(57)【要約】【課題】熱電性能に優れた低コストの熱電変換素子を提供すること。【解決手段】熱電変換素子１は、磁化されるとともに磁化方向Ｍと交差する方向に温度勾配を形成することができるよう構成された磁性体２と、温度勾配の方向に交差する磁性体２の表面に形成され、白金からなる起電体３と、を有する。起電体３の厚みは、８ｎｍ以下である。起電体３の厚みは、５ｎｍ以下であることが好ましく、３ｎｍ以下であることがさらに好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化されるとともに磁化方向（Ｍ）と交差する方向に温度勾配を形成することができるよう構成された磁性体（２）と、
上記温度勾配の方向に交差する上記磁性体（２）の表面に形成され、白金からなる起電体（３）と、を有し、
上記起電体（３）の厚みは、８ｎｍ以下であることを特徴とする熱電変換素子（１）。
【請求項２】
上記起電体（３）の厚みは、５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子（１）。
【請求項３】
上記起電体（３）の厚みは、３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換素子（１）。
【請求項４】
上記起電体（３）の厚みは、０．９ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱電変換素子（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体と起電体とからなる熱電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーを電力に変換する熱電変換素子としては、例えば、ゼーベック効果を利用したものがある。かかる熱電変換素子は、例えば、ｐ型半導体とｎ型半導体とを組み合わせた熱電対を多数直列に接続してモジュール化することで、電圧を取出している。このように、充分な電圧を取出すためには、多数の半導体を直列接続する必要があり、部品点数が多くなるという問題がある。
【０００３】
これに対し、近年、スピンゼーベック効果を利用した熱電変換素子が種々開発されている（特許文献１等）。このスピンゼーベック効果を利用した熱電変換素子によれば、構造を簡素化することができ、部品点数を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００９／１５１０００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、スピンゼーベック効果を利用した熱電変換素子は、実際には、熱電性能（熱起電力性能）を充分に取り出すことができていないのが現状である。すなわち、磁性体における起電体を設けた面側とその反対面側との温度差に対する、起電体に生じる起電力の大きさの割合（以下、これを適宜、「単位温度差あたりの起電力」という。）が、充分に大きく得られていない。
【０００６】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、熱電性能に優れた低コストの熱電変換素子を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、磁化されるとともに磁化方向と交差する方向に温度勾配を形成することができるよう構成された磁性体と、
上記温度勾配の方向に交差する上記磁性体の表面に形成され、白金からなる起電体と、を有し、
上記起電体の厚みは、８ｎｍ以下であることを特徴とする熱電変換素子にある。
【発明の効果】
【０００８】
上記熱電変換素子において、上記起電体の厚みが８ｎｍ以下である。これにより、単位温度差あたりの起電力を大きくすることができる。すなわち、従来、起電体の厚みとしては、スピン拡散長の関係等から、１０ｎｍ以上とするものが一般的であった。しかし、発明者らは、スピンゼーベック効果を利用した熱電変換素子における熱電性能と起電体の厚みとの関係を鋭意研究した結果、起電体の厚みを８ｎｍ以下とすることにより、熱電性能を向上させることができることを見出した。
【０００９】
以上のごとく、本発明によれば、熱電性能に優れた低コストの熱電変換素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１における、熱電変換素子の斜視図。
【図２】実験例１における、熱電変換素子の起電力の測定方法を説明する斜視説明図。
【図３】実験例１における、熱電変換素子の起電力の磁場依存性を示す線図。
【図４】実験例１における、測定結果を示す線図。
【図５】実施例２における、熱電変換素子の斜視図。
【図６】実施例３における、熱電変換素子の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
上記熱電変換素子において、上記起電体の厚みは、５ｎｍ以下であることが好ましい。この場合には、単位温度差あたりの起電力をより向上させることができる。
さらに、上記起電体の厚みは、３ｎｍ以下であることがより好ましい。この場合には、単位温度差あたりの起電力をさらに向上させることができる。
【００１２】
また、上記起電体の厚みは、０．９ｎｍ以上であることが好ましい。この場合には、熱電性能を確保しつつ、起電体を充分な長さに形成することができ、熱電変換素子の実用性を確保することができる。起電体の厚みを０．９ｎｍ未満とすると、起電体の成膜の仕方によっては、その長さを長くすることが困難となり、実用性の点で不利となるおそれがある。
【００１３】
上記磁性体は、予め磁化されていてもよいし、磁場中に配置されることにより磁場が印加されるよう構成されていてもよい。
また、起電体は、白金からなるが、その純度は、９９．９重量％以上であることが好ましい。
【実施例】
【００１４】
（実施例１）
上記熱電変換素子の実施例につき、図１を用いて説明する。
本例の熱電変換素子１は、磁性体２と起電体３とを有する。磁性体２は、磁化されるとともに磁化方向Ｍと交差する方向に温度勾配（温度差ΔＴ）を形成することができるよう構成されている。また、起電体３は、温度勾配（温度差ΔＴ）の方向に交差する磁性体２の表面２１に形成され、白金（Ｐｔ）からなる。
【００１５】
そして、起電体３の厚みは、８ｎｍ以下である。起電体３の厚みは、５ｎｍ以下であることが好ましく、３ｎｍ以下であることがより好ましい。また、起電体３の厚みは、０．９ｎｍ以上であることが好ましい。
【００１６】
本例において、磁性体２は板状に形成されており、その一方の主面（表面２１）に起電体３が成膜されている。それゆえ、この熱電変換素子１によって発電する際には、板状の磁性体２の厚み方向に温度勾配（温度差ΔＴ）を形成する。磁性体２としては、例えばイットリウム鉄ガーネット（Ｙ3Ｆｅ5Ｏ12）等の磁性絶縁体を用いることが好ましいが、特に磁性絶縁体に限定されるものではなく、例えば、パーマロイ等の強磁性金属を用いることもできる。
【００１７】
また、磁性体２は、温度勾配（温度差ΔＴ）の向きと直交するとともに、起電体３において生じさせようとする起電力の向きと直交する方向に、磁化される（矢印Ｍ参照）。本例においては、磁性体２の短手方向に磁化される。
【００１８】
磁性体２は、例えば、予め磁化されているものを用いてもよいし、磁場中に配置されることで所定方向に磁場が印加された状態となっていてもよい。すなわち、前者の場合、例えば、磁性体２は強磁性体であって、短手方向の磁気モーメントを有する永久磁石の状態となっていてもよい。後者の場合、例えば、磁性体２は常磁性体であってもよく、外部磁場を磁性体２の短手方向にかけて熱電変換素子１を用いることとなる。
【００１９】
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記熱電変換素子１において、起電体３の厚みが８ｎｍ以下である。これにより、単位温度差あたりの起電力を大きくすることができる。すなわち、従来、起電体３の厚みとしては、スピン拡散長の関係等から、１０ｎｍ以上とするものが一般的であった。しかし、下記実験例に示すごとく、発明者らは、スピンゼーベック効果を利用した熱電変換素子における熱電性能と起電体の厚みとの関係を鋭意研究した結果、起電体３の厚みを８ｎｍ以下とすることにより、熱電性能を向上させることができることを見出した。
【００２０】
さらに、発明者らは、起電体３の厚みを５ｎｍ以下、さらには３ｎｍ以下とすることにより、熱電性能を一層向上させることができることも見出した。
【００２１】
以上のごとく、本例によれば、熱電性能に優れた低コストの熱電変換素子を提供することができる。
【００２２】
（実験例）
本例は、図２〜図４に示すごとく、熱電変換素子における熱電性能と起電体３の厚みとの関係を調べた例である。
まず、実施例１に示した構成と同様に板状の磁性体２とその一方の主面（表面２１）に形成された起電体３とからなる熱電変換素子であって、互いに起電体３の厚みの異なる複数の熱電変換素子１０を、試料として作製した。
【００２３】
具体的には、まず、イットリウム鉄ガーネット（Ｙ3Ｆｅ5Ｏ12）の多結晶体を、幅２ｍｍ、長さ５ｍｍ、厚み０．９ｍｍの形状及び大きさに切断して、磁性体２を得た。多結晶体の切断には、ダイヤモンドカッターソーを用いた。
【００２４】
次いで、切断後の磁性体２の一方の主面（表面２１）を研磨した。次いで、磁性体２を、有機溶剤中にて、約５分間超音波洗浄した。次いで、磁性体２における研磨された主面（表面２１）の全面に、スパッタによって白金を成膜することにより、起電体３を形成した。
【００２５】
以上により、熱電変換素子１０を得た。なお、上記の製造過程において、起電体３（白金）の厚みを０．８〜３０ｎｍの間で種々変更して、複数の試料を製造した。
【００２６】
そして、各試料の単位温度差あたりの起電力を測定した。ここで、単位温度差あたりの起電力の測定にあたっては、図２に示すごとく、熱電変換素子１０の厚み方向に、温度勾配を形成する。ここで、磁性体２における起電体３側の主面（表面２１）と、その反対側の主面２２との温度差を、３０Ｋ（ケルビン）とした。
【００２７】
そして、熱電変換素子１０の幅方向に磁場Ｈを印加することにより、磁性体２を幅方向に磁化させた。この状態で、起電体３における長手方向の両端の間の電圧を測定することで、起電力Ｖを測定した。電圧計４としては、ケースレーインスツルメンツ社製のナノボルトメータ２１８２Ａを用いた。
【００２８】
ここで、図３に示すごとく、上記磁場Ｈの大きさを、−１４０ｍＴ〜１４０ｍＴの間にて徐々に変化させつつ、起電力Ｖを測定すると、磁場Ｈの大きさがある大きさ以上となったとき、起電力Ｖの大きさは飽和する。この飽和電圧Ｖmaxの大きさが、その熱電変換素子１０の熱電性能に起因するとともに、上記温度差ΔＴに比例するものである。したがって、この飽和電圧Ｖmaxを温度差（ΔＴ＝３０Ｋ）にて除した値を、単位温度差あたりの起電力（Ｖmax／ΔＴ＝Ｖmax／３０Ｋ）として、評価した。その結果を、起電体３の厚みとの関係において、表１及び図４に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１及び図４から分かるように、０．９ｎｍまでは、起電体３の厚みが薄いほど、単位温度差あたりの起電力（Ｖmax／ΔＴ）が大きくなり、起電体３の厚みを８ｎｍ以下とすることにより、単位温度差あたりの起電力（Ｖmax／ΔＴ）が充分に得られる。そして、起電体３の厚みを５ｎｍ以下とすることにより、単位温度差あたりの起電力（Ｖmax／ΔＴ）がより大きくなり、また、起電体３の厚みを３ｎｍ以下とすることにより、単位温度差あたりの起電力（Ｖmax／ΔＴ）が１μＶ／Ｋを超えて、さらに大きくなる。しかし、起電体３の厚みを０．８ｎｍまで薄くすると、起電力が得られなくなった。これは、磁性体２の表面の全体に起電体３を均一に成膜することが困難な状態となり、本例に示した長さの熱電変換素子１０においては、起電体３の機能を得ることが困難であるためであると考えられる。
【００３１】
本例の結果から、起電体３の厚みを８ｎｍ以下とすることにより、高い熱電性能を得ることができることがわかる。さらに、本例の結果から、起電体３の厚みは、５ｎｍ以下であることが好ましく、３ｎｍ以下であることがより好ましいことも分かる。また、起電体３の厚みが０．９ｎｍ以上であることが好ましいことも分かる。
【００３２】
（実施例２）
本例は、図５に示すごとく、磁性体２を、基板１１上に薄膜として形成し、その表面に起電体３を形成することにより、熱電変換素子１を構成した例である。
基板１１として、例えばＧＧＧ（ガリウム・ガドリニウム・ガーネット、Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12）単結晶基板、Ｓｉ（シリコン）基板等を用いることができる。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
【００３３】
本例の場合には、磁性体２の厚みを例えばμｍオーダーと薄くした熱電変換素子１を容易に得ることができる。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００３４】
（実施例３）
本例は、図６に示すごとく、磁性体２を筒状とした熱電変換素子１の例である。
そして、磁性体２の外周面に、起電体３を形成してある。起電体３は、磁性体２の周方向に沿って螺旋状に形成されている。そして、筒状の磁性体２は、その軸方向に沿って磁化される。また、磁性体２の径方向に、温度勾配（温度差ΔＴ）が形成されるよう構成されている。
【００３５】
つまり、本例の熱電変換素子１は、筒状の磁性体２の内周側と外周側との間に、温度差ΔＴを形成するとともに、軸方向に磁性体２を磁化させることにより、螺旋状の起電体３に起電力を生じさせるよう構成されている。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
【００３６】
本例の場合には、特に発電効率に優れた熱電変換素子を得ることができる。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【符号の説明】
【００３７】
１  熱電変換素子
２  磁性体
２１  表面
３  起電体
Ｍ  磁化方向
ΔＴ  温度差 
【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６】
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