CN105655474A - 热电体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热电体。提供了一种可使反常能斯特角增大的热电体。该热电体是用于利用了反常能斯特效应的热电发电元件且为磁性体的热电体，其包含掺杂了铱的铁。
Description
技术领域
本发明涉及用于利用了反常(anomalous)能斯特效应的热电发电元件的热电体。
背景技术
在强磁性体中呈现的反常能斯特效应是在与热流和磁化垂直的方向产生电场的现象。作为热电发电技术而迄今为止被研究的塞贝克效应由于为在同轴方向出现热流和电场的现象，因此在将来自热源的热能转换为电能时，需要制作将p型半导体和n型半导体相互地串联连接而排列为矩阵(matrix)状的复杂结构。
另一方面，如果将反常能斯特效应利用于热电发电，则由于相对于在面外流动的热流，在面内方向产生电场，因此可在将磁线在热源的面内方向延伸的非常简单的结构中进行热电转换。因此，根据利用了反常能斯特效应的热电发电，可得到例如容易应用于圆筒状等非平坦性的热源、可使元件低成本化这样的优点。
作为与这样的热电发电元件有关的技术，例如在专利文件1中，公开了一种热电发电器件，其具有在基板上设置的、包括在规定的方向磁化了的强磁性体的发电体，构造该发电体使得通过反常能斯特效应，利用相对于磁化方向的垂直方向的温度差进行发电。而且，在专利文献1的说明书第0019段中，记载了发电体包含具有高的磁各向异性的L1o型有序合金的优选主旨。予以说明，在相同的第0019段中，作为具有高的磁各向异性的L1o型有序合金，例示了FePt、CoPt、FePd、CoPd、FeNi、MnAl、MgGa等。另外，在非专利文献1中，公开了各种温度下的Fe、Co、Ni等纯金属的塞贝克系数与能斯特系数。另外，在非专利文献2中，作为热电材料公开了Ga1-xMnxAs。例如，从非专利文献2的图3可了解到，在室温下，失去强磁性，不呈现反常能斯特效应。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2014-72256号公报
非专利文献
非专利文献1：宫里卓郎著，「遍歴強磁性体の異常ホール効果と異常ネルンスト効果」，东京大学博士论文，2007年
非专利文献2：Puetal.,PhysicalReviewLetters,2008,vol.101,117208
发明内容
发明所要解决的课题
在迄今为止的报告中，显示由反常能斯特效应产生的电压的大小的热电能SANE(通过1K的温度差产生的电压)只不过为1～2μV左右。因此，为了使利用了反常能斯特效应的热电发电实用化，改善热电能是必须的。为了改善热电能，需要增大反常能斯特角θANE(反常能斯特角θANE＝能斯特系数/塞贝克系数)，该反常能斯特角θANE表示从在物质中产生的塞贝克电流向反常能斯特电流的转换率。基于非专利文献1的公开内容，如果分别算出Fe、Co、Ni的反常能斯特角，则Fe为约2％，Co为约1％，Ni为约0.4％。另外，基于非专利文献2的公开内容，如果算出反常能斯特角，则Ga1-xMnxAs的反常能斯特角在110K左右的温度时最大成为6～7％。这样，在以往技术中，由于反常能斯特角小，因此使利用了反常能斯特效应的热电发电实用化是困难的。
因此，本发明以提供一种可使反常能斯特角增大的热电体为课题。
由于解决课题的手段
本发明人进行了专心研究，结果发现，通过在铁中掺杂铱，可使反常能斯特角增大。根据本发明人的实验，通过调整铱的掺杂量，可使反常能斯特角最大增大至38％。本发明是基于该发现而完成的。
为了解决上述课题，本发明采用了以下手段。即，
本发明为热电体，该热电体用于利用了反常能斯特效应的热电发电元件且为磁性体，其特征在于，包含掺杂了铱的铁。
通过在铁中掺杂铱，可使反常能斯特角增大。因此，通过采用这样的实施方式，能够提供一种可使反常能斯特角增大的热电体。由于通过将本发明的热电体用于利用了反常能斯特效应的热电发电元件，可提高从在物质中产生的塞贝克电流向反常能斯特电流的转换率，因此可认为变得易于使利用了反常能斯特效应的热电发电实用化。
另外，在上述发明中，优选铱的掺杂量为7.9原子％以上。通过将铱的掺杂量设为7.9原子％以上，变得易于使反常能斯特角增大。
发明效果
根据本发明，能够提供一种可使反常能斯特角增大的热电体。
附图说明
图1是说明使用了本发明的热电体1的热电发电元件10的图。
图2是说明实施例的热电发电元件的实施方式的图。
图3A是说明实施例的热电发电元件中的塞贝克系数与Ir的掺杂量的关系的图。
图3B是说明实施例的热电发电元件中的能斯特系数与Ir的掺杂量的关系的图。
图3C是说明实施例的热电发电元件中的反常能斯特角与Ir的掺杂量的关系的图。
附图标记说明
1热电体
2连接体
3基板
10热电发电元件
21、22、23、24、25、26、27、28电极
具体实施方式
以下，在参照附图的同时对本发明进行说明。予以说明，以下示出的实施方式为本发明的例示，本发明不限于以下示出的实施方式。
图1是说明使用了本发明的热电材料的热电发电元件10的图。图1中示出的热电发电元件10具有基板3、和配置在该基板3上的热电体1及连接体2。
热电体1由掺杂了铱(Ir)的铁(Fe)构成。另外，连接体2由不显示反常能斯特效应的非磁性体(例如铜(Cu)、铬(Cr))，或者具有与热电体1相反的磁化的强磁性体、或具有与热电体1相反的反常能斯特系数的强磁性体(例如MnGa)构成。另一方面，基板3由硅、镁等构成。
热电体1通过将在基板3上成膜的、掺杂了Ir的Fe的薄膜进行细线化来形成，并在图1中示出的方向进行了磁化。热电体1以如下方式构成：通过反常能斯特效应，对于与磁化方向垂直的方向(图1中示出的热流方向)的温度差，在图1中示出的电场方向进行发电。
在基板3的表面在各热电体1、1…之间平行地配置连接体2。在邻接的一对热电体1、1之间配置1个连接体2，连接体2将一个热电体1的一端侧与另一个热电体1的另一端侧电连接。由此，通过连接体2串联地电连接热电体1。
如以上说明的那样，热电发电元件10具有由掺杂了Ir的Fe构成的热电体1。由掺杂了Ir的Fe构成的热电体1与以往的磁性材料相比可增大反常能斯特角。因此，根据本发明，能够提供一种可使反常能斯特角增大的热电体1。因此，通过使用这样的热电体1，提供易于实用化的实施方式的热电发电元件10成为可能。
在本发明中，热电体1中的Ir的掺杂量可根据所需要的反常能斯特角的大小来适当地决定。如后所述，由于与未掺杂Ir的情况相比，通过掺杂Ir可增大反常能斯特角的大小，因此本发明中的Ir的掺杂量设为大于0原子％。另一方面，本发明人发现，(1)通过使Ir的掺杂量增大，可使反常能斯特角增大，例如通过将Ir的掺杂量设为7.9原子％以上，与非专利文献2中记载的材料相比，能够增大反常能斯特角；和(2)如果使Ir的掺杂量过度地增大，则反常能斯特角出现了降低的倾向。根据本发明人的研究，由于可认为反常能斯特角开始降低的Ir的掺杂量在18原子％和22原子％之间，因此Ir的掺杂量的上限值优选设在18原子％和22原子％之间。
实施例
虽然不清楚详细情况，但作为反常能斯特效应的起源的一种，迄今为止暗示了：由自旋轨道相互作用大的杂质引起的对于电子自旋方向的各向异性的散射起作用的可能性。因此，通过在作为磁性材料的Fe中掺杂Ir、Ta、Bi这样的重元素以使电子自旋的散射产生，确认了反常能斯特效应是否增大。
1.试样的制作
<实施例>
用磁控溅射装置(BC6155，アルバック社制)，经过使Fe靶和Ir靶同时放电的过程，在氧化镁与单晶硅的基板上制作在Fe中掺杂了Ir的薄膜。其后，通过光刻法，形成了安装有Ir掺杂Fe细线与测定用Au电极的热电体。予以说明，Ir的掺杂量通过Fe靶与Ir靶的同步成膜法进行调整，在制作Ir的掺杂量为零的热电体时，在薄膜制作时仅使Fe靶放电。将通过这样制作的实施例的热电发电元件的实施方式示于图2。
<比较例1>
除了在制作薄膜时，使用Ta靶代替Ir靶以外，通过与实施例的热电发电元件相同的方法，制作了比较例1的热电发电元件。
<比较例2>
除了在制作薄膜时，使用Bi靶代替Ir靶以外，通过与实施例的热电发电元件相同的方法，制作了比较例2的热电发电元件。
2.塞贝克系数的测定
将制作的实施例的热电发电元件、比较例1的热电发电元件和比较例2的热电发电元件分别设置在2端子探测器装置中，通过配置于图2的电极21侧的加热器，在薄膜面内方向施加热梯度▽T。将端子探头设置于电极22和电极24上，通过纳伏计测定塞贝克电动势VSE。通过使加热器输出变化并测定VSE的▽T依赖性的热梯度依赖性，测定塞贝克系数。分别将实施例的热电发电元件的塞贝克系数的结果示于表1，将比较例1的热电发电元件的塞贝克系数的结果示于表2，将比较例2的热电发电元件的塞贝克系数的结果示于表3。另外，实施例的热电发电元件中的塞贝克系数与Ir的掺杂量的关系示于图3A。
3.能斯特系数的测定
将制作的实施例的热电发电元件、比较例1的热电发电元件和比较例2的热电发电元件分别设置在2端子探测器装置中，通过配置于图2的电极21侧的加热器，在薄膜面内方向施加热梯度▽T。将端子探头设置在电极23和电极27上，通过电磁体在与薄膜的面垂直的方向施加磁场，通过纳伏计测定使Fe在与薄膜的面垂直的方向磁化时产生的反常能斯特电压VANE。通过使加热器输出变化并测定VANE的▽T依赖性的热梯度依赖性，测定反常能斯特系数(能斯特系数)。分别将实施例的热电发电元件的能斯特系数的结果示于表1，将比较例1的热电发电元件的能斯特系数的结果示于表2，将比较例2的热电发电元件的能斯特系数的结果示于表3。另外，实施例的热电发电元件中的能斯特系数与Ir的掺杂量的关系示于图3B。予以说明，在表3中，“－”意味着因塞贝克系数的值小而不能确定能斯特系数的值，或者因不能确定能斯特系数的值而不能确定反常能斯特角的值。
4.反常能斯特角的确定
通过将上述2.中测定的塞贝克系数和上述3.中测定的能斯特系数代入“反常能斯特角(％)＝100×能斯特系数/塞贝克系数”，导出反常能斯特角(％)。分别将实施例的热电发电元件的反常能斯特角的结果示于表1，将比较例1的热电发电元件的反常能斯特角的结果示于表2，将比较例2的热电发电元件的反常能斯特角的结果示于表3。另外，将实施例的热电发电元件中的反常能斯特角与Ir的掺杂量的关系示于图3C。
表1
| Ir掺杂量[原子％] | 塞贝克系数[μV/K] | 能斯特系数[μV/K] | 反常能斯特角[％] |
| 0 | 3.1 | 0.055 | 1.8 |
| 1.0 | 2.7 | 0.12 | 4.3 |
| 2.3 | 3.2 | 0.14 | 4.5 |
| 3.9 | 3.0 | 0.21 | 6.1 |
| 7.9 | 3.3 | 0.28 | 8.5 |
| 15 | 1.9 | 0.29 | 15 |
| 18 | 0.84 | 0.32 | 38 |
表2
| Ta掺杂量[原子％] | 塞贝克系数[μV/K] | 能斯特系数[μV/K] | 反常能斯特角[％] |
| 0 | 3.1 | 0.055 | 1.8 |
| 0.74 | 3.3 | 0.070 | 2.1 |
| 2.5 | 3.6 | 0.052 | 1.4 |
| 3.6 | 3.6 | 0.051 | 1.4 |
| 6.3 | 6.3 | 0.077 | 1.2 |
| 11 | 6.4 | 0.070 | 1.1 |
表3
| Bi掺杂量[原子％] | 塞贝克系数[μV/K] | 能斯特系数[μV/K] | 反常能斯特角[％] |
| 0 | 3.1 | 0.055 | 1.8 |
| 1.7 | 1.6 | － | － |
| 2.6 | 0.96 | － | － |
| 4.3 | 0.18 | － | － |
5.结果
如表1和图3A所示，Ir的掺杂量增大时，塞贝克系数减小。与此相对，如表1和图3B所示，Ir的掺杂量增大时，能斯特系数增大。其结果，如表1和图3C所示，出现了Ir的掺杂量增大时，反常能斯特角增大的倾向。根据以上结果，通过在Fe中掺杂Ir，可使反常能斯特角大幅度地增大，在包含18原子％的Ir的Fe试样中，能够得到最大38％的反常能斯特角。
如表1和图3C所示，由于在Ir的掺杂量为零(纯Fe)的情况下的反常能斯特角小于2％，因此通过掺杂Ir，能够使从塞贝克电流到反常能斯特电流的转换效率改善约1个数量级。通过掺杂Ir从而将三成以上的塞贝克电流转换成反常能斯特电流的发现，在使利用了反常能斯特效应的热电发电实用化方面，是有用的和新的发现。
与此相对，如表2所示，Ta的掺杂量增大时，塞贝克系数增大，但反常能斯特角最大为2.1％。另外，如表3所示，Bi的掺杂量增大时，塞贝克系数减小，几乎观察不到。作为其结果，能斯特系数的观测变得困难，不能计算出反常能斯特角。
Claims (2)
1.热电体，其用于利用了反常能斯特效应的热电发电元件且为磁性体，其特征在于，
包含掺杂了铱的铁。
2.权利要求1所述的热电体，其特征在于，所述铱的掺杂量为7.9原子％以上。
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