(57)【要約】      （修正有）【課題】構成する磁性体の磁化が外部環境により変動しても素子特性が低下しない熱電変換素子を提供する。【解決手段】第一の方向に磁化した第一の磁性体層１と、第一の磁性体層の対向する二つの面のうち少なくとも一方の面において、第一の磁性体層と磁気的に接続した第一の起電層２と、を含む、第一の熱電変換単位素子１０と、第一の方向の略反転方向である第二の方向に磁化した第二の磁性体層１１と、第二の磁性体層の対向する二つの面のうち少なくとも一方の面において、第二の磁性体層と磁気的に接続した第二の起電層１２と、を含む第二の熱電変換単位素子２０とを有し、第一の熱電変換単位素子と第二の熱電変換単位素子が、第一の磁性体層と第一の起電層との界面および第二の磁性体層と第二の起電層との界面の法線方向に積層し、第一の磁性体層及び第二の磁性体層はスピンゼーベック効果を発現する材料からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の方向に磁化した第一の磁性体層と、
前記第一の磁性体層の対向する二つの面のうち少なくとも一方の面において、前記第一の磁性体層と磁気的に接続した第一の起電層、
とを含む、第一の熱電変換単位素子と、
前記第一の方向の略反転方向である第二の方向に磁化した第二の磁性体層と、
前記第二の磁性体層の対向する二つの面のうち少なくとも一方の面において、前記第二の磁性体層と磁気的に接続した第二の起電層、
とを含む、第二の熱電変換単位素子、とを有し、
前記第一の熱電変換単位素子と前記第二の熱電変換単位素子が、前記第一の磁性体層と前記第一の起電層との界面および前記第二の磁性体層と前記第二の起電層との界面の法線方向に積層しており、
前記第一の磁性体層及び前記第二の磁性体層はスピンゼーベック効果を発現する材料からなる、熱電変換素子。
【請求項２】
前記第一の起電層は第一の金属材料を含み、
前記第二の起電層は第二の金属材料を含み、
前記第一の金属材料と前記第二の金属材料は、スピン軌道相互作用の符号が異なる、請求項１に記載した熱電変換素子。
【請求項３】
前記第一の起電層及び前記第二の起電層と電気的に接続された電極を有する、請求項１または２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記電極が、前記第一の熱電変換単位素子及び前記第二の熱電変換単位素子の積層方向に垂直な方向の端面に当接して配置している、請求項３に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
前記第一の磁性体層および前記第二の磁性体層における温度勾配の向きと磁化の方向によって定まる前記第一の起電層および前記第二の起電層における起電力の向きが、前記第一の方向および前記第二の方向と略垂直である、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
【請求項６】
前記第一の金属材料が白金を主成分とする合金であり、前記第二の金属材料がタングステンを主成分とする合金である、請求項２に記載の熱電変換素子。
【請求項７】
前記第一の方向及び前記第二の方向に略垂直な対向する２つの面に、前記第一の磁性体層および前記第二の磁性体層とそれぞれ磁気的に結合する磁気通路をさらに有する、請求項１から６のいずれかに記載の熱電変換素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の熱電変換素子を構成する前記第一の熱電変換単位素子と前記第二の熱電変換単位素子とが、鉛直方向および面内方向の少なくとも一方に交互に配列した、熱電変換素子モジュール。
【請求項９】
前記第一の方向が同一方向である複数の前記第一の熱電変換単位素子が、同一面内に配置した第一の層と、
前記第二の方向が同一方向である複数の前記第二の熱電変換単位素子が、同一面内に配置した第二の層とが、
鉛直方向に交互に積層した、請求項８に記載の熱電変換素子モジュール。
【請求項１０】
基板上に第一の起電層を形成し、前記第一の起電層上に第一の方向に磁化した第一の磁性体層を形成し、前記第一の磁性体層上に前記第一の起電層を形成することにより第一の熱電変換単位素子を形成し、前記第一の起電層上に第二の起電層を形成し、前記第二の起電層上に第二の方向に磁化した第二の磁性体層を形成し、前記第二の磁性体層上に前記第二の起電層を形成することにより、第二の熱電変換単位素子を形成し、前記第一の熱電変換単位素子と前記第二の熱電変換単位素子とを前記第一の磁化方向と前記第二の磁化方向とが略反転方向となるように積層する、熱電変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子及びその製造方法に関し、特にスピンゼーベック効果および逆スピンホール効果を用いた、熱電変換素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃棄されたエネルギーから利用可能なエネルギーを回収する「エネルギー・ハーベスティング」が、持続可能な社会にむけた効率的なエネルギー利用方法として期待されている。排熱などの余剰熱から電気を取り出す熱電変換素子は、エネルギー・ハーベスティングを実現する一つの手法であり、その重要性はますます拡大している。
【０００３】
近年、新しい熱電変換素子として、「スピン熱電変換素子」が注目されている。「スピン熱電変換素子」は磁性体中における「スピンゼーベック効果（Ｓｐｉｎ−Ｓｅｅｂｅｃｋ  Ｅｆｆｅｃｔ）」と「逆スピンホール効果（Ｉｎｖｅｒｓｅｄ  Ｓｐｉｎ  Ｈａｌｌ  Ｅｆｆｅｃｔ）」を用いて温度勾配から発電を行う素子である。ここで、「スピンゼーベック効果」とは、磁性体に温度勾配を印加すると、温度勾配と平行な方向に電子のスピン角運動量による流れ（スピン流）が生成される現象をいう。また、「逆スピンホール効果」とは、スピン流が物質のスピン軌道相互作用によって電流へと変換される現象をいう。
【０００４】
特許文献１に記載された熱電変換素子は、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た構成としている。この素子の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温度勾配と直交する方向に磁場を印加する。これにより、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構成としている。ここで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る。そのため、素子設計の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、としている。
【０００５】
また、特許文献２に記載された熱電変換素子は、熱電変換素子本体と、熱電変換素子本体の表面上に設けられたスペーサー層とを具備している。このことによって、発生する熱に応じて効率的な熱電変換を行うことが可能である、としている。
【０００６】
上述の特許文献１に記載された熱電変換素子のように、スピンゼーベック効果が発現するために、外部磁場により磁性体を強制的に磁化することが可能である。また、ある一定の保持力を持つ磁性体を用い、その内部磁化によってスピンゼーベック効果を得ることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−２４９７４６号公報
【特許文献２】国際公開２０１３−０４７２５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した関連する熱電変換素子のようなスピン流熱電変換素子を実用に供する場合、長期間の磁化の安定性が必要となる。しかし、スピン流熱電変換素子を構成する磁性体の磁化が外部環境により変動し、素子特性が低下するという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上述した課題である、熱電変換素子においては、熱電変換素子を構成する磁性体の磁化が外部環境により変動すると素子特性が低下するという課題を解決する熱電変換素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の熱電変換素子は、第一の方向に磁化した第一の磁性体層と、第一の磁性体層の対向する二つの面のうち少なくとも一方の面において、第一の磁性体層と磁気的に接続した第一の起電層と、を含む、第一の熱電変換単位素子と、第一の方向の略反転方向である第二の方向に磁化した第二の磁性体層と、第二の磁性体層の対向する二つの面のうち少なくとも一方の面において、第二の磁性体層と磁気的に接続した第二の起電層と、を含む第二の熱電変換単位素子とを有し、第一の熱電変換単位素子と第二の熱電変換単位素子が、第一の磁性体層と第一の起電層との界面および第二の磁性体層と第二の起電層との界面の法線方向に積層し、第一の磁性体層及び第二の磁性体層はスピンゼーベック効果を発現する材料からなる。
【００１１】
また、本発明の熱電変換素子の製造方法は、基板層上に第一の起電層を形成し、第一の起電層上に第一の磁性体層を形成し、第一の磁性体層上に第一の起電層を形成することにより第一の熱電変換単位素子を形成し、第一の起電層上に第二の起電層を形成し、第二の起電層上に第二の磁性体層を形成し、第二の磁性体層上に第二の起電層を形成することにより、第二の熱電変換単位素子を形成し、第一の熱電変換単位素子と第二の熱電変換単位素子とを第一の磁化方向と第二の磁化方向とが略反転方向となるように積層する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の熱電変換素子およびその製造方法によれば、磁性体の磁化に及ぼす外部環境が変動した場合であっても良好な素子特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第一の実施形態における熱電変換素子の構成を示す磁化方向に平行な面に沿った断面図である。
【図２】本発明の第一の実施形態における熱電変換素子の構成を示す磁化方向に垂直な面に沿った断面図である。
【図３】本発明の第一の実施形態における熱電変換素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第一の実施形態における熱電変換素子の別の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の第一の実施形態における各単位素子の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例１における熱電変換素子の製造方法を示す図である。
【図７】本発明の実施例２における第一の熱電変換単位素子と第二の熱電変換単位素子との磁化方向に平行な面に沿った断面図である。
【図８】本発明の実施例２における熱電変換素子の構成を示す断面図である。
【図９】本発明の実施例３における熱電変換素子の構成を示す断面図である。
【図１０】第一の実施形態の熱電変換素子の構成に、特許文献１に記載の関連する技術を適用した場合の断面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態における熱電変換モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下に述べる実施形態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。
【００１５】
［第一の実施形態］次に、本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、第一の実施形態における熱電変換素子１００の構成を示す磁化方向に平行な面に沿った断面図、図２は磁化方向に垂直な面に沿った断面図、図３は熱電変換素子１００の製造方法を説明するための断面図、図４は熱電変換素子１００の別の製造方法を説明するための断面図である。
【００１６】
［構造の説明］図１に示すように、熱電変換素子１００は、第一の熱電変換単位素子１０と第二の熱電変換単位素子２０とを備えている。第一の熱電変換単位素子１０は第一の磁性体層１、第一の起電層２を備え、第二の熱電変換単位素子２０は、第二の磁性体層１１、第二の起電層１２を備えている。
【００１７】
第一の熱電変換単位素子１０において、第一の磁性体層１は第一の方向５０に磁化している。さらに、第一の磁性体層１の対向する二つの面のうち少なくとも一方の面において、第一の磁性体層１と第一の起電層２とが磁気的に接続している。図１では、第一の磁性体層１の両面に第一の起電層２を備えた構成を示す。
【００１８】
また、第二の熱電変換単位素子２０において、第二の磁性体層１１は前述の第一の方向５０の略反転方向である第二の方向５１に磁化している。さらに、第二の磁性体層１１の対向する二つの面のうち少なくとも一方の面において、第二の磁性体層１１と第二の起電層１２とが磁気的に接続している。図１では、第二の磁性体層１１の両面に第二の起電層１２を備えた構成を示す。
【００１９】
これら第一の熱電変換単位素子１０及び第二の熱電変換単位素子２０が第一の磁性体層１と第一の起電層２との界面および第二の磁性体層１１と第二の起電層１２との界面の法線方向に積層している。以降、図１に示した構成で説明する。
【００２０】
以下、熱電変換素子１００の各構成に適用し得るバリエーションを記載する。第一の磁性体層１と第二の磁性体層１１には、スピンゼーベック効果を発現する材料を用いる。これらの磁性体層の材料は磁性絶縁体が好ましいが、強磁性金属であってもよい。磁性絶縁体としては、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ，  Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２）や、ビスマス（Ｂｉ）添加したＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ）などを用いることができる。また、強磁性金属としては、Ｎｉ―Ｆｅ合金、Ｃｏ―Ｆｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金を用いることができる。第一の磁性体層１と第二の磁性体層１１とは同じ磁性体材料を用いてもよいし、異なる磁性体材料を用いてもよい。
【００２１】
第一の起電層２と第二の起電層１２とに用いられる材料は、スピン軌道相互作用の大きな材料が好ましい。たとえば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｄ、Ｉｒやその他のｆ軌道を有する金属材料、またはそれらを含有する合金材料が好ましい。またはＣｕなどの金属材料にＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｇｄ、Ｂｉ、Ｃなどの材料を０．０１〜１０％程度添加を行った複合材料、有機物中に添加されたＰｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｄ、Ｉｒやその他のｆ軌道を有する金属材料、炭素材料などでもよい。第一の起電層２と第二の起電層１２では、材料は異なってもよいし同じでもよい。
【００２２】
加えて、第一の起電層２と第二の起電層１２とにはそれぞれ符号の異なるスピンホール伝導性を持つ材料を用いることができる。ここで「スピンホール伝導性の符号が異なる」とは、同一の磁化方向を持つ磁性体膜上に、スピン軌道相互作用の符号が異なる材料を用いた起電層を構築した場合、逆スピンホール効果によりスピン流を電流へと変換した際、発生する電流の向き(起電力の符号)が異なることを意味する。
【００２３】
各単位素子における起電力は絶対値として同一であることが好ましい。第一の起電層２と第二の起電層１２とに合金膜が用いられる場合、その膜厚、添加物濃度及び磁性体層として選択した材料により起電力が変化する。この場合の起電力の調整は、金属合金における合金材料の組成調整において行うことができる。たとえば、Ｐｔを母材とした材料とＷを母材とした材料を用い、添加物の濃度を詳細に調整することにより、逆符号ではあるが、絶対値として等しい電圧を得ることが可能である。一例として、第一の磁性体層１及び第二の磁性体層１１に同一の材料を選択した場合を説明する。この場合、第一の起電層２では、ＰｔやＰｔへ０〜２０ｗｔ％の範囲でＷを添加した合金材料を用い、第二の起電層１２ではＷやＷへ０〜２０ｗｔ％の範囲でＰｔを添加した合金材料を用いることができる。
【００２４】
また、起電力の他の一つの調整手段としては、第一の起電層２または第二の起電層１２の膜厚を変更することにより同様に起電力を調整することができる。これは、膜厚を厚くすることにより、スピン拡散長以上の厚みになった場合は、起電層の厚み方向に垂直な方向の抵抗が低下し、起電圧が低下することを利用する。このような方法を用いて、異なる二つ以上の起電層に対して、絶対値の等しい起電力を得ることができる。
【００２５】
例えば一例として挙げた構成では、第一の起電層２と第二の起電層１２との起電力が一致するよう、第一の起電層２ではＰｔへのＷ含有濃度を、第二の起電層１２ではＷへのＰｔの含有濃度を調整して添加を行うことが望ましい。
【００２６】
［作用の説明］次に、熱電変換素子１００の作用を説明する。図２に示すように、熱電変換素子１００の積層方向に温度勾配を付加すると、第一の磁性体層１と第二の磁性体層１１とをスピンゼーベック効果によりスピンが伝播するスピン流が発生する。このスピン流は高温から低温に流れる。
【００２７】
図２のように、第一の熱電変換単位素子１０を高温側、第二の熱電変換単位素子２０を低温側とすると、生じたスピン流は、高温側の第一の熱電変換単位素子１０から、低温側の第二の熱電変換単位素子２０の方向に流れる。
【００２８】
第一の磁性体層２及び第二の磁性体層１１で生じたスピン流は、第一の磁性体層１と磁気的に接続した第一の起電層２との界面、および第二の磁性体層１１と磁気的に接続した第二の起電層１２との界面に到達し、逆スピンホール効果により電流に変換される。
【００２９】
このとき、第一の磁性体層１と第二の磁性体層１１は互いに略反転した磁化方向を持つため、各々の磁性体層からのスピン流によって各々の起電層中に生じる純スピン流は、逆方向に流れる。より詳細には、まず第一の起電層２中の伝導電子は、第一の磁性体層１からのスピン流より角運動量を受け取る。この伝導電子はアップスピン及びダウンスピンをもった伝導電子となり、積層方向に沿って互いに逆方向に流れる（純スピン流）。一方、第二の起電層１２中に生じる純スピン流は前述の第一の起電層２中の純スピン流と逆方向に流れる。
【００３０】
ここで、第一の起電層２と第二の起電層１２とは各々符号の異なるスピンホール伝導性を持つため、結果としていずれの界面に到達したスピン流も図２に示した方向５２に流れる電流となる。この方向５２は、各磁性体層の磁化方向及びスピン流の流れる方向に対して略垂直である。この結果、図２に示すように第一の起電層２及び第二の起電層１２に電極４０を電気的に接続することですべての層の起電力の合計を出力として得ることができる。
【００３１】
ここで、各々の起電層での逆スピンホール効果をより大きくするために、以下のように層厚、層材料の最適化を行うことができる。
【００３２】
各起電層の層厚は、スピン拡散長に相当する厚みまでは起電力が向上するため、スピン拡散長に相当する厚みとすることが好ましい。それ以上の膜厚となると短絡の影響により膜の電気抵抗が小さくなり、起電力が低下するためである。たとえば、Ｐｔおよびその合金の場合、層厚は約２ｎｍより厚く約３０ｎｍより薄い層厚とすることにより、好適な出力を得ることができる。また、約１ｎｍより厚く約５０ｎｍより薄い層厚としても、微弱出力を得ることができる。さらに厚い層厚でも起電力の確認を行うことが可能である。
【００３３】
［製造方法の説明］次に、第一の実施形態における熱電変換素子１００の製造方法について説明する。まず、熱電変換素子１００の各々の構成の製造方法を説明する。
【００３４】
第一の磁性体層１および第二の磁性体層１１は、焼結法、溶融法、結晶引き上げ法、線引き炉を用いた磁性絶縁体ファイバ作成法、フェライトめっき法等を用いて形成することができ、形成したバルク体を磁性体として用いることが出来る。形成した各磁性体層は、各層に対して磁化処理を行うことにより、任意の方向に磁化することができる。
【００３５】
第一の起電層２および第二の起電層１２は、スパッタ法、蒸着法、メッキ法、スクリーン印刷法、インクジェット法、スプレー法及びスピンコート法などの成膜方法によって形成できる。第一層目をいずれかの起電層とする場合は、適宜基板等を用いて形成できる。また、ナノコロイド溶液の塗布・焼結プロセスなどを用いることもできる。
【００３６】
図３に示すように、上述の各構成の製法を熱電変換素子１００の各構成の積層順に適用して素子を製造することができる。つまり、基板層６０上に第一の起電層２を形成する（図３（ａ）に示す工程Ａ）。次に、前述の第一の起電層２上に第一の磁性体層１を形成し（図３（ｂ）に示す工程Ｂ）、前述の第一の磁性体層１上に第一の起電体層２を形成して第一の熱電変換単位素子１０とする（図３（ｃ）に示す工程Ｃ）。同様に第二の熱電変換素子２０を形成し（図３（ｄ）〜（ｆ）に示す工程Ｄ〜Ｆ）、基板層６０を除去し（図３（ｇ）に示す工程Ｇ）、熱電変換素子１００とする。基板層６０は除去しなくてもよい。これに限らず、図４に示すように、第一の熱電変換単位素子１０及び第二の熱電変換単位素子２０を個々に形成し（図４（ａ））、それらを貼り合せて製造する（図４（ｂ））こともできる。また、各々の製造方法を適宜組み合わせることも可能である。
【００３７】
［効果の説明］以上、熱電変換素子１００が上述の構成を有することで、第一の磁性体層１と第二の磁性体層１１の磁化方向が交互に略反転しているので、磁気ループが形成される。このように閉磁気回路が形成されることにより、２つの単位層間における磁気反発は最小化され、安定化するので、磁化状態の変化による出力の変動が長期に渡って大きく低減される。
【００３８】
さらに、熱電変換素子全体で同一方向に電流が取り出せる構成とすることができるので、電力を取り出す電極の配線が容易になる。
【００３９】
第一の実施形態では、第一の熱電変換単位素子１０が第一の方向５０に磁化した第一の磁性体層１と、第一の磁性体層１の対向する二つの面において、第一の磁性体層１と磁気的に接続した二つの第一の起電層とを含む構成について説明した。しかし、第一の熱電変換単位素子１０を図５（ａ）、（ｂ）、または（ｃ）に示すような構成としてもよい。図５（ａ）はいずれかの磁性体層の、各単位層の積層方向に垂直な面のいずれか一方の面にのみ起電体層が磁気的に接続した単位素子である。図５（ｂ）は（ａ）の逆の配置の単位素子である。図５（ｃ）は、磁性体層の積層方向に垂直な面のうち上面または下面に基板層６０を配置し、他面に起電体層を磁気的に接続した単位素子である。磁性体層に磁性絶縁体を適用する場合には、温度勾配に対し生じるスピン流が積層方向に沿った一方向にのみ流れるため、スピン流が進む方向の面に起電体層が磁気的に接続されていればよい。このため、図５（ａ）〜（ｃ）を適宜単位層として選択できる。第二の熱電変換単位素子２０についても同様に単位層を選択できる。いずれも、各単位層から発生する電流を同じ面内方向に取り出せる構成とすることができるため、上述した構成と同様の効果を得られる。
【００４０】
［実施例１］第一の実施形態の具体的な構成例である実施例１について、構成と製造方法の具体例を、図６を用いて説明する。
【００４１】
［製造方法の説明］まず、スパッタ法を用いて第一の起電層２として膜厚１０ｎｍのＰｔＷ合金膜２ａを成膜する。その後、ＰｔＷ合金膜２ａ上にフェライトめっき法を用いて第一の磁性体層１として膜厚６０μｍのフェライト膜１ａを成膜する。さらに、フェライト膜１ａ上へスパッタ法を用いて膜厚１０ｎｍのＰｔＷ合金膜２ａを成膜する。その後、強磁場を印加し、図６（ａ）に示す第一の方向５０に磁化した第一の熱電変換単位素子１０を得ることができる。
【００４２】
次に、スパッタ法を用いて第二の起電層１２として膜厚１０ｎｍのＷＰｔ合金膜１２ａを成膜する。その後、ＷＰｔ合金膜１２ａ上にフェライトめっき法を用いて第二の磁性体層１１として６０μｍのフェライト膜１１ａの成膜を行う。さらに、フェライト膜１１ａ上へスパッタ法を用い膜厚１０ｎｍのＷＰｔ合金膜１２ａを成膜する。その後、強磁場を印加し、図６（ｂ）に示す第二の方向５１に磁化した第二の熱電変換単位素子２０を得ることができる。
【００４３】
その後、図６（ｃ）に示すように、第一の熱電変換単位素子１０及び第二の熱電変換単位素子２０を、おのおのの磁化方向である第一の方向５０と第二の方向５１が略反転した方向を向くように向かい合せて貼り合せる。以上の工程を経て、熱電変換素子２００を得ることができる。
【００４４】
さらに、図６（ｄ）に示すように、磁化方向に垂直な方向（図６中のｘ軸方向）の端面の両端に、電極４０として導電性を持つ銀電極４０ａを蒸着し、すべての単位層による起電力を取り出すための端子４２、４３を作製する。
【００４５】
この結果、フェライト膜１ａとフェライト膜１１ａとの間にはｙ方向の各端面において第一の方向５０の磁化と第二の方向５１の磁化が結合した、磁気閉回路が形成される。このように磁気閉回路が形成されることにより、各磁性体層の磁気的な安定性が向上し、長期間安定して磁化された第一の磁性体層１と第二の磁性体層１１とを有する熱電変換素子１００を作製することができる。
【００４６】
［実施例２］第一の実施形態の他の具体例として実施例２を、図７、８を参照して説明する。図７は、実施例２における第一の熱電変換単位素子１０と第二の熱電変換単位素子２０との磁化方向に平行な面に沿った断面図であり、図８は、第一の熱電変換単位素子１０と第二の熱電変換単位素子２０と組み合わせて構成した熱電変換モジュール３００の構成を示す断面図である。
【００４７】
実施例２の第一の熱電変換単位素子１０は、図７に示すように、例えば、約１ｍｍ×１ｍｍ×５ｃｍの角柱状の第一の磁性体層１を使用することができる。同様に、第二の熱電変換単位素子２０は、約１ｍｍ×１ｍｍ×５ｃｍの角柱状の第二の磁性体層１１を使用することができる。
【００４８】
さらに、第一の熱電変換単位素子１０は、第一の起電層２として厚さ約１０ｎｍの白金膜２ｂを備えている。一方、第二の熱電変換単位素子２０は、第二の起電層１２として白金膜２ｂと逆符号のスピンホール伝導性を有する厚さ約７ｎｍのタングステン膜１２ｂを備えている。
【００４９】
図７に示す実施例２の熱電変換素子は、上述の２つの単位素子中の磁性体層が非常に細長い形状の場合の構成である。各磁性体層内の磁化の揺らぎが大きくなるため、これを低減する目的で、図７に示すように互いに略反平行の磁化を有する磁性体層を隣合せに配置し、これにより磁気ループを構成するものである。
【００５０】
図８は、第一の熱電変換単位素子１０と第二の熱電変換単位素子２０とを組み合わせた構成例を模式的に示した図である。これら２つの単位素子の組み合わせ方は、単位素子の内部磁化の揺らぎの程度に応じて、様々に並び替えて熱電変換素子モジュール３００全体の磁化を安定させることができる。
【００５１】
例えば図８（ａ）は、単位素子の内部磁化の揺らぎが大きい場合に適した構成であり、隣り合う単位素子の磁化がすべて略反平行になっている。言い換えると、第一の熱電変換単位素子１０と第二の熱電変換単位素子２０とが、鉛直方向および面内方向の少なくとも一方に交互に配列している。また図８（ｂ）は、単位素子の内部磁化の揺らぎが図８（ａ）に示した構成の場合ほど大きくない場合に適した構成であり、複数の単位素子によって、より大きな磁気ループを構成して安定化させることができる。第一の熱電変換単位素子１０と第二の熱電変換単位素子２０とが、層ごとに交互に積層された構成としても良い。
【００５２】
各起電層が電気的に接続することができれば、各単位素子間の接着はどのような手法を用いてもよい。たとえば、導電性の接着材を用いて各単位素子を貼り付けることが可能である。
【００５３】
図８（ａ）、（ｂ）は、二次元的な並び方の例を示しているが、三次元的に単位素子を積層する場合も、全体の磁化を安定に保つために並び方を最適化することが可能である。実施例２では、磁性体が細長い場合を例として説明を行ったが、磁性体が細長くない場合でも図７、図８の構造は磁化の安定の効果を奏する。
【００５４】
［実施例３］第一の実施形態の変形例である実施例３について図９を用いて説明する。
図９は、熱電変換素子４００を構成する磁性体層の磁化方向に平行な面に沿った断面図である。実施例３においても、構成と製造方法の具体例を説明する。
【００５５】
［製造方法の説明］まず、製造方法を説明する。初めに、実施例１で説明した熱電変換素子２００を作成する。その後、図９中に示すｘ軸方向の両端面に、高透磁率でありかつ絶縁体である材料から成る磁気通路７０を構成し、熱電変換素子４００とする。例えば、磁気通路としてＭｎＺｎフェライト膜を用いることができる。
【００５６】
この結果、第一の熱電変換単位素子１０と第二の熱電変換単位素子２０との間には、高透磁率の磁気通路７０を通じて、実施例１よりもさらに安定した磁気閉回路が形成される。
【００５７】
この時、磁気通路７０には、矢印で示す磁化７２、７３を有する通路が含まれる。すなわち、第一の方向５０に磁化された第一の磁性体層１から、磁化方向７２の磁性体を通り、第二の方向５１に磁化された第二の磁性体層１１を経由し、磁化方向７３の磁性体を経る磁気閉回路が構成される。
【００５８】
この結果、外部の磁場の乱れの影響をより受けにくくなり、磁気的安定性が向上する。このため、長期間安定して磁化された第一の磁性体層１、第二の磁性体層１１を有する熱電変換素子４００を作製することができる。
【００５９】
以下に、第一の実施形態における熱電変換素子１００を例に、素子の構成のその他のバリエーションを示す。第一の熱電変換単位素子１０及び第二の熱電変換単位素子２０には、図１０に絶縁体層８０の例として示すように、磁性体層と起電体層以外に基板層や反強磁性体層、絶縁体層８０といった機能層を、磁性体層または起電体層の上下に付加することが可能である。これらは単位素子間に挟んでも良い。製造方法では、基板層上に各層を形成したり、いずれかの単位素子上に反強磁性体膜や絶縁膜を形成し、さらに引き続きもう一方の単位素子を形成したりすることができる。
【００６０】
また、図１１に示すように複数の第一の熱電変換単位素子１０と複数の第二の熱電変換単位素子２０とを有する、熱電変換モジュール５００としてよい。
【００６１】
本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。
【００６２】
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
［付記１］
第一の方向に磁化した第一の磁性体層と、
前記第一の磁性体層の対向する二つの面のうち少なくとも一方の面において、前記第一の磁性体層と磁気的に接続した第一の起電層、
とを含む、第一の熱電変換単位素子と、
前記第一の方向の略反転方向である第二の方向に磁化した第二の磁性体層と、
前記第二の磁性体層の対向する二つの面のうち少なくとも一方の面において、前記第二の磁性体層と磁気的に接続した第二の起電層、
とを含む、第二の熱電変換単位素子、とを有し、
前記第一の熱電変換単位素子と前記第二の熱電変換単位素子が、前記第一の磁性体層と前記第一の起電層との界面および前記第二の磁性体層と前記第二の起電層との界面の法線方向に積層しており、
前記第一の磁性体層及び前記第二の磁性体層はスピンゼーベック効果を発現する材料からなる、熱電変換素子。
［付記２］
前記第一の起電層は第一の金属材料を含み、
前記第二の起電層は第二の金属材料を含み、
前記第一の金属材料と前記第二の金属材料は、スピン軌道相互作用の符号が異なる、付記１に記載した熱電変換素子。
［付記３］
前記第一の起電層及び前記第二の起電層と電気的に接続された電極を有する、付記１または２に記載の熱電変換素子。
［付記４］
前記電極が、前記第一の熱電変換単位素子及び前記第二の熱電変換単位素子の積層方向に垂直な方向の端面に当接して配置している、付記３に記載の熱電変換素子。
［付記５］
前記第一の磁性体層および前記第二の磁性体層における温度勾配の向きと磁化の方向によって定まる前記第一の起電層および前記第二の起電層における起電力の向きが、前記第一の方向および前記第二の方向と略垂直である、付記１から４のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
［付記６］
前記第一の金属材料が白金を主成分とする合金であり、前記第二の金属材料がタングステンを主成分とする合金である、付記２に記載の熱電変換素子。
［付記７］
前記第一の方向及び前記第二の方向に略垂直な対向する２つの面に、前記第一の磁性体層および前記第二の磁性体層とそれぞれ磁気的に結合する磁気通路をさらに有する、付記１から６のいずれかに記載の熱電変換素子。
［付記８］
付記１から７のいずれか一項に記載の熱電変換素子を構成する前記第一の熱電変換単位素子と前記第二の熱電変換単位素子とが、鉛直方向および面内方向の少なくとも一方に交互に配列した、熱電変換素子モジュール。
［付記９］
前記第一の方向が同一方向である複数の前記第一の熱電変換単位素子が、同一面内に配置した第一の層と、
前記第二の方向が同一方向である複数の前記第二の熱電変換単位素子が、同一面内に配置した第二の層とが、
鉛直方向に交互に積層した、付記８に記載の熱電変換素子モジュール。
［付記１０］
基板上に第一の起電層を形成し、前記第一の起電層上に第一の方向に磁化した第一の磁性体層を形成し、前記第一の磁性体層上に前記第一の起電層を形成することにより第一の熱電変換単位素子を形成し、前記第一の起電層上に第二の起電層を形成し、前記第二の起電層上に第二の方向に磁化した第二の磁性体層を形成し、前記第二の磁性体層上に前記第二の起電層を形成することにより、第二の熱電変換単位素子を形成し、前記第一の熱電変換単位素子と前記第二の熱電変換単位素子とを前記第一の磁化方向と前記第二の磁化方向とが略反転方向となるように積層する、熱電変換素子の製造方法。
［付記１１］
前記第一の方向が同一方向である複数の前記第一の熱電変換単位素子とが同一面内に配置した第一の層と、
前記第二の方向が同一方向である複数の前記第二の熱電変換単位素子とが同一面内に配置した第二の層とが、
交互に積層した、付記８に記載の熱電変換素子モジュール。
［付記１２］
前記第一の熱電変換単位素子と前記第二の熱電変換単位素子とが略等しい起電力を生じる、付記１か１１のいずれかに記載の熱電変換素子。
［付記１３］
前記磁気通路がＭｎ−Ｚｎフェライト膜である、付記８に記載の熱電変換素子。
［付記１４］
第一の金属材料または第二の金属材料がスピン軌道相互作用を有し、かつｆ軌道を有する金属、またはそれらを含有する合金を含む、付記２から１３のいずれかに記載の熱電変換素子。
［付記１５］
第一の金属材料または第二の金属材料が、スピン軌道相互作用を有し、かつ金属材料にＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｇｄ、Ｂｉ、Ｃなどの材料を０．０１〜１０％添加を行った複合材料である、付記２から１３のいずれかに記載の熱電変換素子。
［付記１６］
第一の金属材料または第二の金属材料がスピン軌道相互作用を有しかつｆ軌道を有する金属が、有機物中に添加された材料である、付記２から１３のいずれかに記載の熱電変換素子。
【符号の説明】
【００６３】
１    第一の磁性体層
１ａ    フェライト膜
２    第一の起電層
２ａ    ＰｔＷ合金膜
１０    第一の熱電変換単位素子
１１    第二の磁性体層
１１ａ    フェライト膜
１２    第二の起電層
１２ａ    ＷＰｔ合金膜
１２ｂ    タングステン膜
２０    第二の熱電変換単位素子
４０    電極
４０ａ    銀電極
４２、４３    端子
５０    第一の方向
５１    第二の方向
５２    方向
６０    基板層
７０    磁気通路
７２、７３    磁化
８０    絶縁体層
１００、２００、４００    熱電変換素子
３００、５００    熱電変換モジュール
【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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【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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