換素子１−２の場合も、ベクトルの和を完全にゼロにする必要はなく、熱電変換素子１−２によって発生する磁場が周辺に影響を及ぼさない程度に小さくなればよい。
【００４０】
また、図４や図５の例では、各熱電変換ユニット１０は長方形であり、熱電変換素子１の外周が長方形となるように配置される。しかしながら、磁化ベクトルの和が全体でほぼゼロとなる条件を満足すれば、各熱電変換ユニット１０の形状や配置は長方形でなくてもよい。図６は、台形の熱電変換ユニット１０を含む熱電変換素子１−３の一例である。
【００４１】
図６の例では、熱電変換ユニット１０の向きとサイズを調整して、磁化Ｍ１〜Ｍ３の磁化ベクトルの和がほぼゼロとなるように熱電変換ユニット１０を配置する。図６の例の場合も、ベクトルの和を完全にゼロにする必要はなく、熱電変換素子１−３によって発生する磁場が周辺に影響を及ぼさない程度に小さくなればよい。図６のような配置にすれば、熱電変換素子１−３の周辺の磁場がゼロまたは非常に小さくなる。また、図６のような配置にすれば、熱電変換素子１−３のレイアウトの自由度が増す。レイアウトの自由度が増せば、複数のレイアウトを組み合わせることによって、様々な形状の熱源を覆うように熱電変換素子を配置できるので、より大きな電力を効率的に取り出すことができる。
【００４２】
以上のように、本実施形態の熱電変換素子は、磁性材料を含んで形成され、温度勾配によって起電力が発生する熱電変換ユニットを複数備える。熱電変換ユニットは、隣接する熱電変換ユニットに含まれる磁性材料の磁化の方向と、自身に含まれる磁性材料の磁化の方向とが非平行になるように配置される。熱電変換ユニットは、隣接する少なくとも一つの熱電変換ユニットと電気的に接続される。言い換えると、複数の熱電変換ユニットは、第１の熱電変換ユニットと、第１の熱電変換ユニットと電気的に接続され隣接する第２の熱電変換ユニットとを少なくとも含む。第１の熱電変換ユニットに含まれる磁性材料の磁化の方向と、第１の熱電変換ユニットと電気的に接続され隣接する第２の熱電変換ユニットに含まれる磁性材料の磁化の方向とは、非平行になるように配置されている。例えば、複数の熱電変換ユニットは、それぞれの熱電変換ユニットに含まれる磁性材料の磁化に起因する磁場が互いに打ち消し合うように配置される。
【００４３】
別の表現を用いると、本実施形態の熱電変換素子は、スピンゼーベック効果および異常ネルンスト効果のうち少なくとも一方によって起電力が発生する複数の熱電変換ユニットを備える。熱電変換ユニットは、隣接し合う熱電変換ユニットに含まれる磁性材料の磁化の方向と、自身に含まれる磁性材料の磁化の方向とが非平行になるように配置される熱電変換ユニットは、隣接する熱電変換ユニットと電気的に接続される。例えば、複数の熱電変換ユニットは、それぞれの熱電変換ユニットに含まれる磁性材料の磁化ベクトルの和がゼロになるように配置される。
【００４４】
例えば、本実施形態の熱電変換素子の熱電変換ユニットは、絶縁性の磁性材料を含む磁性絶縁体層と、スピン軌道相互作用を有する材料を含む起電体層とを積層させた構造を有する。この構造の熱電変換ユニットは、スピンゼーベック効果によって起電力が発生する。
【００４５】
例えば、本実施形態の一態様の熱電変換素子の熱電変換ユニットは、導電性の磁性材料を含む磁性金属層を有する。この構造の熱電変換ユニットは、異常ネルンスト効果によって起電力が発生する。
【００４６】
例えば、本実施形態の一態様の熱電変換素子は、複数の熱電変換ユニットが同一平面上に配置された構造を有する。
【００４７】
例えば、本実施形態の熱電変換素子は、磁性材料を含んで形成され、スピンゼーベック効果や異常ネルンスト効果などが発現し、温度勾配によって起電力が発生する複数の熱電変換ユニットを組み合わせた構造を有する。本実施形態の熱電変換素子を構成する複数の熱電変換ユニットは、周辺磁場が小さくなるように配置される。
【００４８】
なお、本実施形態の熱電変換素子は、スピンゼーベック効果および異常ネルンスト効果のいずれかを利用するものでもよいし、スピンゼーベック効果および異常ネルンスト効果の両方を利用するものであってもよい。また、本実施形態の熱電変換素子は、温度勾配によって起電力が発生する素子であれば、スピンゼーベック効果および異常ネルンスト効果とは異なる効果を利用して発電する素子であってもよい。
【００４９】
また、本実施形態の熱電変換素子は、基板上に配置することもできる。本実施形態の熱電変換素子が配置される基板は、外部の熱が熱電変換素子に効率的に伝わるように、熱伝導率が高い材料や膜厚が非常に小さい薄膜材料を用いることが望ましい。例えば、本実施形態の熱電変換素子が配置される基板には、銅ＣｕやアルミニウムＡｌのように熱伝導率の高い金属板を用いることができる。また、本実施形態の熱電変換素子が配置される基板には、数十マイクロメートルよりも薄いプラスチックフィルムを用いてもよい。そのような薄いプラスチックフィルムを基板に用いれば、熱電変換素子の形状にフレキシブル性を持たせて、曲面への実装が可能となる。
【００５０】
本実施形態によれば、熱電変換素子の周辺の磁場をほぼゼロ、あるいは周辺への影響が出ない程度に小さくできる。また、本実施形態によれば、磁気シールドで熱電変換素子を覆う方法と比較して、外部の熱が熱電変換素子へ効率的に伝わる。また、本実施形態によれば、製造工程を複雑化しなくてもよい。
【００５１】
すなわち、本実施形態によれば、磁性材料を含む熱電変換素子において、発電効率を低下させずに、素子の周囲に及ぶ磁場の影響を抑制することができる。
【００５２】
また、本実施形態によれば、各熱電変換ユニットの導電体同士が直に接続され、２個の出力端子がすぐ近くに配置されるため、配線部分における電力ロスが小さくなる。さらに、本実施形態によれば、熱電変換素子のレイアウトの自由度が増すので、より大きな電力を効率的に取り出すことができる。
【００５３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る熱電変換素子について図面を参照しながら説明する。本実施形態の熱電変換素子は、複数の熱電変換ユニットを積層させた構造を有する。
【００５４】
図７は、本実施形態の熱電変換素子２−１の構成の一例を示す斜視図である。図７のように、熱電変換素子２−１は、磁性金属層２３と絶縁体層２４とを積層させた構造を有する。隣接し合う磁性金属層２３と絶縁体層２４とのペアが熱電変換ユニット２０を構成する。図７の例では、４層の磁性金属層２３と３層の絶縁体層２４とを積層させることで、４組の熱電変換ユニット２０を構成する。なお、熱電変換ユニット２０の積層数は４組に限定されない。
【００５５】
熱電変換ユニット２０は、第１の実施形態の熱電変換ユニット１０−２と同様に、異常ネルンスト効果が発現する磁性金属層２３によって構成される。例えば、磁性金属層２３の材料としては、鉄Ｆｅや、コバルトＣｏ、ニッケルＮｉ、マンガンＭｎ等の金属や、それらを主成分とする導電性の合金が好適である。
【００５６】
磁性金属層２３は、矢印で示す方向に磁化している。複数の磁性金属層２３は、それぞれの磁化Ｍ１〜Ｍ４が互いに打ち消し合うように配置される。磁性金属層２３の磁化Ｍ１〜Ｍ４は、互いに打ち消し合うため、熱電変換素子２−１の周辺の磁場はゼロまたは非常に小さくなる。
【００５７】
図７のように、紙面の上部から下部に向けて矢印の方向に温度勾配ΔＴを印加すると、それぞれの磁性金属層２３の内部に、白抜きの矢印で示す方向に起電力Ｅ１〜Ｅ４が発生する。それぞれの磁性金属層２３の起電力の向きが直列となるように電気的に接続し、両端部に電極を形成すれば、熱電変換素子２−１から電力を取り出すことができる。なお、それぞれの磁性金属層２３の両端に電極を形成し、それぞれの磁性金属層２３から電力を取り出す構造としてもよい。
【００５８】
磁化Ｍ１〜Ｍ４のそれぞれの大きさと方向は、熱電変換ユニット２０の向きやサイズを調整して配置する。実際には、熱電変換ユニット２０のサイズの誤差や材料の不均一性等に起因して、磁化Ｍ１〜Ｍ４それぞれの大きさと方向には誤差が生じる可能性がある。本実施形態においては、熱電変換素子２−１によって生じる磁場が周辺に影響を及ぼさない程度に小さくなればよいため、磁化Ｍ１〜Ｍ４それぞれの大きさと方向には、１０パーセント程度の誤差は許容される。また、場合によっては、磁化Ｍ１〜Ｍ４それぞれの大きさと方向には、数十パーセント程度の誤差も許容される。
【００５９】
図８は、本実施形態の熱電変換素子２−２の構成の一例を示す斜視図である。図８の熱電変換素子２−２は、熱電変換ユニット２０の形状や積層数が、図７の熱電変換素子２−１とは異なる。図８のように、熱電変換素子２−２は、磁性金属層２３と絶縁体層２４とを積層させた構造を有する。隣接し合う磁性金属層２３と絶縁体層２４とのペアが熱電変換ユニット２０を構成する。図８の例では、４層の磁性金属層２３と３層の絶縁体層２４とを積層させることで、３組の熱電変換ユニット２０を構成する。なお、熱電変換ユニット２０の積層数は３組に限定されない。
【００６０】
熱電変換ユニット２０は、第１の実施形態の熱電変換ユニット１０−２と同様に、異常ネルンスト効果が発現する磁性金属層２３によって構成される。例えば、熱電変換ユニット２０を構成する磁性金属層２３の材料としては、鉄Ｆｅや、コバルトＣｏ、ニッケルＮｉ、マンガンＭｎ等の金属や、それらを主成分とする導電性の合金が好適である。
【００６１】
図８の熱電変換素子２−２は、六角柱の形状に切り出された磁性金属層２３を、磁化の方向を１２０度ずつ回転させ、絶縁体層２４を挟んで３組積層した構造を有する。それぞれの磁性金属層２３の磁化の大きさがほぼ同じであれば、磁化Ｍ１〜Ｍ３の和はほぼゼロとなる。
【００６２】
図８のように、紙面の上部から下部に向けて矢印の方向に温度勾配ΔＴを印加すると、それぞれの磁性金属層２３の面内に磁化と垂直方向の起電力が生発生する。六角柱形状の磁性金属層２３の対向する側面に電極を設ければ、発生した起電力を取り出すことができる。
【００６３】
以上のように、本実施形態の熱電変換素子は、複数の熱電変換ユニットが積層された構造を有する。なお、本実施形態では、異常ネルンスト効果が発現する磁性金属層を含む熱電変換ユニットを用いる例について説明したが、スピンゼーベック効果を利用する熱電変換ユニットを積層させた構造であってもよい。また、第１の実施形態で示した熱電変換ユニット１０−３のように、スピンゼーベック効果および異常ネルンスト効果の両方を利用するものであってもよい。さらには、異常ネルンスト効果とスピンゼーベック効果のいずれかを利用する熱電変換ユニット、および異常ネルンスト効果とスピンゼーベック効果の両方を利用する熱電変換ユニットの中から、任意の組み合わせで選んだ複数の熱電変換ユニットを積層させることもできる。
【００６４】
また、本実施形態の熱電変換素子は、複数の熱電変換ユニットが同一平面上に配置された構造と、複数の熱電変換ユニットが互いに積層された構造とが組み合わされた構成としてもよい。また、本実施形態で示す熱電変換素子を複数個用意して、第１の実施形態のように平面上に配置してもよい。
【００６５】
図７および図８の熱電変換素子においては、個々の熱電変換ユニットの磁化が互いに打ち消し合うように熱電変換ユニットの磁化の方向と大きさを設定するため、熱電変換素子の周辺における磁場がゼロまたは非常に小さくなる。
【００６６】
本実施形態の熱電変換素子によれば、熱電変換ユニットを積層させるために、第１の実施形態に比べて、単位面積当たりの発電量を大きくすることができる。また、本実施形態の熱電変換素子は、第１の実施形態に比べて、製造方法を簡易化できるため、素子の大面積化が容易である。
【００６７】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換素子について図面を参照しながら説明する。本実施形態の熱電変換素子は、スピンホール角が逆である材料で構成された２種類の熱電変換ユニットを交互に隣接させた構成を有する。
【００６８】
スピンホール角とは、スピン流が電流に変換される際の変換効率を表わす。スピンホール角の符号が逆であるということは、スピン流から変換される電流の向きが逆であることを意味する。したがって、スピンホール角の符号が逆の材料で構成された２種類の熱電変換ユニットでは、磁化の向きと温度勾配の向きが同じであるならば、発生する起電力の向きが逆になる。
【００６９】
図９は、本実施形態の熱電変換素子３−１の構成の一例を示す平面図である。図９のように、熱電変換素子３−１は、第１熱電変換ユニット３１と第２熱電変換ユニット３２とを組み合わせて、全体で六角形状に配置された構成を有する。
【００７０】
第１熱電変換ユニット３１は、スピンホール角の符号がプラスである。第１熱電変換ユニット３１の底面は台形状である。第１熱電変換ユニット３１は、第１の実施形態の熱電変換ユニット１０−１から１０−３のうちの少なくとも一つと同様の構成を有する。
【００７１】
第２熱電変換ユニット３２は、スピンホール角の符号がマイナスである。第２熱電変換ユニット３２の底面は台形状である。第２熱電変換ユニット３２は、第１の実施形態の熱電変換ユニット１０−１から１０−３のうちの少なくとも一つと同様の構成を有する。
【００７２】
図９の例では、第１熱電変換ユニット３１と第２熱電変換ユニット３２とは、磁化Ｍ１〜Ｍ６が矢印の方向に向くように隣接して配置される。第１熱電変換ユニット３１および第２熱電変換ユニット３２の磁化ベクトルの和は、磁化Ｍ１〜Ｍ６の大きさと向きを調整することによってほぼゼロとなるように調整される。そのため、第１熱電変換ユニット３１と第２熱電変換ユニット３２の磁化が互いに打ち消し合い、熱電変換素子３−１の周辺の磁場がゼロまたは非常に小さくなる。
【００７３】
磁化Ｍ１〜Ｍ６のそれぞれの大きさと向きは、複数の第１熱電変換ユニット３１および第２熱電変換ユニット３２それぞれのサイズの誤差や材料の不均一性等に起因して、誤差が生じる可能性がある。本実施形態においては、熱電変換素子３−１によって生じる磁場が周辺に影響を及ぼさない程度に小さくなればよい。そのため、磁化Ｍ１〜Ｍ６それぞれの大きさと方向には、１０パーセント程度の誤差は許容される。また、場合によっては、磁化Ｍ１〜Ｍ６それぞれの大きさと方向には、数十パーセント程度の誤差も許容される。
【００７４】
図９のように、紙面に対して垂直な方向に表面から裏面に向かう温度勾配ΔＴを印加すると、第１熱電変換ユニット３１および第２熱電変換ユニット３２のそれぞれにおいて、矢印で示す方向に起電力Ｅ１〜Ｅ６が発生する。
【００７５】
隣接する第１熱電変換ユニット３１と第２熱電変換ユニット３２とを電気的に接続させた熱電変換素子３−１の両端部のそれぞれには端子３５が接続される。図９の例では、２つの端子３５の間に電圧計３７を設置する。
【００７６】
図１０は、図９の熱電変換素子３−１の近傍の点Ａにおける局所的な磁場の大きさと方向をベクトルで示した概念図である。熱電変換素子３−１では、周辺の磁場がほとんどゼロ、あるいは周辺への影響が出ない程度に小さくなっている。しかしながら、点Ａは、熱電変換素子３−１の近傍にあるため、点Ａにおける磁場は、磁化Ｍ１および磁化Ｍ２の影響を強く受けると予測される。点Ａにおける磁場は、近似的に、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２との合成磁化としてＭ１＋Ｍ２で表わすことができる。
【００７７】
図１１は、比較のために、図９と同じ外観の熱電変換素子３−２を、スピンホール角の符号がプラスである第１熱電変換ユニット３１のみで構成した例の平面図である。図１１の熱電変換素子３−２は、第１の実施形態に係る熱電変換素子の一例と実質的に同じである。第１熱電変換ユニット３１のみで熱電変換素子３−２を構成する場合、磁化Ｍ２、磁化Ｍ３、磁化Ｍ５、および磁化Ｍ６の方向を熱電変換素子３−１と１８０度反対にすると、各ユニットの起電力の向きが図９の熱電変換素子３−１と同様になる。
【００７８】
図１２は、図１１の熱電変換素子３−２の近傍の点Ａにおける局所的な磁場の大きさと方向をベクトルで示した概念図である。図１０と図１２の合成磁化（Ｍ１＋Ｍ２）を比較すると、図９の熱電変換素子３−１の方が、点Ａにおける局所的な磁場が小さいことがわかる。
【００７９】
以上のように、本実施形態の熱電変換素子は、材料および構造のうち少なくとも一方が異なる二種類以上の熱電変換ユニットで構成される。例えば、本実施形態の熱電変換素子は、スピンホール角の符号が異なる熱電変換ユニットを組み合わせた構成を有する。
【００８０】
本実施形態では、起電力の方向を変えずに、合成磁化がゼロまたは小さくなるように熱電変換ユニットを配置する。その結果、本実施形態によれば、素子周辺の局所的な磁場の大きさや向きを変えることが可能となり、熱電変換ユニットを配置する際のレイアウトの自由度が増す。
【００８１】
（実施例）
次に、本発明の各実施形態の実施例について図面を参照しながら説明する。以下に挙げる実施例は、各実施形態の熱電変換素子を実現するための一例であって、各実施形態の熱電変換素子の構成を限定するものではない。
【００８２】
〔実施例１〕
まず、第１の実施形態に関する実施例１の熱電変換素子について図面を参照しながら説明する。本実施例の熱電変換素子は、スピンゼーベック効果によって熱電変換する複数の熱電変換ユニットを組み合わせた構成である。
【００８３】
図１３は、本実施例の熱電変換素子１００の構成を示す斜視図である。図１３のように、熱電変換素子１００は、基板１２０の面上に複数の熱電変換ユニット１１０を配置する構成とした。熱電変換ユニット１１０は、基板１１４の上面に起電体層１１１と磁性絶縁体層１１２とを積層させる構成とした。以下に、熱電変換素子１００の作製方法について説明する。
【００８４】
まず、基板１１４として、ＧＧＧ（Gadolinium Gallium Garnet：Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12）の単結晶基板を準備した。
【００８５】
次に、磁性絶縁体層１１２として、厚さ１．５マイクロメートルの単結晶ＹＩＧ（Ｙ3Ｆｅ5Ｏ12）層を基板１１４の面上に液相エピタキシャル成長させた。
【００８６】
次に、起電体層１１１として、磁性絶縁体層１１２の上面に厚さ１０ナノメートルの白金Ｐｔ薄膜をスパッタリングで形成した。
【００８７】
この段階で、基板１１４の上面に磁性絶縁体層１１２と起電体層１１１とが順番に積層された構造体が形成された。
【００８８】
次に、作成した構造体の全体に磁場を印加し、磁性絶縁体層１１２を一定方向に磁化させた。本実施例では、磁化の方向が起電体層１１１の上面に対して平行な向きになるように、磁性絶縁体層１１２に対して磁場を印加した。
【００８９】
次に、磁化させた構造体を直方体状の断片に切り分けた。このとき、切り分けられた個々の断片が、スピンゼーベック効果を利用する熱電変換ユニット１１０である。
【００９０】
次に、磁化ベクトルの和が打ち消し合うように、４個の熱電変換ユニット１１０を基板１２０の上面に並べて固定し、隣接する熱電変換ユニット１１０の起電体層１１１同士を電気的に接続した。なお、４個の熱電変換ユニット１１０のうち２つの熱電変換ユニット１１０は、近接させるものの電気的には接続させなかった。
【００９１】
本実施例では、起電体層１１１であるＰｔ薄膜同士を接触させて熱処理を行うことで隣接する熱電変換ユニット１１０の起電体層１１１同士を電気的に接続した。なお、隣接する熱電変換ユニット１１０の起電体層１１１同士は、起電体層１１１であるＰｔ薄膜同士を接触させた状態で、上方からＰｔをスパッタリングすることによって電気的に接続させることもできる。
【００９２】
そして、電気的に接続させなかった２つの熱電変換ユニット１１０のうち一方の熱電変換ユニット１１０の端部に電極１１５Ａを形成し、他方の熱電変換ユニット１１０の端部に電極１１５Ｂを形成した。
【００９３】
以上の手順で、図１３の熱電変換素子１００を作成した。なお、上記の熱電変換素子１００の作製方法は一例であって、熱電変換素子１００の作製方法を一つに限定するものではない。
【００９４】
ここで、熱電変換素子１００の内部における磁化の状態と、熱電変換素子１００の周囲における磁場の状態について図面を参照しながら説明する。
【００９５】
図１４は、本実施例の熱電変換素子１００の構成を示す平面図である。図１４のように、４個の熱電変換ユニット１１０のそれぞれの磁化Ｍ１〜Ｍ４が矢印で示す方向に磁化するように構成した。４個の熱電変換ユニット１１０の磁化Ｍ１〜Ｍ４の大きさは同じであるため、４個の熱電変換ユニット１１０の磁化Ｍ１〜Ｍ４のベクトル和はゼロとなり、熱電変換素子１００の周辺の磁場はほとんどゼロになった。
【００９６】
図１４において、紙面に対して垂直な方向に表面から裏面に向かう温度勾配ΔＴを加えると、それぞれの熱電変換ユニット１１０には、白抜きの矢印で示す方向に起電力Ｅ１〜Ｅ４が発生した。電極１１５Ａと電極１１５Ｂとの間からは、起電力Ｅ１〜Ｅ４を合計した起電力を取り出すことができた。
【００９７】
以上が、第１の実施形態に関する実施例１についての説明である。
【００９８】
〔実施例２〕
次に、第２の実施形態に関する実施例２の熱電変換素子について図面を参照しながら説明する。本実施例の熱電変換素子は、異常ネルンスト効果によって熱電変換する複数の熱電変換ユニットを組み合わせた構成である。
【００９９】
図１５は、本実施例の熱電変換ユニット２１０の構成を示す斜視図である。図１５のように、熱電変換ユニット２１０は、絶縁基板２１４の上面に磁性金属層２１３を積層させた構成とした。
【０１００】
以下に、熱電変換ユニット２１０の作製方法について説明する。
【０１０１】
まず、シリコン基板の表面および裏面に２００ナノメートルの熱酸化膜を形成し、絶縁基板２１４を作製した。
【０１０２】
次に、磁性金属層２１３として、絶縁基板２１４のいずれかの面上に厚さ１５０ナノメートルの鉄白金合金膜（ＦｅＰｔ合金膜とも呼ぶ）をスパッタリングで形成した。
【０１０３】
次に、絶縁基板２１４の面上に磁性金属層２１３が積層された構造体を断片に切り分けた。
【０１０４】
次に、切り分けられた構造体に磁場を印加し、磁性金属層２１３を一定方向に磁化させた。本実施例では、磁化の方向が絶縁基板２１４の上面に対して平行な向きになるように、磁性金属層２１３に対して磁場を印加した。このとき、磁化された個々の断片が、異常ネルンスト効果を利用した熱電変換ユニットである。
【０１０５】
図１６は、本実施例の熱電変換素子２００の構成を示す斜視図である。図１６のように、熱電変換素子２００は、図１５の熱電変換ユニット２１０を４層重ねた構成を有する。図１６の例では、隣接し合う熱電変換ユニット２１０の磁化方向が約９０度ずれるように積層させた。それぞれの熱電変換ユニット２１０の磁化Ｍ１〜Ｍ４は、大きさがほぼ同じであるため、磁化Ｍ１〜Ｍ４が互いに打ち消し合い、熱電変換素子２００の周辺の磁場は、ゼロまたは非常に小さくなった。
【０１０６】
図１６のように、熱電変換素子２００の上面から下面に向けて温度勾配ΔＴを加えると、それぞれの熱電変換ユニット２１０の内部に、白抜きの矢印で示す方向に起電力Ｅ１〜Ｅ４が発生した。熱電変換ユニット２１０を起電力の向きが直列となるように電気的に接続し、両端に電極を形成することによって電力を取り出すことができた。
【０１０７】
〔実施例３〕
次に、第３の実施形態に関する実施例３の熱電変換素子について図面を参照しながら説明する。本実施例の熱電変換素子は、スピンホール角の符号が反対の熱電変換ユニット（第１熱電変換ユニットおよび第２熱電変換ユニット）を組み合わせた構成である。
【０１０８】
図１７は、本実施例の第１熱電変換ユニット３１０の構成を示す斜視図である。図１７のように、第１熱電変換ユニット３１０は、基板３１４の面上に起電体層３１１と磁性絶縁体層３１２とを積層させる構成とした。第１熱電変換ユニット３１０では、スピンホール角の符号をプラスにするために、起電体層３１１に白金Ｐｔ、磁性絶縁体層３１２にＹＩＧを適用した。以下に、第１熱電変換ユニット３１０の作製方法について説明する。
【０１０９】
まず、基板３１４として、ＧＧＧ（Gadolinium Gallium Garnet：Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12）の単結晶基板を準備した。
【０１１０】
次に、磁性絶縁体層３１２として、厚さ１．５マイクロメートルの単結晶ＹＩＧ（Ｙ3Ｆｅ5Ｏ12）層を基板３１４の面上に液相エピタキシャル成長させた。
【０１１１】
次に、起電体層３１１として、磁性絶縁体層３１２の上面に厚さ１０ナノメートルの白金Ｐｔ薄膜をスパッタリングで形成した。
【０１１２】
この段階で、基板３１４の上面に磁性絶縁体層３１２と起電体層３１１とが順番に積層された構造体が形成された。
【０１１３】
次に、作成した構造体の全体に磁場を印加し、磁性絶縁体層３１２を一定方向に磁化させた。本実施例では、磁化の方向が起電体層３１１の上面に対して平行な向きになるように、磁性絶縁体層３１２に対して磁場を印加した。
【０１１４】
次に、磁化させた構造体を、底面が台形の四角柱状の断片に切り分けた。切り分けられた個々の断片が第１熱電変換ユニット３１０である。ＰｔとＹＩＧとの積層体のスピンホール角の符号はプラスであるため、第１熱電変換ユニット３１０のスピンホール角の符号はプラスになる。
【０１１５】
図１８は、本実施例の第２熱電変換ユニット３２０の構成を示す斜視図である。図１８のように、第２熱電変換ユニット３２０は、基板３２４の面上に起電体層３２１と磁性絶縁体層３２２とを積層させる構成とした。第２熱電変換ユニット３２０では、スピンホール角の符号をマイナスにするために、起電体層３２１にチタンＴｉ、磁性絶縁体層３２２にＹＩＧを適用した。以下に、第２熱電変換ユニット３２０の作製方法について説明する。
【０１１６】
まず、基板３２４として、ＧＧＧ（Gadolinium Gallium Garnet：Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12）の単結晶基板を準備した。
【０１１７】
次に、磁性絶縁体層３２２として、厚さ１．５マイクロメートルの単結晶ＹＩＧ（Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２）層を基板１１４の面上に液相エピタキシャル成長させた。
【０１１８】
次に、起電体層３２１として、磁性絶縁体層３２２の上面に厚さ１０ナノメートルのチタンＴｉ薄膜をスパッタリングで形成した。
【０１１９】
この段階で、基板３２４の上面に磁性絶縁体層３２２と起電体層３２１とが順番に積層された構造体が形成された。
【０１２０】
次に、作成した構造体の全体に磁場を印加し、磁性絶縁体層３２２を一定方向に磁化させた。本実施例では、磁化の方向が基板３２４の上面に対して平行な向きになるように、磁性絶縁体層３２２に対して磁場を印加した。
【０１２１】
次に、磁化させた構造体を、底面が台形の四角柱状の断片に切り分けた。切り分けられた個々の断片が第２熱電変換ユニット３２０である。ＴｉとＹＩＧとの積層体のスピンホール角の符号はマイナスであるため、第２熱電変換ユニット３２０のスピンホール角の符号はマイナスになる。
【０１２２】
図１９は、本実施例の熱電変換素子３００の構成を示す平面図である。以下において、熱電変換素子３００の内部における磁化の状態と、熱電変換素子３００の周囲における磁場の状態について図面を参照しながら説明する。
【０１２３】
図１９のように、熱電変換素子３００は、基板３３０の面上に、２つの第１熱電変換ユニット３１０と、４つの第２熱電変換ユニット３２０とを組み合わせて固定する構成とした。複数の第１熱電変換ユニット３１０および第２熱電変換ユニット３２０は、電極３１５Ａおよび電極３１５Ｂを設けるユニットの一方の端部を除いて、隣接し合うユニットの起電体層３２１の端部同士を電気的に接続させた。
【０１２４】
図１９のように、複数の第１熱電変換ユニット３１０および第２熱電変換ユニット３２０のそれぞれの磁化が矢印で示す向きに向くように構成した。複数の第１熱電変換ユニット３１０および第２熱電変換ユニット３２０は、磁化Ｍ１〜Ｍ６の大きさが同じになるように構成した。磁化Ｍ１〜Ｍ６の大きさと向きは、第１熱電変換ユニット３１０および第２熱電変換ユニット３２０を切り出す際に、各ユニットのサイズを調整することによってあらかじめ設定しておいた。その結果、２つの第１熱電変換ユニット３１０および４つの第２熱電変換ユニット３２０の磁化Ｍ１〜Ｍ６のベクトル和はゼロとなるため、熱電変換素子３００の周辺の磁場はほとんどゼロになった。
【０１２５】
図１９において、紙面に対して垂直な方向に表面から裏面に向かう温度勾配ΔＴを加えると、複数の第１熱電変換ユニット３１０および第２熱電変換ユニット３２０のそれぞれには白抜きの矢印で示す方向に起電力Ｅ１〜Ｅ６が発生した。電極３１５Ａと電極３１５Ｂとの間からは、起電力Ｅ１〜Ｅ６を合計した起電力を取り出すことができた。
【０１２６】
以上が、本発明の各実施形態の実施例についての説明である。なお、上記の実施例は一例であって、各実施形態の構成を限定するものではない。
【０１２７】
以上、実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【符号の説明】
【０１２８】
１、２、３    熱電変換素子
１０    熱電変換ユニット
１１    起電体層
１２    磁性絶縁体層
１３    磁性金属層
１５、３５    端子
１７、３７    電圧計
２０    熱電変換ユニット
２３    磁性金属層
２４    絶縁体層
３１    第１熱電変換ユニット
３２    第２熱電変換ユニット
１００    熱電変換素子
１１０    熱電変換ユニット
１１１    起電体層
１１２    磁性絶縁体層
１１４    基板
１１５Ａ、１１５Ｂ    電極
１２０    基板
２１０    熱電変換ユニット
２１３    磁性金属層
２１４    絶縁基板
３００    熱電変換素子
３１０    第１熱電変換ユニット
３１１、３２１    起電体層
３１２、３２２    磁性絶縁体層
３１４、３２４    基板
３１５Ａ、３１５Ｂ    電極
３２０    第２熱電変換ユニット
３３０    基板
【図１】
2020009794.tif 000003
【図２】
2020009794.tif 000004
【図３】
2020009794.tif 000005
【図４】
2020009794.tif 000006
【図５】
2020009794.tif 000007
【図６】
2020009794.tif 000008
【図７】
2020009794.tif 000009
【図８】
2020009794.tif 000010
【図９】
2020009794.tif 000011
【図１０】
2020009794.tif 000012
【図１１】
2020009794.tif 000013
【図１２】
2020009794.tif 000014
【図１３】
2020009794.tif 000015
【図１４】
2020009794.tif 000016
【図１５】
2020009794.tif 000017
【図１６】
2020009794.tif 000018
【図１７】
2020009794.tif 000019
【図１８】
2020009794.tif 000020
【図１９】
2020009794.tif 000021