(57)【要約】【課題】熱電性能に優れたスピン熱電変換素子を提供する。【解決手段】スピン熱電変換素子１０は、磁性体２０の一面２１に形成されている電極３０を備える。スピン熱電変換素子１０は、磁性体２０に生じる温度勾配に起因して磁性体２０と電極１０との間に発生するスピンゼーベック効果によって電極３０に起電力が誘起される。電極３０は、ＰｔとＦｅとを含む合金によって構成されている。Ｆｅの原子数濃度が４０ａｔ％以上で６０ａｔ％以下の範囲内に入るように電極３０が構成されている。好ましくは、Ｆｅの原子数濃度が４５ａｔ％以上で５５ａｔ％以下の範囲内に入るように電極３０が構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体（２０）と、この磁性体の一面（２１）に形成されている起電体（３０）とを備え、前記磁性体に生じる温度勾配に起因して前記磁性体と前記起電体との間に発生するスピンゼーベック効果によって前記起電体に起電力が誘起されるスピン熱電変換素子であって、
前記起電体は、ＰｔとＦｅとを含む合金によって構成されて、前記Ｆｅの原子数濃度が４０ａｔ％以上で６０ａｔ％以下の範囲内に入るように前記起電体が構成されていることを特徴とするスピン熱電変換素子。
【請求項２】
前記Ｆｅの原子数濃度が４５ａｔ％以上で５５ａｔ％以下の範囲内に入るように前記起電体が構成されていることを特徴とする請求項１に記載のスピン熱電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン熱電変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、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スピン熱電変換素子が種々開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
例えば、スピン熱電変換素子としては、磁性体と、磁性体の一面に形成されている起電体とから構成されている。磁性体は、ＹＩＧ等の磁性材料などからなるものである。ＹＩＧは、Yttrium Iron Garnet（Y3Fe5O12）の略称である。起電体は、一般にＰｔ、 Ｗ、Ｔａ、 ＩｒＯ2等の高いスピン起動相互作用を有する材料からなる電極である。このようなスピンゼーベック効果を利用したスピン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】
【０００５】
【特許文献１】特許第５５８５３１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１における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（すなわち、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。
【０００７】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、熱電性能に優れたスピン熱電変換素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、磁性体（２０）と、この磁性体の一面（２１）に形成されている起電体（３０）とを備え、磁性体に生じる温度勾配に起因して磁性体と起電体との間に発生するスピンゼーベック効果によって起電体に起電力が誘起されるスピン熱電変換素子であって、
起電体は、ＰｔとＦｅとからなる合金によって構成されて、Ｆｅの原子数濃度が４０ａｔ％以上で６０ａｔ％以下の範囲内に入るように起電体が構成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、熱電性能に優れた熱電変換素子を提供することができる。
【００１０】
特に、請求項２に記載の発明のように、電極は、Ｆｅの原子数濃度が４５ａｔ％以上で５５ａｔ％以下の範囲内に入るように構成されていれば、より優れた熱電性能を有する熱電変換素子を提供することができる。
【００１１】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態におけるスピン熱電変換素子の構成を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態におけるスピン熱電変換素子の起電力の測定方法を示す図である。
【図３】第１実施形態におけるスピン熱電変換素子の作成工程を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態におけるスピンゼーベック係数ＳＳＳＥのＦｅ濃度依存性を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態におけるスピン熱電変換素子の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の第３実施形態におけるスピン熱電変換素子の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
【００１４】
（第１実施形態）
図１に本発明の本実施形態のスピン熱電変換素子１０の構成を示す斜視図である。
【００１５】
スピン熱電変換素子１０は、図１に示すように、磁性体２０および電極３０から構成されている。磁性体２０は、ＹＩＧによってバルク体として構成されている。
【００１６】
ＹＩＧは、Yttrium Iron Garnet（Y3Fe5O12）の略称である。本実施形態では、磁性体２０は、表面２１を有する板状に形成されている。表面２１は、磁性体２０の厚み方向の一方側に平面状に形成されている一面である。
【００１７】
電極３０は、磁性体２０の表面２１に沿うように薄膜状に形成されている起電体である。本実施形態の電極３０は、後述するように、ＰｔとＦｅとを含む合金によって構成されている。
【００１８】
このように構成される本実施形態のスピン熱電変換素子１０では、磁性体２０と電極３０との間に発生するスピンゼーベック効果によって電極３０に起電力が誘起される。
【００１９】
具体的には、図２に示すように、磁性体２０の厚さ方向に温度勾配を生じさせて、磁性体２０に対して幅方向に磁場Ｈを与えると、厚さ方向他方側から厚さ方向一方側にスピン流が流れる。このスピン流の一部が電極３０において電流に変換させる。この電流は、電極３０において、スピン流の流れ方向に直交し、かつ磁場Ｈの方向に直交する方向に流れる。このことにより、スピンゼーベック効果により、温度差に起因した起電力が電極３０に誘起される。
【００２０】
次に、本実施形態におけるスピン熱電変換素子１０の作成工程について図３を参照して説明する。
【００２１】
まず、第１工程（ステップ１００）において、ＹＩＧの多結晶体を幅方向寸法Ｗ＝２ｍｍ、長さＬ＝５ｍｍ、厚さ寸法ｔ＝０．９ｍｍとするバルク体としてダイヤモンドワイヤーソー（ムサシ電子社製；ＣＳ−２０３  ）でカットする。以下、このようにカットしたＹＩＧの多結晶体をＹＩＧ素子という。
【００２２】
次に、第２工程（ステップ１１０）において、ＹＩＧ素子の表面を研磨する。
【００２３】
次に、第３工程（ステップ１２０）において、この表面を研磨したＹＩＧ素子を有機溶剤中で約５分間、超音波洗浄して磁性体２０が形成される。
【００２４】
次に、第４工程（ステップ１３０）において、磁性体２０の表面２１の全面に対して、いわゆるコスパッタ法によりＦｅ、Ｐｔによって薄膜を形成する。
【００２５】
具体的には、磁性体２０の表面２１全面に対してスパッタ等により形成する薄膜の原材料であるターゲットとしてＦｅ、Ｐｔを設定して、Ｆｅによって薄膜を形成する成膜工程と、Ｐｔによって薄膜を形成する成膜工程とを同時に行う。
【００２６】
以上により、ＰｔとＦｅとからなる合金からなる薄膜が電極３０として磁性体２０の表面２１の全面に形成されることになる。これにより、スピン熱電変換素子１０が作成される。
【００２７】
次に、第５工程（ステップ１４０）において、測定器４０で温度差による起電力を評価する。
【００２８】
具体的には、図２に示すように、磁性体２０の厚み方向に温度差ΔＴの温度勾配を生じさせる。この際に、幅方向に磁場Ｈを与えて、電極３０の長さ方向に誘起される起電力を測定器４０で測定する。
【００２９】
本実施形態では、磁性体２０の厚み方向には、３０℃の温度差ΔＴの温度勾配を生じさせる。磁性体２０の幅方向に与える磁場Ｈとしては、−１４０ｍＴ〜１４０ｍＴの範囲内の磁界が設定される（−１４０ｍＴ≦Ｈ≦１４０ｍＴ）。測定器４０としては、（株）ケスレー製のナノボルトメータ（２１８２４）が用いられる。
【００３０】
以下、このような起電力の測定結果について図４について説明する。
【００３１】
図４は、横軸が電極３０においてＦｅの原子数濃度（ａｔ％）とし、縦軸をスピンゼーベック係数ＳＳＳＥ（μＶ／Ｋ）としたグラフである。スピンゼーベック係数ＳＳＳＥは、「磁性体２０の単位温度差あたりの起電力」である。起電力は、電極３０に発生する電力である。本実施形態では、Ｆｅの原子数濃度とＰｔの原子数濃度とを加算すると１００ａｔ％となるように電極３０が構成されている。
【００３２】
図４は、×印のドットからなるグラフは、電極３０の厚さ寸法ｔを２ｎｍとしたスピン熱電変換素子１０の起電力の測定結果を示す。図４において、円形のドットからなるグラフは、電極３０の厚さ寸法ｔを４ｎｍとしたスピン熱電変換素子１０の起電力の測定結果を示す。
【００３３】
図４から分かるように、厚さ寸法ｔを２ｎｍしたスピン熱電変換素子１０では、Ｆｅの原子数濃度が４０ａｔ％以上で６０ａｔ％以下の範囲内に入るように電極３０が構成されている場合には、Ｆｅの原子数濃度が４０ａｔ％未満、あるいはＦｅの原子数濃度が６０ａｔ％よりも大きい場合に比べて、スピンゼーベック係数ＳＳＳＥが高くなっている。
【００３４】
つまり、電極３０のＦｅの原子数濃度が４０ａｔ％以上６０ａｔ％以下の範囲内に入るように電極３０が設定されている場合には、磁性体２０の単位温度差あたりの起電力が大きくなる。特に、Ｆｅ原子数濃度が４５ａｔ％以上５５ａｔ％以下の範囲内に入るように電極３０が構成されている場合には、スピンゼーベック係数ＳＳＳＥが特に高くなっていることが分かる。
【００３５】
以上説明した本実施形態によれば、スピン熱電変換素子１０は、磁性体２０と、この磁性体２０の表面２１に形成されている電極３０とを備える。スピン熱電変換素子１０は、磁性体２０に生じる温度勾配に起因して磁性体２０と電極１０との間に発生するスピンゼーベック効果によって電極３０に起電力が誘起される。
【００３６】
電極３０は、ＰｔとＦｅとを含む合金によって構成されている。電極３０において、Ｆｅの原子数濃度とＰｔの原子数濃度とを加算した百分率を１００ａｔ％とすると、電極３０のＦｅ原子数濃度が４０ａｔ％以上６０ａｔ％以下の範囲内に入るように電極３０が構成されていることを特徴とする。好ましくは、電極３０のＦｅの原子数濃度が４５ａｔ％以上で、かつ５５ａｔ％以下の範囲内に入るように電極３０が構成されていることを特徴とする。
【００３７】
これにより、本実施形態のスピン熱電変換素子１０は、Ｐｔ単体で構成される電極３０を用いたスピン熱電変換素子１０に比べて、２倍程度のスピンゼーベック係数ＳＳＳＥを得ることができる。
【００３８】
以上により、熱電性能に優れた熱電変換素子１０を提供することができる。
【００３９】
本実施形態では、上述の如く、電極３０のＦｅの原子数濃度が４５ａｔ％以上で、かつ５５ａｔ％以下の範囲内に入るように電極３０が構成されている。このため、電極３０においてＦｅの使用量を減らすことができる。このため、熱電変換素子１０のコストの低下を図ることができる。
【００４０】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、磁性体２０の表面２１に電極３０を形成したスピン熱電変換素子１０について説明したが、これに代えて、本第２実施形態では、図５に示すように、スピン熱電変換素子１０を形成してもよい。
【００４１】
すなわち、スピン熱電変換素子１０は、円筒状に形成されている磁性体２０と、磁性体２０の外周面２１ａに沿う薄膜状に電極３０が形成されている。本実施形態の電極３０は、磁性体２０軸線Ｓを中心線とする円筒状に形成されている。
【００４２】
この場合、磁性体２０に対して軸線方向に磁場Ｈを印加して、磁性体２０に対して軸線Ｓを中心とする径方向に温度勾配を生じさせると、電極３０において軸線Ｓを中心とする円周方向にスピン流に基づく電流が流れる。
【００４３】
以上説明した本実施形態によれば、スピン熱電変換素子１０の電極３０は、ＰｔとＦｅとを含む合金によって構成されている。電極３０において、Ｆｅの原子数濃度とＰｔの原子数濃度とを加算した値を１００ａｔ％とすると、Ｆｅの原子数濃度が４０ａｔ％以上６０ａｔ％以下の範囲内に入るように電極３０が構成されていることを特徴とする。好ましくは、電極３０のＦｅの原子数濃度が４５ａｔ％以上で、かつ５５ａｔ％以下の範囲内に入るように電極３０が構成されていることを特徴とする。これにより、上記第１実施形態と同様に、高いスピンゼーベック係数ＳＳＳＥを得ることができる。
【００４４】
（第３実施形態）
上記第１実施形態では、磁性体２０と電極３０とから構成されるスピン熱電変換素子１０について説明したが、これに限らず、本第３実施形態では、図６に示すように、基板５０の一面５１に磁性体２０と電極３０とを形成したスピン熱電変換素子１０を用いる例について説明する。
【００４５】
図６は、本第３実施形態のスピン熱電変換素子１０の構成を示す斜視図である。
【００４６】
本実施形態の磁性体２０は、基板５０の一面５１に薄膜状に形成されている。磁性体２０は、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（gadolinium gallium garnet）やＳｉによって形成されている。電極３０は、磁性体２０に対して基板５０の反対側の表面２１に沿うように薄膜状に形成されている。
【００４７】
（他の実施形態）
（１）上記第１〜第３実施形態では、ＹＩＧからなる磁性体２０を用いた例について説明したが、これに限らず、ＹＩＧ以外の磁性材料、あるいは磁性半導体からなる磁性体２０を用いてもよい。
【００４８】
（２）上記第１〜第３実施形態では、ＰｔとＦｅとを含む合金によって電極３０を形成した例について説明したが、これに限らず、Ｐｔ、Ｆｅに他の元素を添加した合金によって電極３０を形成してもよい。
【００４９】
（３）上記第１〜第３実施形態では、Ｆｅ、Ｐｔによって電極３０を形成する方法としてコスパッタ法を用いた例について説明したが、これに限らず、各種の方法を用いて、Ｆｅ、Ｐｔによって電極３０を形成してもよい。例えば、Ｆｅ、Ｐｔからなる合金を予め用意し、この用意した合金を用いてスパッタリング等の各種方法によって電極３０を形成してもよい。
【００５０】
（４）上記第１実施形態では、スピン熱電変換素子１０において、磁性体２０の表面２１に電極３０を形成した例について説明したが、これに代えて、スピン熱電変換素子１０において、磁性体２０の表面２１および裏面（すなわち、磁性体２０の両面）に電極３０を形成してもよい。
【００５１】
（５）なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５２】
１０    スピン熱電変換素子
２０    磁性体
３０    電極（起電体）
４０    測定器
５０    基板
【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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