立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (C) ］

ウェアラブルデバイス応用に向けたフレキシブル体温発電素子の開発
Development of a frexible thermoelectric power generatoring device
2207007

研究代表者

京都大学大学院

共同研究者

京都大学

工学研究科

博士後期課程

山下尚人

教

白石誠司

工学研究科

授

な ANE が報告されており，結晶の周期構造に[研 究 の 目 的]起因する効果を積極的に活用する等，大きな起近年，電子デバイスの小型化によりウェアラ電力を得る材料探索の研究が活発化している。

ブルデバイスの普及が進んでいる。そのような本研究では，強磁性体と反強磁性体の間の性小型デバイスにおいて電源の供給は最重要課題質を有するフェリ磁性体である鉄―ガドリニウの一つである。体温と外気温の温度差を用いたム (FeGd) 合金を用い，フレキシブル基板上熱電発電は課題解決に貢献できる可能性がある。に実装可能な ANE 発電素子へ展開可能な異常本研究ではウェアラブルデバイス応用に向け，ネルンスト効果の検出を試みた。

フレキシブル基板上に実装できる発電素子を開[研究の内容，成果］発することである。従来，熱電発電素子として用いられるゼーベック効果は図 1a に示す通り，温度差 ∇T と起電力 E の方向が同一方向のたFe と Gd の 超 高 真 空 に て 共 蒸 着 法 に よ りめ，デバイス構造が複雑となり，人体に沿ったFeGd 薄膜を成膜した。図 2 に成膜に用いた蒸フレキシブルな実装が困難だった。図 1b に模着装置を示す。

式的に示すように，∇T と E が垂直方向とな

Fe と Gd の蒸着にはそれぞれ抵抗加熱蒸着る異常ネルンスト効果 (ANE) を用いることと電子線ビーム蒸着を用いた。Fe と Gd の蒸によりこの問題を解決することができると考え着レートは水晶振動子によるモニターレートをられており，注目されている 。
1)

ANE は強磁性体における熱電効果であり材料の磁化と正の相関があることが知られている。
近年，磁化の小さい反強磁性体においても大きa : ゼーベック効果

図1b : 異常ネルンスト効果

熱電効果の比較

図2― 1 ―

真空蒸着装置立石科学技術振興財団

ルンスト効果の発現機構として，内因性と外因性の 2 種類が知られているが，非晶質ではバンド構造が定義できないためベリー曲率に由来する内因性機構の抑制が示唆される。周期構造を持つ Fe とは異なる物理的起源による異常ネルンスト効果の増大が期待される。
ANE は異常ホール効果の熱電効果版とみることができる。材料に温度勾配があるとそれによる熱起電力が平行方向に生じ，この電流により駆動される異常ホール起電力が ANE の起電力に相当するとみることもできるためである。
したがって，ANE が発現するためには，異常ホール効果を観測できることが必要である。
FeGd 合金の共蒸着膜が室温で有限の磁化を持ち異常ホール効果を生じることを確認するた
め，測定を行った。Fe 80Gd 20の組成で 30 nm の厚さの共蒸着膜を作製した。X 線光電子分光
図 3 X 線回折測定結果

により材料の組成が設計通り (Fe : Gd=80 : 20)用いた。FeGd の蒸着レートは 0.3〜0.4 Å/s ととなっていることを確認した。また，薄膜の一した。

部を集積イオンビームにより切り出し，断面のSi 基板小片 (10 mm 角) に 30 nm 堆積させ元素マッピングを観察することで組成が面内でた薄膜を用いて X 線回折 (XRD) 測定により均一となっていることを確認した。振動試料型結晶構造を確認した。測定は京都大学ナノテク

磁束計により室温にて磁化の測定を行った結果ノロジーハブ拠点にて技術代行により実施した。

を図 4a に示す。Gd では磁化が検出限界未満でGd 単 体，Fe 60 Gd 40 合 金，Fe 78 Gd 22 合 金，Feあり，ヒステリシスも観測されなかった。これ単体，Si 基板のみの試料で測定した XRD スペクトルを図 3 に示す。青線で示した通り，すべての試料に共通に見られる 52°，55°のスペクトルピークは Si 基板の結晶に起因するものである。Gd 単体では 31°の Gd (1 1 0) 面のスペクトルピークが観測された。また，Fe 単体の試料からは Fe または Si 基板との界面に形成される可能性がある Fe 3Si の結晶に由来するスペクトルピークが観測された。Fe 60 Gd 40 および
Fe 78Gd 22合金ではこれらのスペクトルピークが消失し，Si 基板由来のピークと試料表面に形成される Gd 2O 3による表面酸化膜のピークのみ現れた。すなわち，本研究で作製した FeGd 合金は先行研究と同様に周期的な結晶構造を持たない非晶質合金であるとわかった 2, 3)。異常ネ― 2 ―

図4

室温における磁化測定および異常ホール効果測定の結果

Tateisi Science and Technology Foundationは Gd のキュリー温度が 292 K のため室温 300わかる。白石研究室で保有する物性測定システ

K では常磁性となっているためである。一方，ム (Quantum Design, PPMS) では外部磁場とFe および Fe 80 Gd 20 の試料では室温で有限の磁電流を印加しながら電圧を測定することができ化およびヒステリシスを確認した。

るが，試料に温度勾配をつける仕組みは無い。

Fe の 飽 和 磁 化 は 13×10 A/m に 対 し て，

そこで，本研究では新たにサンプルステージ

Fe 80 Gd 20 の飽和磁化が 2.1×10 A/m と減少しを作製して測定を行った。今回新たに作製したているのは，フェリ磁性の磁気補償点近傍の組異常ネルンスト効果測定用システムのブロック成であることが原因であり，Fe と Gd それぞダイアグラムを図 5，サンプルステージの写真

れの磁気モーメントが減少しているわけではなを図 6 にそれぞれ示す。ガラス基板に Fe といことが知られている。これより，本実験でもFeGd 合金をそれぞれ蒸着した試料を作製した。

フェリ磁性の性質を確認した。

試料の両端 (x 方向) に温度差 (ΔT) を与え，

55SiO 2 300 nm 付 き Si 基 板 上 に 500 μm×60そ の 垂 直 方 向 (y 方 向) に 生 じ る 電 圧 (V)μm のホールバー構造を電子線ビームリソグラをデジタルマルチメーターにより測定した。

フィを用いて作成し，異常ホール効果の測定をΔTを一定に保ったまま外部磁場を試料の面直行った。測定の様子を図 4b 中に模式的に示す。

方向 (z 方向，B) に掃引した時の起電力V

図中 x 方向の印加電流 1.0 mA とした。外部磁を 図 7a に 示 す。Fe と FeGd と も に 高 磁 場場を図中 z 方向に印加し，y 方向に生じる起電(|B |>1.5 T) で磁化の飽和により飽和する階力を測定した。

段型のV 信号を観測し，異常ネルンスト効果

ホール抵抗率r は異常ホール効果を考慮す
ると次の式で表される 4)。
ρ=R0H +R M 
但し，R0 は通常のホール抵抗，H  は外部磁場，R は異常ホール抵抗，M  は材料の磁化を表す。すなわち，右辺第一項は外部磁場に比例する通常のホール効果，第二項は磁化に依存す

図5

本研究で作製した異常ネルンスト効果測定システムのブロックダイアグラム

る異常ホール効果の寄与を表す。測定結果より得られたホール抵抗率の磁場依存性を図 4b に示す。ホール抵抗率は Fe では反磁界より大きな磁場でホール抵抗率が飽和する異常ホール効果を観測した。
次に，温度差と外部磁場を印加して起電力を測 定 す る こ と に よ り ANE 測 定 を 行 っ た。
ANE による起電力V はネルンスト係数S と温度勾配∇Tを用いて次の式で表される。
V=S∇T
これより，異常ネルンスト効果の起電力は，外部磁場に対して磁化とともに飽和することの他に，温度勾配に比例するという特徴があると
― 3 ―

図6

異常ネルンスト効果測定用ステージ

立石科学技術振興財団

図7

異常ネルンスト効果の測定結果の観測に成功した。試料に取り付けた温度センすることにより FeGd 合金における ANE のメサーの抵抗値からΔTを求め，起電力ΔVに対カニズム解明に取り組みたい。

してプロットすると図 7b のようになり，線形また，実際のウェアラブルデバイスへの実装関係を確認した。この傾きから性能指標を表すに向け，フレキシブル基板上に試料作製して異異常ネルンスト係数を求めると 0.13 μV/K と，常ネルンスト効果の起電力を観測することが課

他材料を用いた先行研究と同等の値となり ，題である。

1)

測定の妥当性が示された。本研究により，Feと FeGd とを比較すると，異常ネルンスト効果[成果の発表，論文等］の極性が反転することが新しく発見した。金属[ 1 ] N. Yamashita, Y. Ando and M. Shiraishi, “Ohmicの合金化により信号の極性が反転することは報

contact on n-type Si with spin polarized metal”,

告例がなく，異常ネルンスト効果の発現メカニ

International Symposium on Creation of Advanced
Photonic and Electronic Devices 2021, A6.

ズムの違いを示唆する結果である。また，Feの膜厚は 30 nm に対して FeGd は 1/3 以下の 7nm で同程度の信号強度を得た。

[参 考 文 献］
1 ) M. Ikhlas et al., Nat. Phys. 13, 1085-1090 (2017).
2 ) W. Zhang et al., J. Appl. Phys. 115, 17A308[今後の研究の方向，課題］(2014).
3)

今後，より大きな起電力を生成する素子の設計指針を得るため，組成比や温度を変えて測定― 4 ―S. Jiang et al., AIP Adv. 7, 056029, (2017).

4)

N. Nagaosa et al., Rev. Mod. Phys. 82 1539

(2010).