(57)【要約】  性能指数を高める熱電変換素子を提供する。基板１と、基板１に対して固定された磁化方向を有する２層の磁性体層２１、２２と、スピン軌道相互作用を有する材料を含む少なくとも一つの電極３とを備え、磁性体層２１、２２の間には間隙４（または熱伝導度の低い誘電体層）が設けられ、間隙４（または誘電体層）の厚さは、磁気双極子相互作用の及ぶ距離程度、前記磁性体層２１、２２の膜厚は磁気励起の拡散等で決まる特性長程度である。
2012169509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面直方向に予め定められた所定の間隔離間して配置された第１及び第２の磁性体層と、
前記第１及び第２の磁性体層の少なくとも１方の磁性体層の一の面に当接して配置され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む第１の電極と、
を少なくとも備え、
前記第１及び第２の磁性体層は、前記第１の電極に発生する起電力の方向と略垂直をなす磁化方向をそれぞれ有し、
前記第１の磁性体層と前記第２の磁性体層間の面直方向の温度差に応じた前記起電力が前記第１の電極から取り出される、ことを特徴とする、熱電変換素子。
【請求項２】
前記第１及び第２の磁性体層の間の間隙に支持体を複数備えた、ことを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項３】
前記支持体が、磁化を有する磁性体材料を含む、ことを特徴とする、請求項２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記支持体が、柱状又は鋭角部を含む多面体、球体、回転楕円体の少なくとも１つの形状を有する、ことを特徴とする、請求項２又は３に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
前記第１及び第２の磁性体層の間の間隙を真空封止してなる、ことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項６】
前記第１及び第２の磁性体層の間に非磁性誘電体層を有する、ことを特徴とする、請求項１記載の熱電変換素子。
【請求項７】
前記第１及び第２の磁性体層が、前記第１の電極の起電力生成方向と略垂直方向の磁化特性に関して保磁力を有する、ことを特徴とする、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】
前記所定の間隔が、前記第１及び第２の磁性体層の間のマグノンの磁気双極子相互作用による最大伝播距離以下である、ことを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項９】
前記所定の間隔が、１０μｍ以上、１００μｍ以下である、ことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項１０】
前記第１の磁性体層の前記第２の磁性体層側の面に対して反対側に位置する前記一の面に当接して配置された前記第１の電極に加えて、さらに、前記第２の磁性体層の前記第１の磁性体層側の面に当接して配置されスピン軌道相互作用を有する材料を含む第２の電極を有し、前記第２の電極と前記第１の磁性体層との間が前記所定の間隔離間しているか、又は、
前記第１の電極、前記第２の電極、及び、前記第１の磁性体層の前記第２の磁性体層側の面に当接して配置されスピン軌道相互作用を有する材料を含む第３の電極をさらに有し、前記第２及び第３の電極との間が前記所定の間隔離間している、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願についての記載］
本発明は、日本国特許出願：特願２０１１−１２７１０８号（２０１１年６月７日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、熱電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
持続可能な社会に向けた環境・エネルギー問題への取り組みが活発化する中で熱電変換技術への期待が高まっている。熱は、体温、太陽熱、エンジン、工業排熱等、様々な場面から回収することができる最も一般的なエネルギー源であることから、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おいて、熱電変換は今後ますます重要となることが予想される。【０００３】
Ｂｉ２Ｔｅ３等の熱電半導体の焼結体を加工・接合して熱電対モジュール構造を組み立てるバルク型熱電素子が一般的に用いられているが、近時、スパッタ等で、基板上に熱電半導体薄膜を成膜してモジュールを作製する薄膜型熱電素子の開発も進み、注目されている。【０００４】
薄膜熱電変換素子の利点として、例えば、
（Ａ）小型・軽量である、
（Ｂ）スパッタや塗布・印刷等で大面積一括成膜が可能であり生産性が高い、
（Ｃ）安価な基板を用いることで低コスト化が可能である、
（Ｄ）柔軟性の高い基板の利用でフレキシブルな熱電素子が実現可能である、
等が挙げられる。【０００５】
薄膜熱電変換素子の作製方法として、塗布や印刷を用いた方法が幾つか知られている。【０００６】
例えば特許文献１には、粉末化したＢｉ２Ｔｅ３をバインダーと混合してペースト化したものを、スクリーン印刷法等により基板上に塗布して熱電素子パターンを形成する方法が開示されている。【０００７】
また、特許文献２には、熱電半導体材料、電極材料を含むインクをインクジェット法によりパターン印刷して熱電素子を形成する熱電変換モジュールの製造方法が開示されている。【０００８】
さらに、特許文献３には、ｐ型半導体素子、ｎ型半導体素子、絶縁体を有する熱電変換素子において、ｐ型半導体素子、ｎ型半導体素子の少なくとも１つが有機半導体材料を含み、ｐ型半導体素子及びｎ型半導体素子を塗布又は印刷により形成する方法が開示されている。【０００９】
ところで、薄膜型熱電素子には、薄膜であるがゆえに、薄膜（熱電半導体膜）の表面と裏面間での温度差の生成・保持が困難である、という問題がある。多くの発電用途では、熱電材料からなる薄膜面に垂直な方向の温度差（温度勾配）による熱電変換が必要とされる。【００１０】
薄膜熱電変換素子において、熱電半導体膜が薄すぎる場合、熱遮断が不十分なために、表面と裏面の間の温度差を保つことが難しくなり、効率的な発電ができなくなる。【００１１】
このため、熱電半導体膜の厚さとしては、例えば数十μｍ以上が望ましいとされる。【００１２】
しかしながら、このような厚膜熱電対構造を塗布・印刷プロセス等でパターニングして作製することは困難である。したがって、高変換効率化と生産性の間でトレードオフが生じる。【００１３】
また、近年では、磁性材料に温度勾配をつけて電子スピンの流れを生じさせるスピンゼーベック効果も発見されている。例えば特許文献４や非特許文献１、２には、スピンゼーベック効果に基づく熱電変換素子が開示されている。これらは、スピンゼーベック効果によって生じた角運動量の流れ（スピン流）を、逆スピンホール効果（スピン流を流すと垂直方向に電流が流れる効果）によって電流（起電力）として取り出すものである。【００１４】
特許文献４に開示されている熱電変換素子は、スパッタ法により成膜した強磁性体層と金属電極とで構成され、強磁性体層面に平行な方向の温度勾配を与えると、スピンゼーベック効果によって、温度勾配に沿った方向にスピン流が誘起され、誘起されたスピン流は、磁性体に接する金属電極における逆スピンホール効果によって、金属電極両端に電位差が発生し、電流として外部に取り出すことができる。これにより、熱から電力を取り出す温度差発電が可能となる。【００１５】
非特許文献１、２に開示されている熱電変換素子では、磁性絶縁体と金属電極により、熱電変換素子が形成されている。【００１６】
スピンゼーベック効果を利用すれば、複雑な熱電対構造は不要である。このため、上記した熱電対構造のパターニングに関する問題は解決され、低コストで大面積化が容易な薄膜熱電変換の実現が期待できる。【００１７】
また、スピンゼーベック効果を利用した熱電モジュールでは、電気伝導部分（電極）と、熱伝導部分（磁性体）とを独立に設計することができる。【００１８】
このため、
・電気伝導率が大きく（オーミック損失が小さく）、
・熱伝導率が小さい（表面と裏面の間の温度差を保つことが可能な）
構造の高性能熱電変換素子の設計が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特許第４４５７７９５号公報
【特許文献２】特開２０１０−４０９９８号公報
【特許文献３】特開２０１０−１９９２７６号公報
【特許文献４】特開２００９−１３００７０号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】Ｋ．Ｕｃｈｉｄａ  ｅｔ  ａｌ，“Ｓｐｉｎ  Ｓｅｅｂｅｃｋ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ”，２０１０，Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ９，ｐ．８９４−８９７
【非特許文献２】Ｋ．Ｕｃｈｉｄａ  ｅｔ  ａｌ，“Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  Ｓｐｉｎ−Ｓｅｅｂｅｃｋ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｉｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ”，２０１０，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９７，１７２５０５
【非特許文献３】Ｔ．  Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ  ｅｔ  ａｌ，“Ｓｐｉｎ−Ｗａｖｅ  Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ａ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｇａｐ”，２０１０，Ｅｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ９０，２７００３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
以下に関連技術の分析を与える。【００２２】
スピンゼーベック効果を利用した関連技術の熱電変換素子では、十分に大きい熱電変換性能指数を得るに到っていない、という問題がある。【００２３】
熱電変換素子の性能指数として、与えられた熱流量ΔＱに対する素子両端（電極両端）に発生する電圧ΔＶの大きさが挙げられる。【００２４】
ΔＱとΔＶの比ΔＶ／ΔＱは、
熱電変換素子の熱伝導度κ＝ΔＱ／ΔＴと、
熱電能Ｓ＝ΔＶ／ΔＴを用いて、
Ｓ／κ              ・・・（１）
と表わされる。【００２５】
大きな値の性能指数Ｓ／κを得るには、熱電能Ｓを大きくすると同時に、熱伝導度κを小さくする必要がある。【００２６】
しかしながら、例えば図１９に示すような、熱電あるいはスピン熱電変換素子では、熱電材料層又は強磁性材料層の高温側と低温側の間にわたって均一な材料が用いられており、Ｓ／κが、熱電材料あるいはスピン熱電材料固有の性質に依存している。なお、図１９は、スピンゼーベック効果を利用した関連技術の熱電変換素子の関連技術の典型的な構成の一例を説明する図である。【００２７】
熱伝導度κを単独で抑制して（小さくして）、性能指数Ｓ／κを大きくすることは困難である。なお、図１９に示す構成は、基板１上に膜厚ｔの磁性体層２を備え、その上に金属電極３を備え、磁性体層２は、面内で矢印の向き（起電力ΔＶに垂直な向き）に磁化されている。【００２８】
図２０は、図１９に示すような、熱電あるいはスピン熱電変換素子における格子およびスピンの局所的温度分布の様子を示す図である。図２０の横軸は位置を表し、原点（ｚ＝０）は図１９の磁性体層２の基板１との界面（当接面）であるｚ＝０、ｚ＝ｔは、磁性体層２の金属電極３との界面（当接面）であるｚ＝ｔ（磁性体層２の膜厚）である。図２０の縦軸は温度差ΔＴである。【００２９】
格子の温度分布は、主にフォノン（結晶の格子振動を量子化したもの、音子、音響量子ともいう）の熱伝導によって決まる一方、スピン温度は、磁性体中のマグノン（スピン波を量化した準粒子）の分布によって決まる。【００３０】
図１９の磁性体層２と金属電極３の界面（図２０のｚ＝ｔ）に生じる格子温度（フォノン温度）−マグノン温度差ΔＴｍｐによって、スピンゼーベック効果による磁性体層２から金属電極３へのスピン注入が起こり、金属電極３内での逆スピンホール効果により、金属電極３の両端に電圧ΔＶが発生する。【００３１】
本発明は、上記問題点に鑑みて創案されたものであって、その主たる目的の１つは、性能指数を高めることを可能とした熱電変換素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
前記目的の少なくとも１つを解決するため、本発明は、概略以下の構成とされる（ただし、限定されない）。【００３３】
本発明によれば、面直方向に予め定められた所定の間隔離間して配置された第１及び第２の磁性体層と、前記第１及び第２の磁性体層の少なくとも一方の磁性体層の一の面に当接して配置され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む第１の電極と、を少なくとも備え、前記第１及び第２の磁性体層は、前記第１の電極に発生する起電力の方向と略垂直をなす磁化方向をそれぞれ有し、前記第１の磁性体層と前記第２の磁性体層間の面直方向の温度差に応じた前記起電力が前記第１の電極から取り出される熱電変換素子が提供される。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、熱電変換素子の性能指数を高めることを可能としている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の例示的な第１の実施形態の構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の例示的な第１の実施形態における格子―マグノン温度差の位置依存性を説明するための図である。
【図３】例示的な第１の実施形態の一具体例（実施例１）を示す図である。
【図４】実施例１の製造方法を示す図である。
【図５】本発明の例示的な第２の実施形態の構成の一例を示す図である。
【図６】例示的な第２の実施形態の一具体例（実施例２）を示す図である。
【図７】実施例２の製造方法を示す図である。
【図８】本発明の例示的な第３の実施形態の構成の一例を示す図である。
【図９】例示的な第３の実施形態の一具体例（実施例３）を示す図である。
【図１０】本発明の例示的な第４の実施形態の構成の一例を示す図である。
【図１１】本発明の例示的な第４の実施形態における格子―マグノン温度差の位置依存性を説明するための図である。
【図１２】例示的な第４の実施形態の一具体例（実施例４）を示す図である。
【図１３】本発明の例示的な第５の実施形態の構成の一例を示す図である。
【図１４】本発明の例示的な第５の実施形態における格子―マグノン温度差の位置依存性を説明するための図である。
【図１５】例示的な第５の実施形態の一具体例（実施例５）を示す図である。
【図１６】本発明の例示的な第６の実施形態の構成の一例を示す図である。
【図１７】例示的な第６の実施形態の一具体例（実施例６）を示す図である。
【図１８】本発明の例示的な第７の実施形態の構成の一例を示す図である。
【図１９】関連技術のスピン熱電変換素子の形態を示す斜視図である。
【図２０】関連技術のスピン熱電変換素子における格子―マグノン温度差の位置依存性を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明を実施するためのいくつかの好ましい形態において、予め定められた所定の間隔（ｄ）離間して配置された第１及び第２の磁性体層（２１、２２）と、前記第１及び第２の磁性体層（２１、２２）の少なくとも一方に当接して配置され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む第１の電極（３）とを少なくとも備え、前記第１及び第２の磁性体層（２１、２２）は、前記第１の電極（３）に発生する起電力の方向と略垂直をなす磁化方向を有し、前記第１の磁性体層（２１）と前記第２の磁性体層（２２）間の面直方向の温度差（ΔＴ）に応じた前記起電力（ΔＶ）が前記第１の電極（３）から取り出される。
【００３７】
いくつかの好ましい形態において、基板（１）上に、起電力の方向と略垂直をなす方向の面内磁化を有する第１、第２の磁性体層（上部磁性体層２１、下部磁性体層２２）からなる２層の磁性体層を備え、前記第１の磁性体層の前記第２の磁性体層と対向する側と反対側に第１の電極（３）と備えている。
【００３８】
第１、第２の磁性体層（２１、２２）の間には、間隙（４）、又は、熱伝導度の低い誘電体層（５）を備える。前記磁性体層（２１、２２）の間隔、したがって、前記間隙（４）の厚さ、又は、誘電体層（５）の厚さは、双極子相互作用の及ぶ距離程度である。
【００３９】
いくつかの好ましい形態において、前記第１、第２の磁性体層（２１、２２）の膜厚はそれぞれ、磁気励起の拡散等で決まる特性長程度である。第１、第２の磁性体層（２１、２２）間の間隙（４）、又は、熱伝導度の低い誘電体層（５）の存在により、熱勾配方向におけるフォノンによる熱伝導が抑制され、素子の熱伝導度κが小さくなる。マグノンにより運ばれるスピン流は、磁気双極子相互作用により、間隙（４）を挟んで伝搬するため、熱電能Ｓは、あまり変化しない。その結果、大きな値の性能指数Ｓ／κが得られる。
【００４０】
なお、前記特性長は、通常は、磁気励起（マグノン）が拡散可能な長さスケールに対応するが、他のエネルギー緩和要因が存在する場合等では、磁気励起の拡散長によって決まらない場合もある。より一般的には、特性長ｔｃは、「素子の両面の間に印加される温度差が一定の下で、熱起電力が飽和する一層あたりの磁性体層厚」と言い換えることもできる。すなわち、一層あたりの磁性体層厚ｔを、特性長ｔｃ以上に大きくしても、それ以上の大幅な熱起電力の向上は期待できない。
【００４１】
いくつかの好ましい形態において、第１、第２の磁性体層（２１、２２）は、前記第１の電極（３）の起電力の生成方向と略垂直方向の磁化特性に関して保持力を有する強磁性体材料からなる。これにより、ゼロ磁場下でも、第１、第２の磁性体層（２１、２２）は自発磁化（磁性体に外部磁場を受けない状態で発生する磁化）を保持することから、外部磁場が不要な熱電発電動作が可能となる。
【００４２】
いくつかの好ましい形態において、前記第１及び第２の磁性体層（２１、２２）の間の間隙（４）に、前記第１及び第２の磁性体層（２１、２２）の両方に当接する支持体（サポート構造１０、サポート球体３１）を複数備える。好ましい形態の１つにおいて、前記支持体は、磁化を有する磁性体材料を含む。
【００４３】
いくつかの好ましい形態において、前記支持体が、実質的に、柱状、又は、前記第１及び第２の磁性体層の一方に当接する少なくとも一方の端部側が中央部よりも断面が小さくなるように窄められた形状、例えば、鋭角部を含む多面体、球体、回転楕円体の少なくとも１つの形状（あるいは、これらのいずれかに類似した形状）を有する。
【００４４】
好ましい形態の１つにおいて、前記第１及び第２の磁性体層（２１、２２）の間の間隙の側面を封止し、間隙（４）を真空封止するようにしてもよい。
【００４５】
いくつかの好ましい形態において、前記第１及び第２の磁性体層（２１、２２）の間に誘電体層（５）を備えた構成としてもよい。
【００４６】
いくつかの好ましい形態において、前記第１及び第２の磁性体層（２１、２２）を、磁性絶縁体で構成してもよい。
【００４７】
いくつかの好ましい形態において、前記第１及び第２の磁性体層（２１、２２）を、前記第１の電極の起電力生成方向と略垂直方向の磁化特性に関して保磁力を有する磁性体層（強磁性体膜）で構成してもよい。
【００４８】
好ましくは、前記所定の間隔（キャップ幅ｄ）は、前記第１及び第２の磁性体層（２１、２２）の間のマグノンの磁気双極子相互作用による最大伝播距離以下とされる。好ましくは、前記所定の間隔（キャップ幅ｄ）は、１０μｍ以上、１００μｍ以下とされる。
【００４９】
別のいくつかの好ましい形態において、前記第１の磁性体層（２１）の前記第２の磁性体層（２２）に対向する面と反対側の面に配設された前記第１の電極（３）と、前記第２の磁性体層（２２）の前記第１の磁性体層（２１）に対向する面に配設され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む第２の電極（１３）を有し、前記第２の電極（１３）と前記第１の磁性体層（２１）との間は前記所定の距離（ｄ）離間した構成としてもよい。前記第２の電極（１３）と前記第１の磁性体層（２１）との間に支持体（１０）を備えた構成としてもよい。あるいは、誘電体層を備えた構成としてもよい。
【００５０】
あるいは、別のいくつかの好ましい形態において、前記第１の電極（３）、前記第２の電極（１３）、及び、前記第１の磁性体層（２１）の前記第２の磁性体層（２２）に対向する面に配置され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む第３の電極（１４）を有し、前記第２、第３の電極（１３、１４）間は、前記所定の距離（ｄ）離間した構成としてもよい。前記第２、第３の電極（１３、１４）間に支持体（３３）を備えた構成としてもよい。あるいは、誘電体層を備えた構成としてもよい。
【００５１】
あるいは、さらに別のいくつかの好ましい形態において、基板（１）と、前記基板の上に第１の磁性体層（２）と、その上に設けられた第１の導電部材（３）と、さらに、導電部材（２）、磁性体層（２）、導電部材（３）の積層体を１つ又は複数備え、前記第１の導電部材（３）と前記積層体間、及び前記積層体間同士は、予め定められた所定間隔離間しており、前記磁性体層は、面内で起電力の方向と略垂直をなす磁化方向を有し、前記基板上の第１の磁性体層及び前記積層体の磁性体層の面直方向の温度差により、最上層の導電部材から起電力が取り出される構成としてもよい。
【００５２】
以下では、例示的ないくつかの実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００５３】
＜第１の実施形態＞
図１を参照すると、例示的な第１の実施形態の熱電変換素子の全体が斜視図にて模式的に示されている。基板１上には、上部磁性体層２１と、下部磁性体層２２からなる磁性体層２が形成されている。上部磁性体層２１と下部磁性体層２２の間には間隙４（ギャップ幅ｄ）が設けられている。上部磁性体層２１の上には、金属電極３が設けられている。上部及び下部磁性体層２１、２２は、ともに、膜面に平行な一方向（起電力方向と略垂直方向）の磁化方向とされる（面内で矢印方向に磁化されるか、矢印方向の面内自発磁化を有する）。
【００５４】
この実施形態において、間隙４は、好ましくは面内の所々に分散したサポート構造１０等で保持する。間隙４の断熱効果により、上部磁性体層２１、下部磁性体層２２間のフォノンによる熱伝導が抑制されている。一方、マグノンは、間隙４を隔てた磁気双極子相互作用により、層間（上部磁性体層２１、下部磁性体層２２間）を伝播できる。そのため、上部磁性体層２１と、下部磁性体層２２との間に面直方向の温度勾配が印加されると、図２に示すように、間隙４（ギャップ幅ｄ）を隔てた格子温度（下部磁性体層２２のフォノン温度と上部磁性体層２１のフォノン温度）に、大きな温度差が生じる。
【００５５】
一方、マグノン温度には、下部磁性体層２２と上部磁性体層２１との間では小さい温度差しか生じない。
【００５６】
この結果、上部磁性体層２１と金属電極３の界面（図２のｚ＝ｔ）において、図２０の関連技術と比べて、より大きな格子−マグノン温度差ΔＴｍｐが得られる。
【００５７】
格子−マグノン温度差ΔＴｍｐにより、上部磁性体層２１から金属電極３へのスピン注入が駆動され、金属電極３内での逆スピンホール効果により、金属電極３両端には、図１９の関連技術と比較して、より大きな熱起電力ΔＶを得ることができる。
【００５８】
前述のように、熱電性能指数は、熱電能と熱伝導率の比Ｓ／κに比例する。間隙４による断熱効果によって、実効的に小さな熱伝導率κが得られる。間隙４の存在によるスピンゼーベック効果、および、それによる熱電能Ｓの抑制は、比較的小さい。このため、全体として、Ｓ／κが増大し、熱電性能指数の増大が起こる。
【００５９】
この実施形態において、磁性体層２（２１、２２）は、熱伝導率κの小さな材料ほど、効率よく熱電効果を作用する（熱電効率が良い）。このため、上部及び下部磁性体層２１、２２は、磁性絶縁体であることが好ましい。例えば、ガーネットフェライト、スピネルフェライト等の酸化物磁性材料を用いることができる。また、間隙４の部分で断熱性が確保できれば、磁性体層２としては、金属磁性材料を用いてもよい。
【００６０】
磁性体層２として保磁力を有する磁性材料を用いた場合、一旦、外部磁場等で磁化方向を初期化しておくことで、ゼロ磁場の下でも、動作可能な熱電変換素子が得られる。
【００６１】
この実施形態において、金属電極３は、逆スピンホール効果を用いて熱起電力を取り出すために、スピン軌道相互作用を有する材料を含む。例えばスピン軌道相互作用の比較的大きなＡｕやＰｔ、Ｐｄ等の金属材料、又は、それらを含有する合金材料を用いる。なお、金属電極３は、逆スピンホール効果を強めるために、ＦｅやＣｕ等の不純物を添加してもよい。この実施形態において、金属電極３は、スパッタ、蒸着、メッキ法、スクリーン印刷法等で成膜を行う。ここで、金属電極３の厚さは、少なくとも金属材料のスピン拡散長以上に設定することが好ましい。例えば金属電極３がＡｕであれば、厚さは、５０ｎｍ以上、Ｐｔであれば１０ｎｍ以上に設定するのが望ましい。
【００６２】
この実施形態において、基板１は、磁性体層２および金属電極３を支えることができるものでありさえすればよい。基板１として、例えば、Ｓｉ、ガラス、アルミナ、サファイア、ガドリニウムガリウムガーネット（ＧＧＧ）、ポリイミド等の材料を用いることができる（但し、これらに制限されない）。
【００６３】
また、基板１として、必ずしも板状の基板を用いる必要はなく、湾曲や凹凸を有する構造や、建築物等を直接、基板１として用いるようにしてもよい。
【００６４】
なお、この実施形態において、磁性体層２を熱源に直接固定できるような構造や状況であれば、基板１は、必ずしも必要ではなく、熱源自体を、熱電変換素子を支える基板として用いることもできる。
【００６５】
サポート構造１０は、間隙４による断熱性能を損ねないように、微小な構造内によって熱コンダクタンス（熱の伝わり易さ、熱コンダクタンスC＝λ／ｌ：λは熱伝導率、ｌは材料の厚さ）を小さくするか、ガラスや有機材料等の低熱伝導材料によって構成されることが望ましい。
【００６６】
以下の理由で、デバイス設計上、間隙４のギャップ幅ｄが最も重要となる。
【００６７】
（１）間隙４のギャップ幅ｄが大きすぎると、間隙４を隔てた磁気双極子相互作用が急激に小さくなるため、マグノンの層間伝播（下部磁性体層２２と上部磁性体層２１との間の伝播）が抑えられてしまう。このため、大きなスピンゼーベック効果（大きな格子−マグノン温度差ΔＴｍｐ）が得られなくなる。
【００６８】
一方、実際には、空気も有限の熱伝導率（〜０．０３Ｗ／（ｍ・Ｋ））を有する。このため、
（２）間隙４のギャップ幅ｄが小さすぎると、間隙４における十分な断熱効果が得られず、熱電性能が低下する。
【００６９】
上記の要請を満たすために、適切なギャップ幅の設計が必要となる。まず、上記（１）に対応して、ギャップ幅ｄは１００μｍ以下になるよう設計する。間隙（ギャップ）を隔てた磁気双極子相互作用を調べた非特許文献３（Ｅｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ，Ｌｅｔｔｅｒｓ９０，２７００３（２０１０））によると、ギャップ幅１００μｍ以下では、磁気双極子相互作用を介したマグノン伝播効率はさほど大きく低下しないことが報告されている。したがって、磁気双極子相互作用によってキャップを介したマグノン伝播が可能な長さスケールを「最大伝播距離」として定義すると、最大伝播距離は１００μｍ程度と考えられる。
【００７０】
上記（１）の要請から、ギャップ幅ｄは最大伝播距離以下、すなわち１００μｍ以下であることが望ましい。
【００７１】
さらに、上記（２）を考慮すると、ギャップ幅ｄは１０μｍ以上であることが好ましい。
【００７２】
図１において、間隙４による空気の層を１０μｍ以上取れば、単位面積当たりの熱コンダクタンスは３ｋＷ／Ｋ以下となることから、実用上は十分な断熱効果が期待できる。
【００７３】
以上の考察より、間隙４によるギャップ幅ｄは１００μｍ以下であることが望ましく、特に１０μｍ〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。
【００７４】
なお、間隙４の部分での空気を介した熱伝導を防ぎ、より大きな断熱効果を用いるために、間隙４を真空封止するようにしてもよい。間隙４の部分の真空度が大気圧より小さい場合に、この効果が期待できる。特に、１００Ｐａ以下となるような、真空封止を行うことで、非常に効果的な断熱が可能となり、より高性能な熱電素子が期待できる。
【００７５】
上記した実施形態の熱電変換素子に対して、面直方向の温度勾配が印加されると、磁性体層２におけるスピンゼーベック効果により、温度勾配方向に、角運動量の流れ（スピン流）が誘起され、近接する金属電極３へと流れ込む。より具体的には、上部磁性体層２１と金属電極３の界面に生じる格子−マグノン温度差ΔＴｍｐによって、上部磁性体層２１から金属電極３へのスピン注入が生じる。そして、流れ込んだスピン流は、金属電極３における逆スピンホール効果によって、磁性体層２の磁化方向に対して、垂直方向の電流（起電力）へと変換される。
【００７６】
つまり、磁性体層２と金属電極３とで構成される発電部２０において、印加される温度差から熱起電力が生成される。
【００７７】
＜実施例１＞
図３は、図１を参照して説明した第１の実施形態の一具体例（実施例１）の構成を示す図（斜視図）である。
【００７８】
図３において、基板１として、厚さ４００μｍのガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ）基板を用いる。
【００７９】
下部磁性体層２２、上部磁性体層２１には、厚さ５０μｍのＢｉドープＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ、組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２（ビスマス置換イットリウム鉄ガーネット）薄膜を用いる。
【００８０】
金属電極３として膜厚１５ｎｍのＰｔを用いる。
【００８１】
サポート構造１０として厚さ１０μｍのポリイミドを用いる。
【００８２】
図４は、図３の実施例１の熱電変換素子の製造方法を説明する図である。以下、代表的な工程（１）〜（６）について説明する。
【００８３】
（１）＜図４の（ａ）＞
ＧＧＧ基板１上に、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）によって、Ｂｉ：ＹＩＧ膜２２を成膜する。Ｂｉ：ＹＩＧ原料には、直径３００ｎｍのＢｉ：ＹＩＧ微粒子を用いる。このＢｉ：ＹＩＧ微粒子をエアロゾル発生容器（不図示）に詰めておき、ＧＧＧ基板１は、成膜チャンバ（不図示）内のホルダーに固定する。この状態で成膜チャンバとエアロゾル発生容器との間に圧力差を生じさせることで、Ｂｉ：ＹＩＧ微粒子が、成膜チャンバ内へと引き込まれ、ノズルを通して、ＧＧＧ基板１上に吹き付けられる。このときの基板１での衝突エネルギーによって微粒子が粉砕・再結合し、基板１上に、ＹＩＧ多結晶が形成される。基板ステージを２次元的にスキャンすることで、基板１上に均一なＢｉ：ＹＩＧ膜２２を膜厚５０ｍｍで成膜する。
【００８４】
（２）＜図４の（ｂ）＞
その後、このＢｉ：ＹＩＧ膜２２の上に、インクジェット印刷法により、サポート構造であるポリイミド１０を幅３０μｍ、厚さ１０μｍ程度で堆積させる。安定して間隙を設けるために、ポリイミド１０は、間隔０．３ｍｍおきにマトリックス状に配置する。
【００８５】
（３）＜図４の（ｃ）＞
さらに、このポリイミド１０の間に、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を塗布・乾燥させて成膜する。このＰＭＭＡは、間隙を生成するための犠牲層として機能する。
【００８６】
（４）＜図４の（ｄ）＞
ポリイミド１０及びＰＭＭＡの上に、上部磁性体である５０μｍのＢｉ：ＹＩＧ膜２１を、再びＡＤ法によって成膜する。
【００８７】
（５）＜図４の（ｅ）＞
その後、Ｐｔ電極３をスパッタ成膜する（膜厚：１５ｎｍ）。
【００８８】
（６）＜図４の（ｆ）＞
最後にアセトン等の有機溶媒による超音波洗浄を行い、犠牲層であるＰＭＭＡを除去し、間隙４を生成する。
【００８９】
以上の作製プロセスにより、間隙４を有する熱電変換素子が構成される。
【００９０】
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態の熱電変換素子の構成の一例を模式的に示す図（斜視図）である。この実施形態と、図１に示した前記第１の実施形態との違いは、図１のサポート構造１０が、サポート球体３１で置き換えられている点である。図５に示すように、サポート球体３１を上部磁性体層２１と下部磁性体層２２との間に挟むことで、間隙４を作り出している。
【００９１】
このような球状のサポート球体３１を間隙４に挟んだ場合、サポート球体３１と上部磁性体層２１・下部磁性体層２２とが接する面積が小さくなることから、サポート球体３１を介したフォノン伝導（熱リーク）を小さく抑えることができ、高い熱電性能が得られる。
【００９２】
なお、サポート球体３１は、上記の目的に適うものであれば、完全な球体でなくてもよい。例えば、安定性を高めるために、回転楕円体を用いてもよい。あるいは、曲面の代わりに鋭角部を有する多面体等（例えば、上部磁性体層２１及び／又は下部磁性体層２２と鋭角部の頂点で接する）を用いてもよい。
【００９３】
＜実施例２＞
図６は、本発明の第２の実施形態の一例（実施例２）を示す図（斜視図）である。図６において、基板１として、厚さ４００μｍのガドリニウムガリウムガーネット（ＧＧＧ）基板を、下部磁性体層２２には、塗布成膜した厚さ０．５μｍのＢｉドープＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ、組成は、ＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）薄膜を用いる。上部磁性体層２１には焼結作製した厚さ４００μｍの多結晶ＢｉドープＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ、組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）板を用いる。金属電極３としては膜厚１５ｎｍのＰｔを用いる。球体３１には直径１０μｍのガラスビーズをそれぞれ用いる。
【００９４】
図７は、実施例２の製造方法を説明する図である。以下、代表的な工程（１）〜（６）について説明する。
【００９５】
（１）＜図７の（ａ）＞
まず、焼結作製した多結晶Ｂｉ：ＹＩＧ板２１を用意する。
【００９６】
（２）＜図７の（ｂ）＞
多結晶Ｂｉ：ＹＩＧ板２１の上にＰｔ電極３をスパッタで成膜しておく。
【００９７】
（３）＜図７の（ｃ）＞
上記（１）及び（２）の工程とは別に、ＧＧＧ基板１上に、有機金属分解法（ＭＯＤ法）によって、Ｂｉ：ＹＩＧ膜２２を成膜する。溶液は、（株）高純度化学研究所製のＭＯＤ溶液を用いる。この溶液中では、適切なモル比率（Ｂｉ：Ｙ：Ｆｅ＝１：２：５）からなる金属原材料が酢酸エステルに５％の濃度で溶解されている。この溶液をスピンコート（回転数５００ｒｐｍ、３０ｓ回転）でＧＧＧ基板１上に塗布し、１５０℃のホットプレートで５分間乾燥させた後、電気炉中で７２０℃の高温で１４時間焼結させる。これにより、ＧＧＧ基板１中に膜厚約０．５μｍのＢｉ：ＹＩＧ膜２２が形成される。
【００９８】
（４）＜図７の（ｄ）＞
その後、このＢｉ：ＹＩＧ膜２２の上に、ガラスビーズ３１を１０００／ｃｍ２程度の密度で分散させる。
【００９９】
（５）＜図７の（ｅ）＞
そして、工程（４）でガラスビーズ３１を分散したＢｉ：ＹＩＧ膜２２の上に，上記工程（２）であらかじめ作製しておいたＰｔ電極３／Ｂｉ：ＹＩＧ板２１を、ガラスビーズ３１（図５のサポート球体３１）を介して張り合わせる。
【０１００】
（６）＜図７の（ｆ）＞
さらに、側面から接着剤等の接着手段１２を注入する等して、ガラスビーズ１０（サポート構造）を介して張り合わされたＢｉ：ＹＩＧ膜２２とＢｉ：ＹＩＧ板２１を固定することで、熱電変換素子を構成する。
【０１０１】
ここで、接着手段１２は、Ｂｉ：ＹＩＧ板（上部磁性体層）２１とＢｉ：ＹＩＧ膜（下部磁性体層）２２の固定が主な目的であるが、用途によっては、断熱効果をさらに高めるため、側面を密封して真空封止を行う。以上のように、ガラスビーズ３１を挟むことで、熱電変換素子中に１０μｍの間隙４を作る。
【０１０２】
ガラスビーズのような球状の物体を支持体として用いた場合、サポート構造と上部磁性体層２１・下部磁性体層２２とが接する面積が小さくなることから、サポート構造を介したフォノン伝導（熱リーク）を小さく抑えることができる。
【０１０３】
＜第３の実施形態＞
図８は、本発明の第３の実施形態の熱電変換素子の構成を示す図（斜視図）である。この実施形態と、図１に示した前記第１の実施形態との違いは、図１のサポート構造１０を、磁性サポート体３２で置き換えている点にある。磁性サポート体３２は、強磁性体やフェリ磁性体等、磁性を有する材料からなる。
【０１０４】
このように磁性体を支持体として用いた場合、マグノンは支持体を介しても伝播することができることから、高い熱電変換性能が期待される。
【０１０５】
さらに、磁性サポート体３２を球状の形状で作成した場合、磁性サポート体３２と上部磁性体層２１・下部磁性体層２２とが接する面積が小さくなることから、磁性サポート体３２を介したフォノン伝導（フォノンによる熱伝導、熱リーク）を小さく抑えることができ、高い熱電性能が得られる。
【０１０６】
＜実施例３＞
図９は、本発明の第３の実施形態の具体的な一例（実施例３）の構成を示す図（斜視図）である。図９において、基板１としては、厚さ４００μｍのガドリニウムガリウムガーネット（ＧＧＧ）基板を、
下部磁性体層２２には、塗布成膜した厚さ０．５μｍのＢｉドープＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ、組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）薄膜を、
上部磁性体層２１には焼結作製した厚さ４００μｍの多結晶ＢｉドープＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ、組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）板を、
金属電極３としては膜厚１５ｎｍのＰｔを、
磁性サポート体３２としては、直径１０μｍのＢｉ：ＹＩＧ粒子を用いる。
【０１０７】
図９の熱電変換素子は、図７を参照して説明した第２の実施例の製造方法（磁性サポート体３２を介した上部磁性体層２１と下部磁性体層２２の張り合わせ）を用いて設計・実装することができる。
【０１０８】
＜第４の実施形態＞
図１０は、本発明の第４の実施形態の熱電変換素子の構成の一例を模式的に示す図（斜視図）である。この実施形態と、図１に示した前記第１の実施形態との違いは、下部磁性体層２２と空隙４との間に、新たに電極１３が追加されている点である。
【０１０９】
図１に示すように、電極１３と下部磁性体層２２の間の界面にも、格子−マグノン温度差ΔＴｍｐが生じることから、電極１３においても、熱起電力を取り出すことができる。
【０１１０】
なお、電極１３は下部磁性体層２２に比べて十分薄いため、電極１３でのフォノン温度、マグノン温度の変化を無視して図示している。これにより、与えられた温度勾配環境において、約２倍程度の電力が得られる。この結果、より効率的な熱電発電が可能となる。
【０１１１】
＜実施例４＞
図１２は、本発明の第４の実施形態の具体的な一例（実施例４）を示す図（斜視図）である。図１２において、
基板１としては厚さ４００μｍのガドリニウムガリウムガーネット（ＧＧＧ）基板を、
下部磁性体層２２、上部磁性体層２１には、厚さ５０μｍのＢｉドープＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ、組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）薄膜を、
金属電極３としては膜厚１５ｎｍのＰｔを、
金属電極１３としては、同じく、膜厚１５ｎｍのＰｔを、
サポート構造１０には厚さ１０μｍのポリイミドを
それぞれ用いる。実装方法は、第１の実施形態と同様の方法を採用する。
【０１１２】
＜第５の実施形態＞
図１３は、本発明の第５の実施形態の構成の一例を模式的に示す図（斜視図）である。この実施形態は、図１２に示した前記第４の実施形態の発展形である。この実施形態と前記第４の実施形態との違いは、間隙４と上部磁性体層２１との間にも電極１４を追加し、かつサポート構造１０の代わりに、導電性サポート体３３を用いている点である。電極１４の上面は上部磁性体層２１の下面と当接し、電極１４の下面と、下部磁性体層２２の上の電極１３の上面との間隙４に、導電性サポート体３３を備えている。
【０１１３】
図１４に示すように、電極１４と上部磁性体層２１の間の界面にも格子−マグノン温度差ΔＴｍｐが生じることから、電極１４においても、熱起電力を取り出すことができる。なお、電極１４は、上部磁性体層２１に比べて十分薄いことから、図１４には、ここでのフォノン温度、マグノン温度の変化を無視して示されている。
【０１１４】
また、電極１３と電極１４の間のサポート構造として、電気伝導率の高い導電性サポート体３３を用いることで、電極１３と電極１４のそれぞれで生じる熱起電力を、共通の端子から取り出すことができ、素子の簡略化が同時に実現される。なお、図１３では導電性サポート体３３として球体のものを例示しているが、実際には直方体や多面体等、任意の形状のものでよい。
【０１１５】
＜実施例５＞
図１５は、本発明の第５の実施形態の具体的な例を示す図（斜視図）である。図１５において、
基板１としては厚さ４００μｍのガドリニウムガリウムガーネット（ＧＧＧ）基板を、
下部磁性体層２２には塗布成膜した厚さ０．５μｍのＢｉドープＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ、組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）薄膜を、
上部磁性体層２１には焼結作製した厚さ４００μｍの多結晶ＢｉドープＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ、組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）板を、
金属電極３、１３、１４としては、いずれも膜厚１５ｎｍのＰｔを、
導電性サポート体３３としては周囲に厚さ１００ｎｍのＡｇめっきを施した直径１０μｍのガラスビーズを
それぞれ用いる。本実施例の実装は、前記第２の実施例で説明した作成方法（図７）を用いて設計・実装することができる。
【０１１６】
＜第６の実施形態＞
上記実施形態において、間隙４を、誘電体層で置き換えてもよい。図１６は、本発明の第６の実施形態の構成の一例を模式的に示す図（斜視図）である。本発明の第６の実施形態では、２層の磁性体層２の間に、熱伝導率の低い誘電体層（非磁性誘電体層）５を備えているので、前記した実施形態の間隙の場合と同様に、フォノンによる熱伝導率を抑制するとともに、磁気双極子相互作用によるマグノンの伝播は許容し、熱電性能指数の向上を可能にする。
【０１１７】
熱伝導率の低い非磁性誘電体層としては、例えば有機高分子材料等を用いる。ポリマー等の非結晶膜を用いることで熱伝導を小さく抑えることができる。また、質量密度の小さい有機材料を用いることで、磁性体層との界面における音響インピーダンスのミスマッチを大きくし、界面でのフォノンの伝導をさらに抑えることができる。
【０１１８】
＜実施例６＞
図１７は、本発明の第６の実施形態の具体的な一例（実施例６）を示す図（斜視図）である。図１７において、
基板１としては厚さ４００μｍのガドリニウムガリウムガーネット（ＧＧＧ）基板を、
下部磁性体層２２、上部磁性体層２１には、厚さ５０μｍのＢｉドープＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ、組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）薄膜を、
金属電極３としては膜厚１５ｎｍのＰｔを、
誘電体層５には、厚さ１０μｍのポリイミドを
それぞれ用いる。本実施例の製造方法は、図４に示した前記第１の実施例と同様の方法が用いられる。
【０１１９】
＜第７の実施形態＞
図１８は、本発明の第７の実施形態の構成の一例を模式的に示す図（斜視図）である。図１８には、多層型の熱電変換素子の構成が斜視図で示されている。この実施形態においては、第５の実施形において、発電部を多層化した構造を有している。基板１上に磁性体層２を備え、その上に金属電極２を備え、その上に、上下両面に金属電極３が設けられた磁性体層２が、導電性サポート体を介してそれぞれ所定幅（ｄ）の間隙４で、複数層積層されている。このように、複数の磁性体層２、複数の金属電極３からなる構造を利用することにより、温度勾配から熱起電力を有効に生成することができ、高効率な熱電発電が可能となる。なお、この実施形態において、発電部の構成として前記第１〜第６の実施形態で説明した構成（発電部２０）のいずれを用いてもよい。
【０１２０】
前記各実施形態で説明したように、第１、第２の磁性体層の間に、間隙又は熱伝導度の低い誘電体層を設けることにより、熱勾配方向におけるフォノンによる熱伝導が抑制され素子の熱伝導度κが小さくなる一方、マグノンにより運ばれるスピン流は磁気双極子相互作用により間隙を挟んで伝搬するため熱電能Ｓはあまり変化しない。その結果、大きい性能指数が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
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おいて使用される熱電変換素子が挙げられる。【０１２２】
なお、上記の特許文献、非特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。【０１２３】
上記実施形態は以下の付記のようにも記載されるが、以下には限られない。【０１２４】
（付記１）
面直方向に予め定められた所定の間隔離間して配置された第１及び第２の磁性体層と、
前記第１及び第２の磁性体層の少なくとも一方の磁性体層の一の面に当接して配置され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む第１の電極と、
を少なくとも備え、
前記第１及び第２の磁性体層は、面内で前記第１の電極に発生する起電力の方向と略垂直をなす磁化方向を有し、
前記第１の磁性体層と前記第２の磁性体層間の面直方向の温度差に応じた前記起電力が前記第１の電極から取り出される、ことを特徴とする、熱電変換素子。【０１２５】
（付記２）
前記第１及び第２の磁性体層の間の間隙に、支持体を複数備えた、ことを特徴とする、付記１に記載の熱電変換素子。【０１２６】
（付記３）
前記支持体が、自発磁化を有する磁性体材料を含む、ことを特徴とする、付記２に記載の熱電変換素子。【０１２７】
（付記４）
前記支持体が、実質的に、柱状又は鋭角部を含む多面体、球体、回転楕円体の少なくとも１つの形状を有する、ことを特徴とする、付記２又は３に記載の熱電変換素子。【０１２８】
（付記５）
前記第１及び第２の磁性体層の間の間隙を真空封止してなる、ことを特徴とする、付記１から付記４のいずれかに記載の熱電変換素子。【０１２９】
（付記６）
前記第１及び第２の磁性体層の間に非磁性誘電体層を有する、ことを特徴とする付記１記載の熱電変換素子。【０１３０】
（付記７）
前記第１及び第２の磁性体層が、磁性絶縁体からなることを特徴とする付記１乃至６のいずれかに記載の熱電変換素子。【０１３１】
（付記８）
前記第１及び第２の磁性体層が、前記第１の電極の起電力生成方向と略垂直方向の磁化特性に関して保磁力を有する、ことを特徴とする付記１乃至７のいずれかに記載の熱電変換素子。【０１３２】
（付記９）
前記所定の間隔が、前記第１及び第２の磁性体層の間のマグノンの磁気双極子相互作用による最大伝播距離以下であることを特徴とする付記１乃至８のいずれかに記載の熱電変換素子。【０１３３】
（付記１０）
前記所定の間隔が、１０μｍ以上、１００μｍ以下である、ことを特徴とする付記１乃至８のいずれかに記載の熱電変換素子。【０１３４】
（付記１１）
前記第１の磁性体層の前記第２の磁性体層側の面に対して反対側に位置する前記一の面に当接して配置された前記第１の電極と、前記第２の磁性体層の前記第１の磁性体層側の面に当接して配置されスピン軌道相互作用を有する材料を含む第２の電極を有し、前記第２の電極と前記第１の磁性体層との間が前記所定の間隔離間している、ことを特徴とする付記１乃至９のいずれかに記載の熱電変換素子。【０１３５】
（付記１２）
前記第１の磁性体層の前記第２の磁性体層側の面に対して反対側に位置する前記一の面に当接して配置された前記第１の電極と、前記第２の磁性体層の前記第１の磁性体層側の面に当接して配置され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む第２の電極と、前記第１の磁性体層の前記第２の磁性体層側の面に当接して配置され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む第３の電極と、を有し、前記第２、第３の電極の間が前記所定の間隔離間している、ことを特徴とする付記１乃至９のいずれかに記載の熱電変換素子。【０１３６】
（付記１３）
前記第１及び第２の磁性体層を基板の上に備えている、ことを特徴とする付記１乃至９のいずれかに記載の熱電変換素子。【０１３７】
（付記１４）
基板と、前記基板の上に第１の磁性体層とその上に設けられた第１の導電部材と、さらに、導電部材、磁性体層、導電部材の積層体を１つ又は複数備え、前記第１の導電部材と前記積層体間、及び前記積層体間同士は、予め定められた所定間隔離間しており、
前記磁性体層は、面内で起電力の方向と略垂直をなす磁化方向を有し、前記基板上の第１の磁性体層及び前記積層体の磁性体層の面直方向の温度差により、最上層の導電部材から起電力が取り出される、熱電変換素子。【０１３８】
（付記１５）
第１及び第２の磁性体層を予め定められた所定の間隔離間して配置し、
スピン軌道相互作用を有する材料を含む第１の電極を前記第１及び第２の磁性体層の少なくとも一方に当接して配置し、
前記第１及び第２の磁性体層は、前記第１の電極に発生する起電力の方向と略垂直をなす磁化方向をそれぞれ有し、
前記第１の磁性体層と前記第２の磁性体層間の面直方向の温度差に応じた前記起電力が前記第１の電極から取り出される、ことを特徴とする、熱電変換方法。【０１３９】
（付記１６）
前記第１及び第２の磁性体層の間の間隙に、支持体を複数配ける、ことを特徴とする、付記１５に記載の熱電変換方法。【０１４０】
（付記１７）
前記支持体が、磁化を有する磁性体材料を含む、ことを特徴とする、付記１５に記載の熱電変換方法。【０１４１】
（付記１８）
前記支持体が、実質的に、柱状又は鋭角部を含む多面体、球体、回転楕円体の少なくとも１つの形状を有する、ことを特徴とする、付記１５又は１６に記載の熱電変換方法。【０１４２】
（付記１９）
前記第１及び第２の磁性体層の間の間隙を真空封止してなる、ことを特徴とする、付記１５乃至１８のいずれかに記載の熱電変換方法。【０１４３】
（付記２０）
前記第１及び第２の磁性体層の間に非磁性誘電体層を有する、ことを特徴とする付記１５記載の熱電変換方法。【０１４４】
（付記２１）
前記第１及び第２の磁性体層が、磁性絶縁体からなることを特徴とする付記１５乃至２０のいずれかに記載の熱電変換方法。【０１４５】
（付記２２）
前記第１及び第２の磁性体層が、前記第１の電極の起電力生成方向と略垂直方向の磁化特性に関して保磁力を有する、ことを特徴とする付記１５乃至２１のいずれかに記載の熱電変換方法。【０１４６】
（付記２３）
前記所定の間隔が、前記第１及び第２の磁性体層の間のマグノンの磁気双極子相互作用による最大伝播距離以下であることを特徴とする付記１５乃至２２のいずれかに記載の熱電変換方法。【０１４７】
（付記２４）
前記所定の間隔が、１０μｍ以上、１００μｍ以下である、ことを特徴とする付記１５乃至２３のいずれかに記載の熱電変換方法。【０１４８】
（付記２５）
前記第１の磁性体層の前記第２の磁性体層側の面に対して反対側に位置する前記一の面に当接して配置された前記第１の電極と、記第２の磁性体層の前記第１の磁性体層側の面に当接して配置され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む第２の電極と、を設け、前記第２電極と前記第１の磁性体層との間を前記所定の間隔離間させる、ことを特徴とする付記１５乃至２４のいずれかに記載の熱電変換方法。【０１４９】
（付記２６）
前記第１の磁性体層の前記第２の磁性体層側の面に対して反対側に位置する前記一の面に当接して配置された前記第１の電極と、記第２の磁性体層の前記第１の磁性体層側の面に当接して配置され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む第２の電極と、
前記第１の磁性体層の前記第２の磁性体層側の面に当接して配置され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む第３の電極を設け、前記第２、第３の電極の間を、前記所定の間隔離間させる、ことを特徴とする付記１５乃至２４のいずれかに記載の熱電変換方法。【０１５０】
（付記２７）
（ａ）基板の上に下部磁性体層を形成し、
（ｂ）前記下部磁性体層の上に複数の支柱をマトリクス状に形成し、
（ｃ）前記下部磁性体層上の前記支柱の間に犠牲層を形成し、
（ｄ）前記支持体及び前記犠牲層の上に上部磁性体層を形成し、
（ｅ）前記上部磁性体層の上に、スピン軌道相互作用を有する導電部材を形成し、
（ｆ）前記下部及び上部磁性体層間の前記犠牲層を除去し前記支持体を残す、
前記工程を含む熱電変換素子の製造方法。【０１５１】
（付記２８）
（ａ）基板の上に成膜した下部磁性体層の上に支持体を分散させ、
（ｂ）前記（ａ）とは別に、上部磁性体層の上にスピン軌道相互作用を有する導電部材を形成し、
（ｃ）前記（ａ）と（ｂ）でそれぞれ形成した前記下部磁性体層と前記上部磁性体層を前記支持体を介して貼り合わせ、
（ｄ）前記下部磁性体層と前記上部磁性体層の間隙を接着部材で接着する、
前記工程を含む熱電変換素子の製造方法。
【符号の説明】
【０１５２】
１  基板
２  磁性体層
３  金属電極
４  間隙
５  誘電体層
１０  サポート構造
１１  犠牲層
１２  接着手段
１３  金属電極
１４  金属電極
２０  発電部
２１  上部磁性体部
２２  下部磁性体部
３１  サポート球体
３２  磁性サポート体
３３  導電性サポート体
【図１】
2012169509.tif 000003
【図２】
2012169509.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2012169509.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年12月6日(2013.12.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面直方向に予め定められた所定の間隔離間して配置された第１及び第２の磁性体層と、
前記第１及び第２の磁性体層の少なくとも１方の磁性体層の一の面に当接して配置され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む第１の電極と、
を少なくとも備え、
前記所定の間隔は、スピン流が前記間隔を介して前記第１及び第２の磁性体層間を伝搬可能な距離であり、
前記第１及び第２の磁性体層は、前記第１の電極に発生する起電力の方向と略垂直をなす磁化方向をそれぞれ有し、
前記第１の磁性体層と前記第２の磁性体層間の面直方向の温度差に応じた前記起電力が前記第１の電極から取り出される、ことを特徴とする、熱電変換素子。
【請求項２】
前記第１及び第２の磁性体層の間の間隙に支持体を複数備えた、ことを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項３】
前記支持体が、磁化を有する磁性体材料を含む、ことを特徴とする、請求項２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記支持体が、柱状又は鋭角部を含む多面体、球体、回転楕円体の少なくとも１つの形状を有する、ことを特徴とする、請求項２又は３に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
前記第１及び第２の磁性体層の間の間隙を真空封止してなる、ことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項６】
前記第１及び第２の磁性体層の間に非磁性誘電体層を有する、ことを特徴とする、請求項１記載の熱電変換素子。
【請求項７】
前記第１及び第２の磁性体層が、前記第１の電極の起電力生成方向と略垂直方向の磁化特性に関して保磁力を有する、ことを特徴とする、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】
前記所定の間隔が、前記第１及び第２の磁性体層の間のマグノンの磁気双極子相互作用による最大伝播距離以下である、ことを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項９】
前記所定の間隔が、１０μｍ以上、１００μｍ以下である、ことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項１０】
前記第１の磁性体層の前記第２の磁性体層側の面に対して反対側に位置する前記一の面に当接して配置された前記第１の電極に加えて、さらに、前記第２の磁性体層の前記第１の磁性体層側の面に当接して配置されスピン軌道相互作用を有する材料を含む第２の電極を有し、前記第２の電極と前記第１の磁性体層との間が前記所定の間隔離間しているか、又は、
前記第１の電極、前記第２の電極、及び、前記第１の磁性体層の前記第２の磁性体層側の面に当接して配置されスピン軌道相互作用を有する材料を含む第３の電極をさらに有し、前記第２及び第３の電極との間が前記所定の間隔離間している、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項１１】
前記第２及び／又は前記第３の電極から前記温度差に応じた前記起電力が前記電極から取り出されることを特徴とする、請求項１０に記載の熱電変換素子。
【請求項１２】
前記所定の間隔が、前記第１及び第２の磁性体層の間のフォノン熱伝導を抑制する距離である、ことを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項１３】
前記第１の電極として、前記第１の磁性体層又は前記第２の磁性体層に当接して配置される１層の金属膜を備えた請求項１乃至９のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８３】
（１）＜図４の（ａ）＞
ＧＧＧ基板１上に、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）によって、Ｂｉ：ＹＩＧ膜２２を成膜する。Ｂｉ：ＹＩＧ原料には、直径３００ｎｍのＢｉ：ＹＩＧ微粒子を用いる。このＢｉ：ＹＩＧ微粒子をエアロゾル発生容器（不図示）に詰めておき、ＧＧＧ基板１は、成膜チャンバ（不図示）内のホルダーに固定する。この状態で成膜チャンバとエアロゾル発生容器との間に圧力差を生じさせることで、Ｂｉ：ＹＩＧ微粒子が、成膜チャンバ内へと引き込まれ、ノズルを通して、ＧＧＧ基板１上に吹き付けられる。このときの基板１での衝突エネルギーによって微粒子が粉砕・再結合し、基板１上に、ＹＩＧ多結晶が形成される。基板ステージを２次元的にスキャンすることで、基板１上に均一なＢｉ：ＹＩＧ膜２２を膜厚５０μｍで成膜する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１９】
＜第７の実施形態＞
図１８は、本発明の第７の実施形態の構成の一例を模式的に示す図（斜視図）である。図１８には、多層型の熱電変換素子の構成が斜視図で示されている。この実施形態においては、第５の実施形態において、発電部を多層化した構造を有している。基板１上に磁性体層２を備え、その上に金属電極２を備え、その上に、上下両面に金属電極３が設けられた磁性体層２が、導電性サポート体を介してそれぞれ所定幅（ｄ）の間隙４で、複数層積層されている。このように、複数の磁性体層２、複数の金属電極３からなる構造を利用することにより、温度勾配から熱起電力を有効に生成することができ、高効率な熱電発電が可能となる。なお、この実施形態において、発電部の構成として前記第１〜第６の実施形態で説明した構成（発電部２０）のいずれを用いてもよい。
【国際調査報告】
2012169509.tif 000023
2012169509.tif 000024
2012169509.tif 000025
2012169509.tif 000026