(57)【要約】【課題】熱電変換効率を向上させることができる熱電変換素子を提供する。【解決手段】熱電変換素子は、基体と、絶縁強磁性層と、非磁性金属層とを備える。絶縁強磁性層は、基体の上方に形成され所定の方向に固定された磁化を有する。この絶縁強磁性層の表面には、絶縁強磁性層の表面に沿う方向に延びるように少なくとも１つの溝が形成される。非磁性金属層は、溝の壁面を含む絶縁強磁性層の上方に、溝の形状に沿って形成される。 【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
前記基体の上方に形成され所定の方向に固定された磁化を有する絶縁強磁性層と、
前記絶縁強磁性層の表面に沿う方向に延びるように形成された少なくとも１つの溝と、
前記溝の壁面を含む前記絶縁強磁性層の上方に、前記溝の形状に沿って形成された非磁性金属層と
を備えたことを特徴とする熱電変換素子。 
【請求項２】
基体と、
前記基体の表面に沿う方向に延びるように形成された少なくとも一つの溝と、
前記溝の壁面を含む前記基体の表面の上方に、前記溝の形状に沿った形状を有するよう形成され、前記基体の表面の法線方向と交差する方向に固定された磁化を有する絶縁強磁性層と、
前記絶縁強磁性層の表面の上方に形成され、前記溝の形状に沿った形状を有するように形成される非磁性金属層と
を備えたことを特徴とする熱電変換素子。
【請求項３】
前記絶縁強磁性層は、温度勾配を与えられることにより、前記溝の各面に垂直な方向にスピン流を生じさせるよう構成されている請求項１又は２記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記非磁性金属層は、前記スピン流の逆スピンホール効果により前記磁化及び前記スピン流に交わる方向に起電力を生じさせるように構成された請求項３に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
前記溝の断面形状は矩形、台形、Ｖ型、Ｕ型、円弧又はこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱電変換素子。
【請求項６】
前記溝の幅は３０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の熱電変換素子。
【請求項７】
前記溝の幅に対する高さの比率は１より大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の熱電変換素子。
【請求項８】
前記絶縁強磁性層は、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一つを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の熱電変換素子。
【請求項９】
前記非磁性金属層は、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒを含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の熱電変換素子。
【請求項１０】
前記基体は、ポリイミド、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエステル、パリレン、ゴム、２軸延伸ポリエチレン２、６−ナフタレート、又は変性ポリアミドであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の熱電変換素子。
【請求項１１】
前記基体、前記絶縁強磁性層、及び前記非磁性金属層は、互いに直接接している請求項１乃至１０記載の熱電変換素子。
【請求項１２】
前記溝は、前記基板の表面に沿う第１方向、及びこの第２方向に交差する第２方向の両方に沿って延びる請求項２記載の熱電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載の実施の形態は、熱電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピンゼーベック効果を利用して熱を電圧に変換する熱電変換素子は、既に知られている。強磁性層に温度勾配ΔＴを付与すると、アップスピン流とダウンスピン流の差であるスピン圧が生じる。この現象をスピンゼーベック効果と呼ぶ。
【０００３】
スピン流発生層におけるスピン圧は、スピン流Ｊｓｐｉｎとして与えられる。スピン流Ｊｓｐｉｎは、アップスピン流とダウンスピン流の差の流れであり、電荷の流れではない。スピン流Ｊｓｐｉｎが流れると、逆スピンホール効果によって、スピン流Ｊｓｐｉｎ及び磁化と直交する方向に起電力Ｅが生じ、電荷の流れである電流が流れる。これにより発電が行われる。
【０００４】
しかし、現在のスピンゼーベック効果を用いた熱電変換素子の効率は十分ではなく、実用的なエネルギー源として用いるためには、更なる熱電変換効率の向上が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１３００７０号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４９７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以下に記載の実施の形態は、熱電変換効率を向上させることができる熱電変換素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下に説明する実施の形態に係る熱電変換素子は、基体と、絶縁強磁性層と、非磁性金属層とを備える。絶縁強磁性層は、基体の上方に形成され所定の方向に固定された磁化を有する。この絶縁強磁性層の表面には、第１方向に延びるように少なくとも１つの溝が形成される。非磁性金属層は、溝の壁面を含む絶縁強磁性層の上方に、溝の形状に沿って形成される。 
【０００８】
また、以下に説明する別の実施の形態に係る熱電変換素子は、基体と、絶縁強磁性層と、非磁性金属層とを備える。基体の表面には、第１方向に延びるように少なくとも一つの溝が形成される。絶縁強磁性層は、溝の壁面を含む基体の表面の上方に、溝の形状に沿った形状を有するよう形成され、積層方向と交差する第２方向に固定された磁化を有する。また非磁性金属層は、絶縁強磁性層の表面の上方に形成され、溝の形状に沿った形状を有するように形成される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態の熱電変換素子の基本構成及び作用を示す概略斜視図である。
【図２】第１の実施の形態の熱電変換素子の具体構成及び作用を示す概略斜視図である。
【図３】第２の実施の形態の熱電変換素子の具体構成及び作用を示す概略斜視図である。
【図４】第２の実施の形態の熱電変換素子の具体構成及び作用を示す概略斜視図である。
【図５】第２の実施の形態の熱電変換素子の具体構成及び作用を示す概略斜視図である。
【図６】第３の実施の形態の熱電変換素子の具体構成及び作用を示す概略斜視図である。
【図７】第３の実施の形態の熱電変換素子の具体構成及び作用を示す概略斜視図である。
【図８】第３の実施の形態の熱電変換素子の具体構成及び作用を示す概略斜視図である。
【図９】第４の実施の形態の熱電変換素子の具体構成及び作用を示す概略斜視図である。
【図１０】第４の実施の形態の熱電変換素子の具体構成及び作用を示す概略斜視図である。
【図１１】第４の実施の形態の熱電変換素子の具体構成及び作用を示す概略斜視図である。
【図１２】第４の実施の形態の熱電変換素子の断面ＴＥＭ画像、及び絶縁強磁性層の表面が平面状の熱電変換素子の断面ＴＥＭ画像である。
【図１３】第４の実施の形態の熱電変換素子の温度差と熱起電力の関係を示すグラフである。
【図１４】第４の実施の形態の熱電変換素子の熱電変換特性を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、実施の形態に係る熱電変換素子を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態に係る熱電変換素子の構成を、図面を参照して説明する。
【００１２】
［基本構成］
まず、第１の実施の形態の熱電変換素子の基本構成及び作用について、図１を参照して説明する。この第１の実施の形態の熱電変換素子は、基体１０’上に絶縁強磁性層２０’、及び非磁性金属層３０’を積層方向（基板１０’の表面に関し法線方向）であるＺ方向に沿って積層させて構成される。絶縁強磁性層２０’は、例えばＺ方向とは交差するＹ方向に沿った磁化Ｍを与えられている。なお、基体１０’、絶縁強磁性層２０’、及び非磁性金属層３０’は、互いに直接接していてもよい。特に、絶縁強磁性層２０’は、その絶縁性のため、非磁性金属層と直接接していても問題はない。ただし、それらの間にバッファ膜や接着膜など、互いの間の後述する物理作用を阻害しない膜を挟む構成とすることは可能である。
絶縁強磁性層２０’及び非磁性金属層３０’は、基体１０’に対する表面洗浄を行った後、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの乾式プロセス、電解めっき法や無電解めっき法などの湿式プロセス、及び塗布法などを用いて成膜することができる。
【００１３】
基体１０’に関しては、上層に形成される絶縁強磁性層２０’や非磁性金属層３０’の機能を阻害したり、その組成を変成させたりするものでなければ、その材質等は不問である。ただし、熱電変換素子があらゆる発熱面を利用して比較的大きな面積で発電することを可能にするためには、基体１０’としてフレキシブルな絶縁体を用いるのが好ましい。具体的には、ヤング率１０以下の柔軟性を有する基体が望ましい。具体的には、ポリイミド、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエステル、パリレン、ゴム、 ２軸延伸ポリエチレン２，６−ナフタレート、変性ポリアミド等のいずれか、またはそれら材料の積層体から構成され得る。
【００１４】
また、絶縁強磁性層２０’は、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、又はそれら材料の積層体から構成され得る。また、非磁性金属層３０’は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ、）、又はクロム（Ｃｒ）を含むものとすることができ、又はこれらの合金から形成されていてもよい。
【００１５】
次に、この熱電変換素子の作用について説明する。この熱電変換素子の積層方向であるＺ方向に沿って温度勾配ΔＴが与えられると、アップスピン流とダウンスピン流の差であるスピン圧が生じる（スピンゼーベック効果）。このスピン圧は、隣接する非磁性金属層３０’においてスピン流Ｊｓｐｉｎとして与えられる。スピン流Ｊｓｐｉｎは、アップスピン流とダウンスピン流の差による流れであり、電荷の流れではない。スピン流Ｊｓｐｉｎが非磁性金属層３０’に向けて湧き出すと、逆スピンホール効果によって、スピン流Ｊｓｐｉｎ及び磁化Ｍと直交する方向（図１ではＸ方向）に起電力Ｅを生じさせる。この起電力Ｅにより、熱電変換素子は電荷の流れである電流を発生させ、電気エネルギー源として機能する。
【００１６】
第１の実施の形態の熱電変換素子は、具体的には、図１の構成を更に改良した図２に示すような形状を有する。この図２の熱電変換素子は、基体１０Ａ、絶縁強磁性層２０Ａ及び非磁性金属層３０ＡがＺ方向に積層して構成されている点では、図１の熱電変換素子と同一である。基体１０Ａ、絶縁強磁性層２０Ａ及び非磁性金属層３０Ａの材料は、前述の基体１０’絶縁強磁性層２０’及び非磁性金属層３０’のそれと同一でよい。また、絶縁強磁性層２０’は、一例としてＹ方向に延びる磁化Ｍを有する。
【００１７】
図２の熱電変換素子は、絶縁強磁性層２０Ａの表面に、Ｙ方向に延びる複数のストライプ形状の溝Ｔ１を有している。そして、非磁性金属層３０Ａは、この溝Ｔ１の壁面（側壁、底面）を含む絶縁強磁性層２０Ａの表面に、溝Ｔ１の形状に沿って形成される。溝Ｔ１は、例えばフォトリソグラフィ又はナノインプリントによるマスク形成、及びドライエッチングにより形成することができる。
【００１８】
このような図２の構造の熱電変換素子において、積層方向であるＺ方向に沿った温度勾配ΔＴを付与すると、スピンゼーベック効果により溝Ｔ１の各面（左側面、上面、右側面、底面）に交差するスピン流Ｊｓｐｉｎ’が生じる。スピン流Ｊｓｐｉｎ’は溝Ｔ１の各面に垂直な成分Ｊｓｉｐｎのみで構成されることが好ましいが、そうでない成分が含まれていてもよい。その結果、逆スピンホール効果により磁化Ｍとスピン流Ｊｓｐｉｎの両方に直交する方向に生じる起電力Ｅ’が、それぞれ溝Ｔ１の各面（右側面、底面、左側面、上面）において生じる。そして、熱電変換素子の全体における起電力Ｅは、これら各面での起電力Ｅ’の総和として発生する。
【００１９】
このように、第１の実施の形態（図２）に従う熱電変換素子は、図１のような表面が平面状の熱電変換素子よりも、溝の側面部の分だけＸＹ平面の単位面積当たりの絶縁強磁性層と非磁性金属層の界面の面積が増加している。界面の面積が増加したことにより、単位面積当たりの発電量（発電密度）が大きくなり、結果として、熱電変換素子の全体における起電力Ｅも増大する。そのため、第１の実施の形態（図２）の熱電変換素子によれば発電量を向上させることができる。
【００２０】
図２の熱電変換素子では、溝の断面形状として矩形形状の溝Ｔ１を示したが、溝Ｔ１の形状はこれに限定されるものではなく、例えば台形、Ｖ型、Ｕ型、又は円弧型であってもよい。その他、凹型の曲線を有する溝とすることもできる。あるいは、これら様々な形状の溝の組み合わせであってもよい。なお、溝形成の安定性及び非磁性金属層の均一な成膜の観点から、溝Ｔ１の幅（Ｘ方向）は３０ｎｍ以上であることが望ましい。さらに、発電密度向上の観点から、溝Ｔ１の幅に対する高さの比率（Ｚ／Ｘ比）が１より大きいことが望ましい。
また、上記の例では、絶縁強磁性層２０’の磁化Ｍの方向はＹ方向で溝Ｔ１の長手方向と一致するものとして説明したが、磁化Ｍの方向は、溝Ｔ１と必ずしも一致していなくてもよい。一致していない場合であっても、上述した効果はその磁化ＭのＹ方向の成分に関し得られる。
【００２１】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施の形態に係る熱電変換素子を、図３乃至図５を参照して説明する。
【００２２】
この第２の実施の形態の熱電変換素子は、図３に示すように、基体１０Ｂ、絶縁強磁性層２０Ｂ及び非磁性金属層３０ＢがＺ方向に積層して構成されている点では、第１の実施の形態の熱電変換素子と同一である。基体１０Ｂ、絶縁強磁性層２０Ｂ及び非磁性金属層３０Ｂの材料は、第１の実施の形態の基体１０Ａ，絶縁強磁性層２０Ａ，及び非磁性金属層３０Ａのそれと同一でよい。
【００２３】
ただし、この第２の実施の形態の熱電変換素子は、基体１０Ｂの表面に、例えばＹ方向を長手方向として延びるストライプ状の溝Ｔ２を備えている。この点、溝Ｔ１が絶縁強磁性層２０Ａの表面に形成されている第１の実施の形態と異なっている。そして、この溝Ｔ２の上面、底面、及び側面を含めた基体１０Ｂの表面に、溝Ｔ２に沿った形状を有するように、絶縁強磁性層２０Ｂ、及び非磁性金属層３０Ｂが順次堆積される。  
【００２４】
基体１０Ｂの溝Ｔ２は、例えばフォトリソグラフィやナノインプリントにより形成したレジストマスクを用いたドライエッチング、又はプレス成形により形成され得る。絶縁強磁性層２０Ｂ及び非磁性金属層３０Ｂの成膜には、例えばスパッタ法、蒸着法又はＣＶＤ法などの乾式プロセス、電解めっき法や無電解めっき法などの湿式プロセス、又は塗布法が用いられ得る。
【００２５】
この第２の実施の形態の熱電変換素子において、絶縁強磁性層２０Ｂは局所的には基体１０Ｂの溝Ｔ２の形状に沿った磁化を有しており、且つ絶縁強磁性層２０Ｂの全体としては、積層方向であるＺ方向と交差する方向に固定された磁化Ｍ３を有する。この熱電変換素子の積層方向であるＺ方向に温度勾配ΔＴを付与すると、磁化Ｍ３と温度勾配ΔＴの両方に直交する方向に起電力Ｅが生じる。
【００２６】
この際の起電力Ｅの発生のメカニズムを理解しやすくするため、図４、図５において、磁化Ｍ３の向きをＸ軸方向に沿った磁化Ｍ３ｘとＹ軸方向に沿った磁化Ｍ３ｙとに分けて説明する。磁化Ｍ３ｘとＭ３ｙがそれぞれ起電力Ｅｙ、Ｅｘを発生させ、この起電力Ｅｙ、Ｅｘの和が全体の起電力Ｅである。
【００２７】
図４に示すように、磁化Ｍ３ｘは、局所的には凹凸を有する絶縁強磁性層２０Ｂの表面に沿う磁化Ｍ３ｘ’に分割することができる。この状況において温度勾配ΔＴがＺ方向に沿って与えられると、温度勾配ΔＴによるスピンゼーベック効果により、溝Ｔ２の各面（上面、底面、左側面、右側面）に垂直な方向にスピン流Ｊｓｐｉｎが生じる。このスピン流Ｊｓｐｉｎと、溝Ｔ２の各面に沿った磁化Ｍ３ｘ’とに直交する方向に、逆スピンホール効果に基づき、１つの溝Ｔ２のＹ方向に沿って起電力Ｅｙ’が生じる。このような起電力Ｅｙ’が１つの溝Ｔ２の各面で生じる。したがって、磁化Ｍ３ｘに基づいて生じる起電力Ｅｙは、並列に生じる複数の起電力Ｅｙ’に基づいて発生する。
【００２８】
また、図５に示すように、Ｙ軸方向に沿った磁化Ｍ３ｙに基づいてＸ方向に起電力Ｅｘが生じる。すなわち、Ｙ軸方向の磁化Ｍ３ｙが与えられた状態で温度勾配ΔＴがＺ方向に沿って与えられると、温度勾配ΔＴによるスピンゼーベック効果により、溝Ｔ２の各面（上面、底面、左側面、右側面）に垂直な方向にスピン流Ｊｓｐｉｎが生じる。このスピン流Ｊｓｐｉｎと磁化Ｍ３ｙとに直交する方向、すなわち非磁性金属層３０Ｂの膜面に沿った方向に、逆スピンホール効果に基づき起電力Ｅｘ’が各面において生じる。この各面での電力Ｅｘ’の総和が、起電力Ｅｘとなる。そして、上述の起電力Ｅｙと、この起電力Ｅｘとの和が、第２の実施の形態の熱電変換素子全体の起電力Ｅとなる。非磁性金属層３０Ｂにおいて、磁化Ｍ３と交差する方向に沿って一対の電極を接続することにより、この起電力Ｅに基づく電力を取り出すことができる。
なお、第２の実施の形態において、磁化Ｍのベクトル方向は任意であり、Ｘ軸方向成分とＹ軸方向成分の比率は不問である。どちらか一方が零であってもよい。その場合には、図４又は図５で示した効果のいずれか一方のみが発現する。
【００２９】
この第２の実施の形態の熱電変換素子においても、図１のような平面状の熱電変換素子に比べ、ＸＹ平面の単位面積当たりの絶縁強磁性層２０Ｂと非磁性金属層３０Ｂの界面の面積が増大し、その分発電密度が増大する。
【００３０】
［第３の実施形態］
次に、第３の実施の形態に係る熱電変換素子を、図６乃至図８を参照して説明する。
【００３１】
この第３の実施の形態の熱電変換素子は、図６に示すように、基体１０Ｃ、絶縁強磁性層２０Ｃ及び非磁性金属層３０ＣがＺ方向に積層して構成されており、且つ絶縁強磁性体層２０Ｃ及び非磁性金属層３０Ｃが、基体１０Ｃの溝に沿った形状を有している点では、第２の実施の形態の熱電変換素子と同一である。基体１０Ｃ、絶縁強磁性層２０Ｃ及び非磁性金属層３０Ｃの材料は、第２の実施の形態の基体１０Ｂ、絶縁強磁性層２０Ｂ、及び非磁性金属層３０Ｂのそれと同一でよい。
【００３２】
ただし、この第３の実施の形態の熱電変換素子は、基体１０Ｃの表面に、例えば一様で正弦波状の凹凸を備えている。この点、矩形形状の溝が基体１０Ｂの表面に形成されている第２の実施の形態と異なっている。また、基板２０Ｃは、Ｘ方向に沿って正弦波状の凹凸を有するだけでなく、Ｙ方向においても正弦波状の凹凸を有するよう形成されている。この正弦波状の凹凸の凹部分が、第２の実施の形態の溝Ｔ２に対応する。換言すれば、この第３の実施の形態では、基板１０Ｃの溝が、Ｘ方向及びＹ方向の両方において延びるよう形成されている。そして、この凹凸を含めた基体１０Ｃの表面に、凹凸に沿った形状を有するように、絶縁強磁性層２０Ｃ、及び非磁性金属層３０Ｃが順次堆積される。  
【００３３】
基体１０Ｃの凹凸は、例えばフォトリソグラフィやナノインプリントにより形成したレジストマスクを用いたドライエッチング、又はプレス成形により形成され得る。また、基体１０Ｃを異方性エッチングすることで形成してもよい。また、基体１０Ｃにポーラス材料、およびジブロックコポリマーやフラクタル構造ポリマー等の自己組織化材料を用いてもよい。さらに、カーボンナノチューブを基体１０Ｃに埋め込むことで形成してもよい。絶縁強磁性層２０Ｃ及び非磁性金属層３０Ｃの成膜には、例えばスパッタ法、蒸着法又はＣＶＤ法などの乾式プロセス、電解めっき法や無電解めっき法などの湿式プロセス、又は塗布法が用いられ得る。
【００３４】
この第３の実施の形態の熱電変換素子において、絶縁強磁性層２０Ｃは局所的には基体１０Ｃの凹凸の形状に沿った磁化を有しており、且つ絶縁強磁性層２０Ｃの全体としては、積層方向であるＺ方向と交差する方向に固定された磁化を有する。この熱電変換素子の積層方向であるＺ方向に温度勾配ΔＴを付与すると、磁化と温度勾配ΔＴの両方に直交する方向に起電力Ｅが生じる。
【００３５】
この際の起電力Ｅの発生のメカニズムを理解しやすくするため、図７及び図８において、磁化の向きをＸ軸方向に沿った磁化ｘとＹ軸方向に沿った磁化ｙとに分けて説明する。磁化ｘと磁化ｙがそれぞれ起電力Ｅｙ、Ｅｘを発生させ、この起電力Ｅｙ、Ｅｘの和が全体の起電力Ｅである。
【００３６】
図７に示すように、全体的な磁化ｘは、局所的には凹凸を有する絶縁強磁性層２０Ｃの表面に沿う磁化ｘ’に分割することができる。この状況において温度勾配ΔＴがＺ方向に沿って与えられると、温度勾配ΔＴによるスピンゼーベック効果により、凹凸の各所の法線方向にスピン流Ｊｓｐｉｎが生じる。このスピン流Ｊｓｐｉｎと、凹凸の面に沿った磁化ｘ’とに直交する方向に、逆スピンホール効果に基づき、１つの凹凸のＹ方向に沿って起電力Ｅｙ’が生じる。このような起電力Ｅｙ’が１つの凹凸の各所で生じる。したがって、磁化ｘに基づいて生じる起電力Ｅｙは、起電力Ｅｙ’のＹ方向の総和として発生する。
【００３７】
また、図８に示すように、全体的な磁化ｙは、局所的には凹凸を有する絶縁強磁性層２０Ｃの表面に沿う磁化ｙ’に分割することができる。この状況において温度勾配ΔＴがＺ方向に沿って与えられると、温度勾配ΔＴによるスピンゼーベック効果により、凹凸の各所の法線方向にスピン流Ｊｓｐｉｎが生じる。このスピン流Ｊｓｐｉｎと磁化ｙ’とに直交する方向、すなわち非磁性金属層３０Ｃの膜面に沿った方向に、逆スピンホール効果に基づき起電力Ｅｘ’が各所において生じる。この各所での電力Ｅｘ’のＸ方向の総和が、起電力Ｅｘとなる。そして、上述の起電力Ｅｙと、この起電力Ｅｘとの和が、第３の実施の形態の熱電変換素子全体の起電力Ｅとなる。非磁性金属層において、磁化と交差する方向に沿って一対の電極を接続することにより、この起電力Ｅに基づく電力を取り出すことができる。
【００３８】
なお、第３の実施の形態において、磁化のベクトル方向は任意であり、Ｘ軸方向成分とＹ軸方向成分の比率は不問である。どちらか一方が零であってもよい。その場合には、図７又は図８で示した効果のいずれか一方のみが発現する。
【００３９】
この第３の実施の形態の熱電変換素子においても、図１のような平面状の熱電変換素子に比べ、ＸＹ平面の単位面積当たりの絶縁強磁性層と非磁性金属層３０Ｂの界面の面積が増大し、その分発電密度が増大する。
【００４０】
［第４の実施形態］
次に、第４の実施の形態に係る熱電変換素子を、図９乃至図１１を参照して説明する。
【００４１】
この第４の実施の形態の熱電変換素子は、図９に示すように、基体１０Ａ’、絶縁強磁性層２０Ａ’及び非磁性金属層３０Ａ’がＺ方向に積層して構成され、且つ非磁性金属層３０Ａ’が絶縁強磁性層２０Ａ’の溝に沿った形状を有している点では、第１の実施の形態の熱電変換素子と同一である。基体１０Ａ’、絶縁強磁性層２０Ａ’及び非磁性金属層３０Ａ’の材料は、第１の実施の形態の基体１０Ａ，絶縁強磁性層２０Ａ，及び非磁性金属層３０Ａのそれと同一でよい。
【００４２】
ただし、この第４の実施の形態の熱電変換素子は、絶縁強磁性層２０Ａ’の表面に、例えば一様で正弦波状の凹凸を備えている。この点、矩形形状の溝が絶縁強磁性層２０Ａの表面に形成されている第１の実施の形態と異なっている。そして、この凹凸を含めた絶縁強磁性層２０Ａ’の表面に、凹凸に沿った形状を有するように、非磁性金属層３０Ａ’が堆積される。  
【００４３】
絶縁強磁性層２０Ａ’の凹凸は、例えばフォトリソグラフィやナノインプリントにより形成したレジストマスクを用いたドライエッチング、又はプレス成形により形成され得る。また、絶縁強磁性層２０Ａ’を異方性エッチングすることで形成してもよい。また、絶縁強磁性層２０Ａ’にポーラス材料を用いてもよい。非磁性金属層２０Ａ’の成膜には、例えばスパッタ法、蒸着法又はＣＶＤ法などの乾式プロセス、電解めっき法や無電解めっき法などの湿式プロセス、又は塗布法が用いられ得る。
【００４４】
この第４の実施の形態の熱電変換素子において、絶縁強磁性層２０Ａ’は積層方向であるＺ方向と交差する方向に固定された磁化Ｍを有する。この熱電変換素子の積層方向であるＺ方向に温度勾配ΔＴを付与すると、磁化Ｍと温度勾配ΔＴの両方に直交する方向に起電力Ｅが生じる。
【００４５】
この際の起電力Ｅの発生のメカニズムを理解しやすくするため、図１０、図１１において、磁化Ｍの向きをＸ軸方向に沿った磁化ＭｘとＹ軸方向に沿った磁化Ｍｙとに分けて説明する。磁化Ｍｘと磁化Ｍｙがそれぞれ起電力Ｅｙ、Ｅｘを発生させ、この起電力Ｅｙ、Ｅｘの和が全体の起電力Ｅである。
【００４６】
図１０に示すように、磁化Ｍｘは、局所的には凹凸を有する絶縁強磁性層２０Ａ’の表面と平行な成分の磁化ｘａと垂直な成分の磁化ｘｂに分割することができる。この状況において温度勾配ΔＴがＺ方向に沿って与えられると、温度勾配ΔＴによるスピンゼーベック効果により、凹凸の各所の法線方向にスピン流Ｊｓｐｉｎが生じる。このスピン流Ｊｓｐｉｎと、凹凸の面に平行な磁化ｘａとに直交する方向に、逆スピンホール効果に基づき、１つの凹凸のＹ方向に沿って起電力Ｅｙ’が生じる。このような起電力Ｅｙ’が１つの凹凸の各所で生じる。したがって、磁化Ｍｘに基づいて生じる起電力Ｅｙは、起電力Ｅｙ’のＹ軸方向の総和として発生する。
【００４７】
また、図１１に示すように、Ｙ軸方向に沿った磁化Ｍｙに基づいてＸ方向に起電力Ｅｘが生じる。磁化Ｍｙは、局所的には凹凸を有する絶縁強磁性層２０Ａ’の表面と平行な成分の磁化ｙａと垂直な成分の磁化ｙｂに分割することができる。Ｙ軸方向の磁化Ｍｙが与えられた状態で温度勾配ΔＴがＺ方向に沿って与えられると、温度勾配ΔＴによるスピンゼーベック効果により、凹凸の各所の法線方向にスピン流Ｊｓｐｉｎが生じる。このスピン流Ｊｓｐｉｎと磁化ｙａとに直交する方向、すなわち非磁性金属層３０Ａ’の膜面に沿った方向に、逆スピンホール効果に基づき起電力Ｅｘ’が各所において生じる。この各所での電力Ｅｘ’のX方向の総和が、起電力Ｅｘとなる。そして、上述の起電力Ｅｙと、この起電力Ｅｘとの和が、第３の実施の形態の熱電変換素子全体の起電力Ｅとなる。非磁性金属層３０Ａ’において、磁化Ｍと交差する方向に沿って一対の電極を接続することにより、この起電力Ｅに基づく電力を取り出すことができる。
【００４８】
なお、第４の実施の形態において、磁化Ｍのベクトル方向は任意であり、Ｘ軸方向成分とＹ軸方向成分の比率は不問である。どちらか一方が零であってもよい。その場合には、図１０又は図１１で示した効果のいずれか一方のみが発現する。
【００４９】
この第４の実施の形態の熱電変換素子においても、図１のような平面状の熱電変換素子に比べ、ＸＹ平面の単位面積当たりの絶縁強磁性層２０Ａ’と非磁性金属層３０Ａ’の界面の面積が増大し、磁化に対して垂直な成分の面積増加分だけ発電密度が増大する。
【００５０】
第４の実施の形態の熱電変換素子に関して、次のような方法で素子を作製し、熱起電力および発電量の評価を行った。絶縁強磁性層にはガーネットフェライトの一種であるイットリウム鉄ガーネット（以降、ＹＩＧとする）の焼結体を用い、このＹＩＧに対して表面洗浄を行った後、非磁性金属層として白金（Ｐｔ）をスパッタ法によりＹＩＧの上面に堆積する。このときの熱電変換素子の大きさは長さ３０ｍｍ×幅５ｍｍ×高さ２ｍｍ、Ｐｔの膜厚は１０ｎｍである。表面形状としては、焼結体ＹＩＧ表面が大きさ１００ｎｍ程度、高さ２０ｎｍ程度の凹凸を有しており、Ｐｔが凹凸の形状に沿うように形成されている（図１２（ａ））。それに対し、ＹＩＧ焼結体の表面を研磨した後、同様のプロセスで白金（Ｐｔ）を堆積した熱電変換素子では、図１２（ｂ）のように表面形状が凹凸のない平面状となる。
【００５１】
これらの熱電変換素子に関して、上下面方向に与えた温度差ΔＴと熱起電力Ｅの関係を図１３に示す。凹凸ありの熱電変換素子、凹凸無しの熱電変換素子のいずれにおいても、熱起電力Ｅは温度差ΔＴに比例しており、同じ温度差ΔＴで比較すると凹凸ありの熱電変換素子の方が凹凸無しの熱電変換素子よりも１．３８倍大きい熱起電力Ｅが得られる。一般に熱電変換素子の発電量Ｐは以下の等式で表わされる。
【００５２】
【数１】
2015170836.tif 000003
【００５３】
ここで、Ｐは発電量、Ｅは熱起電力、Ｒｓｓは熱電変換素子の内部抵抗、Ｒは外部負荷抵抗である。上記等式から熱起電力Ｅが一定の場合、発電量Ｐは熱電変換素子の内部抵抗Ｒｓｓと外部抵抗Ｒが等しいときに最大となる。凹凸ありと凹凸なしの熱電変換素子に関して、温度差ΔＴが２０Ｋの場合の熱起電力Eと内部抵抗Ｒｓｓおよび最大発電量Ｐｍａｘを図１４に示す。最大発電量Ｐｍａｘは凹凸ありの方が凹凸なしに比べて１．３９倍大きい。このように絶縁強磁性層の表面に凹凸を有する第４の実施の形態の熱電変換素子は図１のような絶縁強磁性層の表面に凹凸のない平面状の熱電変換素子に比べて発電密度が増大する。
【００５４】
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５５】
１０’、１０Ａ、１０Ａ’、１０Ｂ、１０Ｃ・・・基体、  ２０’、２０Ａ、２０Ａ’、２０Ｂ、２０Ｃ・・・絶縁強磁性層、  ３０’、３０Ａ、３０Ａ’３０Ｂ、３０Ｃ・・・非磁性金属層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１３】
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【図１４】
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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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