JP2014239158A - Thermoelectric transducer - Google Patents

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明宏 桐原
Akihiro Kirihara
明宏 桐原
石田 真彦
Masahiko Ishida
真彦 石田
滋 河本
Shigeru Kawamoto
滋 河本
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NEC Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a high performance thermoelectric transducer with an inexpensive material and a manufacturing method.SOLUTION: The thermoelectric transducer uses a nano-sheet composed of a transition metal chalcogenide material as an electromotive film deposited on a magnetic material layer. The transition metal chalcogenide film is a composite composed of transition metal such as W, Nb, Ta, Mo, Ti, and Hf and a chalcogen element such as S, Se, and Te, and has a layered structure having electrical conduction properties anisotropic in a two-dimensional plane direction (electric conductivity is especially high in a direction parallel to a film surface).

Description

本発明は、温度勾配から電気を生成する装置、およびその製造方法に関する。   The present invention relates to an apparatus for generating electricity from a temperature gradient and a method for manufacturing the same.

近年、「スピントロニクス(spintronics)」と呼ばれる電子技術が脚光を浴びている。従来のエレクトロニクスは、電子の1つの性質である「電荷」だけを利用してきたが、スピントロニクスは、それに加えて、電子の他の性質である「スピン」をも積極的に利用する。特に、電子のスピン角運動量の流れである「スピン流(spin−current)」は重要な概念である。スピン流のエネルギー散逸は少ないため、スピン流を利用することによって高効率な情報伝達を実現できる可能性がある。従って、スピン流の生成、検出、制御は重要なテーマである。   In recent years, an electronic technology called “spintronics” has attracted attention. Conventional electronics have used only “charge”, which is one property of electrons, while spintronics also actively uses “spin”, which is another property of electrons. In particular, “spin-current”, which is a flow of spin angular momentum of electrons, is an important concept. Since the energy dissipation of the spin current is small, there is a possibility that highly efficient information transfer can be realized by using the spin current. Therefore, generation, detection and control of spin current are important themes.

例えば、電流が流れるとスピン流が生成される現象が知られている。これは、「スピンホール効果(spin−Hall effect)」と呼ばれている。また、その逆の現象として、スピン流が流れると起電力が発生することも知られている。これは、「逆スピンホール効果(inverse spin−Hall effect)」と呼ばれている。逆スピンホール効果を利用することによって、スピン流を検出することができる。尚、スピンホール効果も逆スピンホール効果も、「スピン軌道相互作用(spin orbit coupling)」が大きな物質(例:Pt、Pd)において有意に発現する。   For example, a phenomenon is known in which a spin current is generated when a current flows. This is called the “spin-hall effect”. It is also known as an opposite phenomenon that an electromotive force is generated when a spin current flows. This is called the “inverse spin-Hall effect”. By using the inverse spin Hall effect, the spin current can be detected. Both the spin Hall effect and the inverse spin Hall effect are significantly expressed in a substance (eg, Pt, Pd) having a large “spin orbit coupling”.

また、最近の研究により、磁性体における「スピンゼーベック効果(spin−Seebeck effect)」の存在も明らかになっている。スピンゼーベック効果とは、磁性体に温度勾配が印加されると、温度勾配と平行方向にスピン流が誘起される現象である(特許文献1参照)。すなわち、スピンゼーベック効果により、熱がスピン流に変換される(熱スピン流変換)。特許文献1では、強磁性金属であるNiFe膜におけるスピンゼーベック効果が報告されている。非特許文献1、2では、イットリウム鉄ガーネット(YIG、Y3Fe5O12)といった磁性絶縁体と起電体膜との界面におけるスピンゼーベック効果が報告されている。   Recent research has also revealed the existence of the “spin-Seebeck effect” in magnetic materials. The spin Seebeck effect is a phenomenon in which, when a temperature gradient is applied to a magnetic material, a spin current is induced in a direction parallel to the temperature gradient (see Patent Document 1). That is, heat is converted into a spin current by the spin Seebeck effect (thermal spin current conversion). In patent document 1, the spin Seebeck effect in the NiFe film | membrane which is a ferromagnetic metal is reported. Non-Patent Documents 1 and 2 report the spin Seebeck effect at the interface between a magnetic insulator such as yttrium iron garnet (YIG, Y3Fe5O12) and an electromotive film.

この温度勾配によって誘起されたスピン流は、上述の逆スピンホール効果を利用して電気的信号(電流、電圧)に変換することが可能である。つまり、スピンゼーベック効果と逆スピンホール効果を併せて利用することによって、温度勾配を電気に変換する「熱電変換」が可能となる。   The spin current induced by this temperature gradient can be converted into an electrical signal (current, voltage) using the above-described inverse spin Hall effect. That is, by using the spin Seebeck effect and the inverse spin Hall effect in combination, “thermoelectric conversion” that converts a temperature gradient into electricity becomes possible.

一方、特許文献2や非特許文献1には温度勾配を磁性体層面に垂直(面直方向)に印加するいわゆる「縦型」のスピン流熱電変換素子が開示されている。この場合、スピンゼーベック効果によって起電体膜へ流出/流入するスピン流も同じ面直方向となり、逆スピンホール効果による起電力は、磁性体の磁化方向と温度勾配の向きとにそれぞれ直交する面内方向に発生する。   On the other hand, Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 disclose so-called “vertical” spin-flow thermoelectric conversion elements that apply a temperature gradient perpendicular to the surface of a magnetic layer (in the direction perpendicular to the surface). In this case, the spin current flowing out / inflowing into the electromotive film due to the spin Seebeck effect is also in the same plane normal direction, and the electromotive force due to the reverse spin Hall effect is a plane orthogonal to the magnetization direction of the magnetic material and the direction of the temperature gradient, respectively. Occurs inward.

このような縦型のスピンゼーベック素子の場合、金属膜と磁性体層からなるシンプルな2層構造で素子を構成できることから、原理的には大面積化や低製造コスト化が可能となる。実際、非特許文献1では、磁性体層を生産性の高い塗布プロセスで形成している。   In the case of such a vertical spin Seebeck element, since the element can be configured with a simple two-layer structure composed of a metal film and a magnetic layer, in principle, a large area and a low manufacturing cost can be achieved. In fact, in Non-Patent Document 1, the magnetic layer is formed by a highly productive coating process.

これらスピン流熱電変換素子において、得られる起電力の大きさは、「磁性体層で発生するスピン流の大きさ」、「磁性体層と起電体膜との界面におけるスピン流の注入効率」、さらに「起電体膜における逆スピンホール効果によって起電力に変換される効率」という3つの要素によって決定される。   In these spin current thermoelectric conversion elements, the magnitude of the electromotive force obtained is “the magnitude of the spin current generated in the magnetic layer” and “the injection efficiency of the spin current at the interface between the magnetic layer and the electromotive film”. Further, it is determined by three factors: “efficiency converted into electromotive force by the reverse spin Hall effect in the electromotive film”.

その中でも、「起電体膜における逆スピンホール効果によってスピン流を起電力に変換する効率の向上」に関しては、他のスピントロニクス素子においても重要な課題であるため、これまで様々な手法で検討が行われている。   Among them, “improving the efficiency of converting spin current into electromotive force by the inverse spin Hall effect in the electromotive film” is an important issue in other spintronic devices, and so far, various methods have been studied. Has been done.

この効率を定義するパラメータとして、スピン流−電流間の相互変換効率に相当するスピンホール角と呼ばれる指標が知られている。これまでのスピン流熱電変換素子の報告では、単体金属の中でスピンホール角の大きいPtが用いられることが多かった。   As a parameter defining this efficiency, an index called a spin Hall angle corresponding to the mutual conversion efficiency between spin current and current is known. Previous reports of spin-flow thermoelectric conversion elements often used Pt having a large spin Hall angle among single metals.

その他のAuやAg、Cuなどの金属は、単体ではPtのスピンホール角に及ばないが、例えば、Auに微量のFeを不純物として導入したり、CuにBiなどの不純物を導入したりするなどして、大きなスピンホール角が得られる可能性が報告されている。   Other metals such as Au, Ag, and Cu do not reach the spin hole angle of Pt alone, but, for example, a small amount of Fe is introduced into Au as an impurity, or an impurity such as Bi is introduced into Cu. Thus, the possibility of obtaining a large spin Hall angle has been reported.

また、このようなスピンホール効果を発現する起電体膜に必ずしも「金属」である必要はない。電気伝導性を有し、かつスピン軌道相互作用の大きな重い元素を含む材料であれば、例えば半導体材料であっても起電膜として用いることができる。   Further, the electromotive film that exhibits such a spin Hall effect is not necessarily “metal”. For example, even a semiconductor material can be used as an electromotive film as long as it is a material containing a heavy element having electrical conductivity and a large spin-orbit interaction.

なお、スピン流熱電変換素子において大きな効率を得るには、このような適切な起電膜材料の選択に加えて、起電膜の膜厚も最適化する必要がある。膜厚を厚くすることで起電膜の内部抵抗は減少するが、逆に厚すぎると、磁性体との界面から離れた部分ではスピン流が到達前に緩和し、熱電発電に寄与しないため、全体としての電力取り出し効率は低下する。従って、電力取り出し効率を最大化するためには、膜厚は起電膜材料のスピン緩和長程度にすることが望ましい。また、大きな出力電圧を得るには、膜厚をスピン緩和長以下にすることが望ましい。   In order to obtain high efficiency in the spin-flow thermoelectric conversion element, it is necessary to optimize the film thickness of the electromotive film in addition to the selection of an appropriate electromotive film material. By increasing the film thickness, the internal resistance of the electromotive film decreases, but conversely, if it is too thick, the spin current relaxes before reaching the interface with the magnetic material and does not contribute to thermoelectric power generation. The power extraction efficiency as a whole decreases. Therefore, in order to maximize the power extraction efficiency, it is desirable that the film thickness be about the spin relaxation length of the electromotive film material. In order to obtain a large output voltage, it is desirable that the film thickness be less than the spin relaxation length.

Ptのスピン緩和長は10−15nm程度で、その他の貴金属材料なども数十nm程度である。このため、通常スピン流熱電変換素子用の起電膜としては、非常に薄い金属薄膜が一般的に用いられる。   The spin relaxation length of Pt is about 10-15 nm, and other noble metal materials are about several tens of nm. For this reason, a very thin metal thin film is generally used as an electromotive film for a normal spin current thermoelectric conversion element.

特開2009−130070号公報JP 2009-130070 A 特開2011−249746号公報JP 2011-249746 A

Akihiro Kirihara,Ken−ichi Uchida,Yosuke Kajiwara,Masahiko Ishida,Yasunobu Nakamura,Takashi Manako,Eiji Saitoh&Shinichi Yorozu,“Spin−current−driven thermoelectric coating”,Nature Materials 11(2012),686−689Akihiro Kirihara, Ken-ichi Uchida, Yosuke Kajiwara, Masahiko Ishida, Yasunobu Nakamura, Takashi Manako, Eiji Saitoh & Shinichi Yorozu, "Spin-current-driven thermoelectric coating", Nature Materials 11 (2012), 686-689 Q.H.Wang,K.Kalantar−Zadeh,A.Kis,J.N.Coleman and M.S.Strano,“Electronics and optoelectronics of two−dimensional transition metal dichalcogenides”,Nature Nanotechnology 7,699−712Q. H. Wang, K .; Kalantar-Zadeh, A .; Kis, J .; N. Coleman and M.M. S. Strano, “Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichogenides”, Nature Nanotechnology 7, 699-712.

しかし、本願の発明者等は、従来の起電膜、すなわちスピン流−電流変換膜に効率及びコストの点で、以下のような課題が残っていることに注目して開発を行ってきた。   However, the inventors of the present application have developed the conventional electromotive film, that is, paying attention to the following problems in terms of efficiency and cost in the spin current-current conversion film.

効率については、起電膜の面内電気伝導性が不十分なために、面直方向のスピン流から面内方向の電流への変換効率が低下する、という課題がある。前述のように、起電膜におけるスピン流−電流間の変換効率を最適化するには、膜厚を数十nm以下まで薄くする必要がある。しかし、余りに膜厚が薄い場合、電気伝導率が低下する可能性がある。図9は、基体104上に形成された磁性体層102上に、金属薄膜からなる起電膜103を形成した熱電変換素子を示す。例えば10nm程度の金属薄膜を用いた素子の場合、図9に示すように、表面酸化層106や、金属薄膜を形成するグレイン間の粒界105における散乱の影響で、面内の電気伝導率がバルクと比べて大きく低下してしまう。このために、温度勾配を印加してスピンゼーベック効果を発現させても、これを電流として十分取り出せないという課題があった。   Regarding the efficiency, there is a problem that the conversion efficiency from the spin current in the perpendicular direction to the current in the in-plane direction is lowered because the electroconductive property of the electromotive film is insufficient. As described above, in order to optimize the conversion efficiency between the spin current and the current in the electromotive film, it is necessary to reduce the film thickness to several tens of nm or less. However, if the film thickness is too thin, the electrical conductivity may decrease. FIG. 9 shows a thermoelectric conversion element in which an electromotive film 103 made of a metal thin film is formed on a magnetic layer 102 formed on a substrate 104. For example, in the case of an element using a metal thin film of about 10 nm, as shown in FIG. 9, the in-plane electric conductivity is affected by scattering at the grain boundary 105 between the surface oxide layer 106 and the grains forming the metal thin film. Compared to the bulk, it is greatly reduced. For this reason, there is a problem that even if a temperature gradient is applied to develop the spin Seebeck effect, this cannot be sufficiently extracted as a current.

さらに、コストの課題もある。従来用いられている起電膜材料はPtやPdなど高価な貴金属であるため、広範な応用に適用するにはより安価なスピン流−電流変換材料でこれらを代替する必要がある。加えて、これまでに報告されている起電膜材料は、ほぼ全てが高真空中での成膜法を用いて作製されていた。磁性体層については塗布法などの低コスト成膜が適用できることから、起電膜についても作製プロセスの大幅な生産性向上が期待される。   There is also a cost issue. Conventionally used electromotive film materials are expensive noble metals such as Pt and Pd. Therefore, in order to apply to a wide range of applications, it is necessary to replace them with cheaper spin current-current conversion materials. In addition, almost all of the electromotive film materials reported so far have been produced by using a film forming method in a high vacuum. Since low-cost film formation such as a coating method can be applied to the magnetic layer, it is expected that the production process of the electromotive film is greatly improved.

また、例えば膜厚がナノオーダーの金属薄膜を、低真空中などの低コストプロセスで作製した場合、条件によってはグレインが荒くなるなど、面内導電性の劣化がより顕著になる。従って、上記の効率およびコストの課題については、これらを同時に解決することは非常に困難だった。   For example, when a metal thin film having a nano-order film thickness is manufactured by a low-cost process such as in a low vacuum, the in-plane conductivity deterioration becomes more remarkable depending on conditions, such as rough grain. Therefore, it has been very difficult to solve the above efficiency and cost problems at the same time.

本発明の目的は、上記課題を解決し、高価な貴金属の使用を抑制しつつ高性能な熱電変換素子を実現することにある。   An object of the present invention is to solve the above problems and to realize a high-performance thermoelectric conversion element while suppressing the use of expensive noble metals.

本発明の一側面において、熱電変換素子は、磁性体層と、磁性体層上に形成され、逆スピンホール効果によって面内方向の起電力を発生するように構成され、遷移金属カルコゲナイド系材料によって形成された起電膜と、起電力によるポテンシャルが異なる2箇所で起電膜にそれぞれ接触するように形成された2個の端子部とを備える。   In one aspect of the present invention, a thermoelectric conversion element is formed on a magnetic layer and the magnetic layer, and is configured to generate an electromotive force in an in-plane direction by a reverse spin Hall effect, and includes a transition metal chalcogenide-based material. The electromotive film is formed, and two terminal portions are formed so as to be in contact with the electromotive film at two places where potentials due to the electromotive force are different.

遷移金属カルコゲナイドによって面内方向には優れた電気伝導性を持つ起電膜が形成されるため、高価な貴金属の使用を抑制しつつ、高性能な熱電変換素子を実現することが可能となる。   Since the transition metal chalcogenide forms an electromotive film having excellent electrical conductivity in the in-plane direction, a high-performance thermoelectric conversion element can be realized while suppressing the use of expensive noble metals.

第1の実施形態である熱電変換素子の斜視図。The perspective view of the thermoelectric conversion element which is 1st Embodiment. 第1の実施形態である熱電変換素子の部分拡大図。The elements on larger scale of the thermoelectric conversion element which is 1st Embodiment. 第1の実施形態である熱電変換素子におけるスピン流―電流変換について説明した図。The figure explaining the spin current-current conversion in the thermoelectric conversion element which is 1st Embodiment. スピンホール角ついて説明した図。The figure explaining the spin hole angle. 第2の実施形態である熱電変換素子の斜視図。The perspective view of the thermoelectric conversion element which is 2nd Embodiment. 第2の実施形態である熱電変換素子の平面図。The top view of the thermoelectric conversion element which is 2nd Embodiment. 第2の実施形態の別の構成例を示す図。The figure which shows another structural example of 2nd Embodiment. 第2の実施形態の別の構成例の部分拡大図Partial enlarged view of another configuration example of the second embodiment 第3の実施形態である熱電変換素子の斜視図。The perspective view of the thermoelectric conversion element which is 3rd Embodiment. 第3の実施形態である熱電変換素子におけるスピン流―電流変換について説明した図。The figure explaining the spin current-current conversion in the thermoelectric conversion element which is 3rd Embodiment. 第4の実施形態である熱電変換素子の斜視図。The perspective view of the thermoelectric conversion element which is 4th Embodiment. 従来のスピン流熱電変換素子の課題を示す図。The figure which shows the subject of the conventional spin-flow thermoelectric conversion element.

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
[第1の実施形態]
(素子構造と動作原理)
図1Aは、本実施形態に係る熱電変換素子1の構成を概略的に示す斜視図である。図1Bは、図1Aにおける領域P1を拡大した側面図である。熱電変換素子1は、磁性体層2、起電膜3、及びそれらを支える基体4を備えている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[First Embodiment]
(Element structure and operating principle)
FIG. 1A is a perspective view schematically showing a configuration of a thermoelectric conversion element 1 according to the present embodiment. FIG. 1B is an enlarged side view of a region P1 in FIG. 1A. The thermoelectric conversion element 1 includes a magnetic layer 2, an electromotive film 3, and a base 4 that supports them.

磁性体層2は、スピンゼーベック効果を発現する磁性体材料である。磁性体層2は、面直方向(厚さ方向、図のz軸)に温度差ΔTが生じると、スピンゼーベック効果によって温度勾配∇T(grad(T))からスピン流Jsを生成(駆動)する。スピン流Jsの方向は、温度勾配∇Tの方向と平行あるいは反平行である。図1A、図1Bで示される例では、+z方向の温度勾配∇Tが印加され、+z方向あるいは−z方向に沿ったスピン流Jsが生成される。   The magnetic layer 2 is a magnetic material that exhibits a spin Seebeck effect. When the temperature difference ΔT is generated in the perpendicular direction (thickness direction, z-axis in the figure), the magnetic layer 2 generates (drives) a spin current Js from the temperature gradient ∇T (grad (T)) by the spin Seebeck effect. To do. The direction of the spin current Js is parallel or antiparallel to the direction of the temperature gradient ∇T. In the example shown in FIGS. 1A and 1B, a temperature gradient ∇T in the + z direction is applied, and a spin current Js along the + z direction or the −z direction is generated.

磁性体層2の材料は、強磁性金属であってもよいし、磁性絶縁体であってもよい。強磁性金属としては、NiFe、CoFe、CoFeBなどが挙げられる。磁性絶縁体としては、イットリウム鉄ガーネット(YIG,YFe12)、ビスマス(Bi)を添加したYIG(Bi:YIG,BiYFe12)、ランタン(La)を添加したYIG(La:YIG,LaYFe12)、イットリウムガリウム鉄ガーネット(Ga:YIG,YFe5−xGa12)などが挙げられる。尚、熱電変換効率の観点からは磁性体層2は熱伝導率が小さいことが望ましいため、電流の流れない(電子が熱を運ばない)磁性絶縁体を用いることが望ましい。 The material of the magnetic layer 2 may be a ferromagnetic metal or a magnetic insulator. Examples of the ferromagnetic metal include NiFe, CoFe, and CoFeB. Examples of magnetic insulators include yttrium iron garnet (YIG, Y 3 Fe 5 O 12 ), YIG added with bismuth (Bi) (Bi: YIG, BiY 2 Fe 5 O 12 ), and YIG added with lanthanum (La) ( la: YIG, LaY 2 Fe 5 O 12), yttrium gallium iron garnet (Ga: YIG, Y 3 Fe 5-x Ga x O 12) , and the like. From the viewpoint of thermoelectric conversion efficiency, it is desirable that the magnetic layer 2 has a low thermal conductivity. Therefore, it is desirable to use a magnetic insulator in which no current flows (electrons do not carry heat).

起電膜3は、磁性体層2のスピンゼーベック効果によって流入するスピン流を、逆スピンホール効果によって起電力に変換する役割を果たす。つまり、起電膜3は、逆スピンホール効果によって上記スピン流Jsから起電力を発生する。ここで、発生する起電力(電場E)の方向は、磁性体層2の磁化Mの方向と温度勾配∇Tの方向との外積で与えられる(E∝M×∇T)。本実施の形態では、効率的な電力生成のため、起電力の方向が起電膜3の面内方向となるように素子が構成されている。例えば、図1A、図1Bに示されるように、磁性体層2の磁化Mの方向は+y方向であり、温度勾配∇Tの方向は−z方向であり、起電力の方向は+x方向である。   The electromotive film 3 plays a role of converting the spin current that flows in by the spin Seebeck effect of the magnetic layer 2 into an electromotive force by the inverse spin Hall effect. That is, the electromotive film 3 generates an electromotive force from the spin current Js by the inverse spin Hall effect. Here, the direction of the generated electromotive force (electric field E) is given by the outer product of the direction of the magnetization M of the magnetic layer 2 and the direction of the temperature gradient ∇T (E∝M × ∇T). In the present embodiment, the element is configured such that the direction of the electromotive force is the in-plane direction of the electromotive film 3 for efficient power generation. For example, as shown in FIGS. 1A and 1B, the direction of the magnetization M of the magnetic layer 2 is the + y direction, the direction of the temperature gradient ∇T is the −z direction, and the direction of the electromotive force is the + x direction. .

本実施形態では、起電膜3として遷移金属カルコゲナイド材料を用いる。遷移金属カルコゲナイド材料は、W,Nb,Ta,Mo,Ti,Hfなどの遷移金属元素と、S,Se,Teなどのカルコゲン元素とからなる化合物である。遷移金属元素をM、カルコゲン元素をXとすると、通常MXという組成を有する。この材料を用いて形成された起電膜3は、膜面内の2次元方向、すなわち図1Aのx軸方向とy軸方向に強い原子間結合を有する。そのため、起電膜3は、図1Bに示すように、面直方向(z軸方向)に重なる複数の薄い層を備えた層状構造を有すると考えることができる。このような遷移金属カルコゲナイド材料の性質について、例えば非特許文献2に記載されている。尚、本実施形態において、MXの組成を有する遷移金属ダイカルコゲナイド以外の組成の遷移金属カルコゲナイド材料も採用することができる。 In this embodiment, a transition metal chalcogenide material is used as the electromotive film 3. The transition metal chalcogenide material is a compound composed of a transition metal element such as W, Nb, Ta, Mo, Ti, and Hf and a chalcogen element such as S, Se, and Te. The transition metal element M, when the chalcogen element and X, have a composition of normal MX 2. The electromotive film 3 formed using this material has strong interatomic bonds in the two-dimensional direction within the film surface, that is, in the x-axis direction and the y-axis direction in FIG. 1A. Therefore, as shown in FIG. 1B, the electromotive film 3 can be considered to have a layered structure including a plurality of thin layers overlapping in the perpendicular direction (z-axis direction). Such properties of transition metal chalcogenide materials are described in Non-Patent Document 2, for example. In the present embodiment, a transition metal chalcogenide material having a composition other than the transition metal dichalcogenide having the composition of MX 2 can also be employed.

このような起電膜は、例えば、共有結合などの強い結合により形成されている単位層が、弱い結合力であるファンデルワールス力によって積層された層状構造を有している。このため、強い電子結合を有する単位層の2次元面内方向に異方的な電気伝導性(膜面に平行な方向に特に良好な電気伝導率)を示す。   Such an electromotive film has, for example, a layered structure in which unit layers formed by strong bonds such as covalent bonds are stacked by van der Waals force, which is a weak bond force. For this reason, the unit layer having a strong electronic bond exhibits anisotropic electric conductivity in the two-dimensional in-plane direction (particularly good electric conductivity in the direction parallel to the film surface).

起電膜3としては、スピン流−電流間の相互変換効率を高めるために、大きなスピン軌道相互作用を発現させることができる重い元素を含むことが望ましい。具体的には、遷移金属カルコゲナイド材料MXが元素番号72以上の遷移金属M(Hf,Ta,W)など)を含むことが望ましく、例えばWS、WSe、WTe、TaS、TaSe、TaTe等が望ましい。 The electromotive film 3 preferably contains a heavy element capable of expressing a large spin-orbit interaction in order to increase the mutual conversion efficiency between the spin current and the current. Specifically, it is desirable that the transition metal chalcogenide material MX 2 includes a transition metal M (Hf, Ta, W, etc.) having an element number of 72 or more, for example, WS 2 , WSe 2 , WTe 2 , TaS 2 , TaSe 2. TaTe 2 or the like is desirable.

遷移金属カルコゲナイドからなる起電膜3は層状構造を有しており、数nm〜数十nm程度の薄膜であっても、面内方向には優れた電気伝導性を有するナノシートとなる。従って、ナノオーダーの薄膜導電体を必要とするスピン流熱電変換素子用の起電膜として特に適している。本実施形態では、大きな起電力を得るために、起電膜は膜厚30nm以下、層数としては30層以下のものを用いる。より望ましくは膜厚15nm以下、層数15層以下のものを用いることが好ましい。このような材料・構造を用いることで、効率的なスピン流−電流変換と高い面内電気伝導性を両立する良好なナノ起電薄膜が実現できる。   The electromotive film 3 made of a transition metal chalcogenide has a layered structure, and even if it is a thin film of several nanometers to several tens of nanometers, it becomes a nanosheet having excellent electrical conductivity in the in-plane direction. Therefore, it is particularly suitable as an electromotive film for a spin current thermoelectric conversion element that requires a nano-order thin film conductor. In the present embodiment, in order to obtain a large electromotive force, an electromotive film having a film thickness of 30 nm or less and a layer number of 30 layers or less is used. More preferably, a film having a thickness of 15 nm or less and a number of layers of 15 or less is preferably used. By using such a material / structure, a good nano-electromotive thin film that achieves both efficient spin current-current conversion and high in-plane electrical conductivity can be realized.

基体4は熱電変換素子を安定に支えるためのものであり、様々な材料からなる基板やフィルムなどを用いることができる。基体4自体が、熱電変換素子に温度勾配を印加するための熱源であってもよい。また、基体4はなくてもよい。   The substrate 4 is for stably supporting the thermoelectric conversion element, and substrates and films made of various materials can be used. The substrate 4 itself may be a heat source for applying a temperature gradient to the thermoelectric conversion element. Further, the substrate 4 may be omitted.

端子5aと端子5bは、起電力によるポテンシャルが異なる2箇所で金属膜8にそれぞれ接触するように形成されており、起電膜3で生成された起電力を外部に取り出す役割を担う。E∝M×∇Tであるため、少なくとも磁化Mの方向と膜面内で直交する方向にずれた位置に2個の端子5a、端子5bが設けられれば、起電力を取り出すことができる。温度勾配∇Tは、基体4を熱源に貼り付ける等の典型的な使用法においては概ね面直方向(z軸方向)を向くと考えられる。その場合は、端子5aと端子5bが、起電膜3の面内で磁化Mの方向(y軸方向)に直交する方向(x軸方向)に互いに離れた位置に接続されることが望ましい。   The terminals 5a and 5b are formed so as to be in contact with the metal film 8 at two places where the potentials due to the electromotive force are different, and play a role of taking out the electromotive force generated by the electromotive film 3 to the outside. Since E∝M × ∇T, the electromotive force can be taken out if the two terminals 5a and 5b are provided at positions shifted at least in the direction perpendicular to the direction of the magnetization M in the film plane. The temperature gradient ∇T is considered to be generally oriented in the direction perpendicular to the surface (z-axis direction) in a typical usage method such as attaching the substrate 4 to a heat source. In that case, it is desirable that the terminal 5a and the terminal 5b are connected to positions separated from each other in the direction (x-axis direction) orthogonal to the direction of the magnetization M (y-axis direction) in the plane of the electromotive film 3.

図1Aでは、端子5aと端子5bはそれぞれ起電膜3の両端部に電気的に接続されている。従って、これらの端子から図1Aのように負荷10を接続することで、負荷10への電力供給が可能となる。最大の電力を供給するというインピーダンスマッチングの観点から、端子5aと端子5bの間の起電膜3の内部抵抗は、電力供給先である負荷10の外部抵抗と同程度であることが望ましい。   In FIG. 1A, the terminals 5a and 5b are electrically connected to both ends of the electromotive film 3, respectively. Therefore, it is possible to supply power to the load 10 by connecting the load 10 from these terminals as shown in FIG. 1A. From the viewpoint of impedance matching for supplying the maximum power, it is desirable that the internal resistance of the electromotive film 3 between the terminals 5a and 5b is approximately the same as the external resistance of the load 10 as a power supply destination.

なお、起電膜3の上部にはカバー層6を設けている。ここではカバー層6の材料は特に問わない。例えばポリイミドやポリエステルなどの有機樹脂材料を用いることができる。なお、熱電変換機能を具備するにあたって、カバー層6は必須ではない。   A cover layer 6 is provided on the electromotive film 3. Here, the material of the cover layer 6 is not particularly limited. For example, an organic resin material such as polyimide or polyester can be used. In addition, in providing the thermoelectric conversion function, the cover layer 6 is not essential.

(本実施形態の効果)
上記のような遷移金属カルコゲナイドからなる起電膜3を用いる利点として、Pt等の高価な貴金属の利用を回避できる点に加えて、高効率なスピン流−電流変換効果によって熱電変換性能が向上する、という効果が挙げられる。
(Effect of this embodiment)
As an advantage of using the electromotive film 3 made of the transition metal chalcogenide as described above, in addition to avoiding the use of an expensive noble metal such as Pt, the thermoelectric conversion performance is improved by a highly efficient spin current-current conversion effect. The effect of is mentioned.

熱電変換素子1の起電膜3の一部に遷移金属カルコゲナイドを用い、残りの部分にPtなどの従来検討されて来た貴金属等の材料を用いることによっても、貴金属等の使用量を減らし、コストを低減する効果が得られる。   By using a transition metal chalcogenide for a part of the electromotive film 3 of the thermoelectric conversion element 1 and using a material such as Pt or the like that has been conventionally studied for the remaining part, the amount of the noble metal used is reduced, The effect of reducing the cost can be obtained.

図2A、図2Bに、スピン流−電流変換効果の概念図を示した。起電膜3にスピン流32が注入されると、起電膜3中のスピン軌道相互作用によって、スピン流32を担う電子が、磁化(電子スピン)31方向とスピン流32方向にそれぞれ垂直な面内方向へと曲げられ、電流33に変換される。これは逆スピンホール効果と呼ばれ、この時に変換される(電子が曲げられる)効率の指標がスピンホール角θとなる。本実施形態のように面内方向の電気伝導性が特に高い層状効果を用いた場合、電子が面内方向に曲げられやすくなることから、実効的に大きなスピンホール角が得られ、高効率なスピン流―電流変換が可能となる。   2A and 2B are conceptual diagrams of the spin current-current conversion effect. When the spin current 32 is injected into the electromotive film 3, the electrons responsible for the spin current 32 are perpendicular to the magnetization (electron spin) 31 direction and the spin current 32 direction due to the spin-orbit interaction in the electromotive film 3. It is bent in the in-plane direction and converted into a current 33. This is called an inverse spin Hall effect, and an index of efficiency converted (electrons are bent) at this time is a spin Hall angle θ. When a layered effect having a particularly high in-plane electrical conductivity is used as in this embodiment, electrons are easily bent in the in-plane direction, so that a large spin hole angle can be effectively obtained and high efficiency can be obtained. Spin current-current conversion becomes possible.

(熱電変換素子の製造方法)
次に、本実施の形態に係る熱電変換素子1の製造方法を説明する。
まず、磁性体層2の形成方法としては、スパッタ法、有機金属分解法(MOD法)、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法(AD法)、フェライトめっき法、液相エピタキシー法などのいずれかの方法を用いて成膜する方法が挙げられる。この場合、磁性体層2は何らかの基体上に成膜される。
(Method for manufacturing thermoelectric conversion element)
Next, the manufacturing method of the thermoelectric conversion element 1 which concerns on this Embodiment is demonstrated.
First, as a method for forming the magnetic layer 2, any one of a sputtering method, an organometallic decomposition method (MOD method), a sol-gel method, an aerosol deposition method (AD method), a ferrite plating method, a liquid phase epitaxy method, etc. The method of forming into a film using is mentioned. In this case, the magnetic layer 2 is formed on a certain substrate.

起電膜3である層状構造を有する遷移金属カルコゲナイド膜の形成方法としては、(1)バルク体あるいは粉末から層状構造膜を劈開したものを基体上に塗布するなどして成膜する方法と、(2)化学気相成長法によって基体上に層状構造膜を直接ボトムアップ成長する方法、の2つに大別される。   As a method of forming a transition metal chalcogenide film having a layered structure as the electromotive film 3, (1) a method of forming a film by cleaving a layered structure film from a bulk body or powder on a substrate, (2) The method is roughly classified into two, that is, a method in which a layered structure film is directly bottom-up grown on a substrate by chemical vapor deposition.

(1)の方法としては、液相剥離法を用いることが望ましい。この方法では、数μm径の遷移金属カルコゲナイドの原料粉末を、イソプロピルアルコール(IPA)やN−メチルピロリドン(NMP)、N−ビニルピロリドン(NVP)などの有機溶媒中に超音波分散させた後、遠心分離にかけるなどして層状のフレーク体へと剥離させる。このような剥離体を含む原料混濁液を、磁性体層2上にスピンコート塗布することで、成膜を行う。   As the method (1), it is desirable to use a liquid phase peeling method. In this method, a raw material powder of transition metal chalcogenide having a diameter of several μm is ultrasonically dispersed in an organic solvent such as isopropyl alcohol (IPA), N-methylpyrrolidone (NMP), N-vinylpyrrolidone (NVP), It exfoliates into a layered flake body by, for example, centrifuging. A raw material turbid liquid containing such a release body is spin-coated on the magnetic layer 2 to form a film.

また、Liなどの異種材料を層状構造の隙間に挿入することによって層の剥離を行うインターカレーション法も利用できる。この方法では、第一段階として遷移金属カルコゲナイドの原料粉末を、例えばn−ブチルリチウムのようなグリニャール試薬と反応させることで、層間に金属Liが挿入された化合物を生成する。次に、この層間化合物を純水に投入することで、Liと水が反応する際のエネルギーを利用して、層状のフレークへと分解させる。このような剥離体を含む原料混濁液を、例えば磁性体層2上にスピンコート塗布することで成膜を行う。   Further, an intercalation method in which layers are separated by inserting different materials such as Li into gaps in the layered structure can also be used. In this method, as a first step, a raw material powder of transition metal chalcogenide is reacted with a Grignard reagent such as n-butyllithium to generate a compound in which metal Li is inserted between layers. Next, by putting this intercalation compound into pure water, it is decomposed into layered flakes using the energy when Li and water react. Film formation is performed by spin-coating a raw material turbid liquid containing such a peeled body on, for example, the magnetic layer 2.

起電膜3の形成後、起電力によるポテンシャルが異なる二箇所で起電膜3にそれぞれ接触するように、二個の端子部(端子5a、5b)を形成する。   After the formation of the electromotive film 3, two terminal portions (terminals 5a and 5b) are formed so as to come into contact with the electromotive film 3 at two places where potentials due to electromotive forces are different.

[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態である金属パッド付きの熱電変換素子について、図3に示す斜視図および図4の平面図を参照して説明する。
[Second Embodiment]
Next, the thermoelectric conversion element with a metal pad which is the 2nd Embodiment of this invention is demonstrated with reference to the perspective view shown in FIG. 3, and the top view of FIG.

第1の実施形態の熱電変換素子1における起電膜3は、2次元面内方向には高い電気伝導性を示すが、端子5a,5bから面直方向に起電力を外部に取り出そうとした場合、端子−起電膜間の高い接触抵抗のために取り出せる電力量にロスが生じる。これを防ぐために、本実施形態の熱電変換素子1aでは、起電膜3の起電力発生方向の端部ニか所(起電膜3と端子5a,5bとの間)に、金属パッド7a,7bを新たに追加した。この実施形態においては、起電膜3で発生した電流は、金属パッド7a、7bを介して端子5a、5bに取り出される。   The electromotive film 3 in the thermoelectric conversion element 1 of the first embodiment shows high electrical conductivity in the two-dimensional in-plane direction, but the electromotive force is taken out from the terminals 5a and 5b in the direction perpendicular to the surface. A loss occurs in the amount of electric power that can be extracted due to the high contact resistance between the terminal and the electromotive film. In order to prevent this, in the thermoelectric conversion element 1a of the present embodiment, the metal pad 7a, the end of the electromotive film 3 in the direction of electromotive force generation (between the electromotive film 3 and the terminals 5a and 5b) 7b was newly added. In this embodiment, the current generated in the electromotive film 3 is taken out to the terminals 5a and 5b through the metal pads 7a and 7b.

ここで、金属パッド7a,7bとしては、抵抗による取り出しロスを最小限にするために、電気伝導率の高い金属材料を用いるものとする。例えばAu,Cu,Al,Agなどを用いる。膜厚は起電膜3より厚いことが望ましく、50nm以上が望ましい。   Here, as the metal pads 7a and 7b, a metal material having a high electrical conductivity is used in order to minimize a take-out loss due to resistance. For example, Au, Cu, Al, Ag or the like is used. The film thickness is desirably thicker than the electromotive film 3, and is preferably 50 nm or more.

また、金属パッド7a,7bの形状としては、やはり起電力の取り出しロスを最小にする目的から、熱電変換素子1aを上部から見た図4のように、起電力発生方向と垂直な方向に長く伸びた形状を有することが望ましい。特に、温度勾配∇Tが面直方向を向くと考えると、起電力は面内で磁化M(y軸方向)に直交する方向(x軸方向)を向くため、金属パッド7a、7bは磁化Mに平行な方向に長く延びた形状を有することが望ましい。   Further, the shape of the metal pads 7a and 7b is long in the direction perpendicular to the electromotive force generation direction as shown in FIG. 4 when the thermoelectric conversion element 1a is viewed from above for the purpose of minimizing the electromotive force extraction loss. It is desirable to have an elongated shape. In particular, assuming that the temperature gradient ∇T faces the direction perpendicular to the plane, the electromotive force faces the direction (x-axis direction) perpendicular to the magnetization M (y-axis direction) in the plane, so that the metal pads 7a and 7b have the magnetization M It is desirable to have a shape extending long in a direction parallel to the.

また、図5Aの斜視図と、その領域P2を拡大した図5Bの側面図に示すように、金属パッド7a,7bを起電膜3の端部に掛かるように成膜するなどして、起電膜3の側面と電気的コンタクトを取ってもよい。このような構成は、例えば以下のように形成することができる。磁性体層2上に起電膜3を形成する際に、電流Jeの流れる方向(x軸方向)の両端部において、磁性体層2よりも少し小さい寸法となるように起電膜3を形成する。その結果、x軸方向の両端のy軸方向に細長い領域において、磁性体層2の上面と、起電膜3のx軸方向を法線とする側面とによって形成されるL字型の面が露出する。その後、そのL字型の面と、起電膜3の上面とに接するように、金属パッド7a、7bが形成される。このような構成においては、金属パッド7a、7bの起電膜3に対する密着性が向上し、且つ電流Jeを高効率に集電することができる。   Further, as shown in the perspective view of FIG. 5A and the side view of FIG. 5B in which the region P2 is enlarged, the metal pads 7a and 7b are formed so as to hang over the end portions of the electromotive film 3, and the like. Electrical contact may be made with the side surface of the electromembrane 3. Such a configuration can be formed as follows, for example. When the electromotive film 3 is formed on the magnetic layer 2, the electromotive film 3 is formed to have a slightly smaller dimension than the magnetic layer 2 at both ends in the direction in which the current Je flows (x-axis direction). To do. As a result, an L-shaped surface formed by the upper surface of the magnetic layer 2 and the side surface normal to the x-axis direction of the electromotive film 3 is formed in a region elongated in the y-axis direction at both ends in the x-axis direction. Exposed. Thereafter, metal pads 7 a and 7 b are formed so as to contact the L-shaped surface and the upper surface of the electromotive film 3. In such a configuration, the adhesion of the metal pads 7a and 7b to the electromotive film 3 is improved, and the current Je can be collected with high efficiency.

(具体的な実施例)
次に、第2の実施形態に基づく具体的な実施例について示す。
ここでは、サイズ1インチ、厚さ0.7mmの結晶性ガドリニウムガリウムガーネット(GGG)ウェハーを基体4として、その上にスピン流熱電変換素子を作製している。磁性体層2には、ビスマス置換イットリウム鉄ガーネット(Bi:YIG、組成はBiY2Fe5O12)を、起電膜3には遷移金属カルコゲナイド材料の一つである硫化タングステン(WS2)をそれぞれ用いている。
(Specific examples)
Next, specific examples based on the second embodiment will be described.
Here, a crystalline gadolinium gallium garnet (GGG) wafer having a size of 1 inch and a thickness of 0.7 mm is used as a base 4, and a spin current thermoelectric conversion element is manufactured thereon. Bismuth-substituted yttrium iron garnet (Bi: YIG, composition is BiY 2 Fe 5 O 12) is used for the magnetic layer 2, and tungsten sulfide (WS 2), which is one of transition metal chalcogenide materials, is used for the electromotive film 3.

Bi:YIG膜は、有機金属分解法(MOD法)により成膜する。溶液は(株)高純度化学研究所製のMOD溶液を用いる。この溶液中では、適切なモル比率(Bi:Y:Fe=1:2:5)からなる金属原材料が、カルボキシル化された状態で酢酸エステル中に5%の濃度で溶解されている。この溶液をスピンコート(回転数1000rpm、30s回転)でGGG基板上に塗布し、150℃のホットプレートで5分間乾燥させた後、450℃で5分間の仮アニールを行い、最後に電気炉中で700℃の高温かつ大気雰囲気下で14時間かけて本アニールさせる。これにより、GGG基板上に膜厚約100nmの結晶性Bi:YIG膜が形成される。   The Bi: YIG film is formed by an organometallic decomposition method (MOD method). As the solution, a MOD solution manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd. is used. In this solution, a metal raw material having an appropriate molar ratio (Bi: Y: Fe = 1: 2: 5) is dissolved at a concentration of 5% in acetate in a carboxylated state. This solution is applied onto a GGG substrate by spin coating (rotation speed: 1000 rpm, rotation for 30 s), dried on a hot plate at 150 ° C. for 5 minutes, and then subjected to temporary annealing at 450 ° C. for 5 minutes, and finally in an electric furnace. The main annealing is performed for 14 hours at a high temperature of 700 ° C. and in an air atmosphere. Thereby, a crystalline Bi: YIG film having a film thickness of about 100 nm is formed on the GGG substrate.

硫化タングステン膜は、液相剥離法を用いて成膜する。(株)高純度化学研究所製の粒径3μm程度の硫化タングステン粉末WS2約30mgを、20mlのイソプロピルアルコール(IPA)に超音波分散装置を用いて分散させる。その後、この液をさらに回転数500rpmの遠心分離機に1時間かける。このような遠心分離の結果、分散液は、粉末が分散した部分と、粉末から剥離された層状フレークが分散した部分とにきれいに分離される。このうちの層状フレークが分散した混濁液のみを掬い取ることで、起電膜3の原料溶液が作製される。その後、この原料溶液を、回転数2000rpmでBi:YIG膜の上にスピンコート塗布し、150℃で高温乾燥させることで、厚さ約8nmの硫化タングステン薄膜を得た。   The tungsten sulfide film is formed using a liquid phase separation method. About 30 mg of tungsten sulfide powder WS2 having a particle size of about 3 μm manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd. is dispersed in 20 ml of isopropyl alcohol (IPA) using an ultrasonic dispersion device. Thereafter, this liquid is further subjected to a centrifuge at 500 rpm for 1 hour. As a result of such centrifugation, the dispersion is neatly separated into a portion in which the powder is dispersed and a portion in which the layered flakes separated from the powder are dispersed. The raw material solution of the electromotive film 3 is produced by scooping out only the turbid liquid in which the layered flakes are dispersed. Thereafter, this raw material solution was spin-coated on a Bi: YIG film at a rotational speed of 2000 rpm and dried at a high temperature at 150 ° C. to obtain a tungsten sulfide thin film having a thickness of about 8 nm.

最後に、Agペーストを用いたスクリーン印刷法によって、端部に厚さ500nmのAgからなる金属パッド7a,7bを形成した。   Finally, metal pads 7a and 7b made of Ag having a thickness of 500 nm were formed at the ends by screen printing using Ag paste.

以上のように、非真空プロセスを用いて磁性体層2、起電膜3、金属パッド7a,7bを成膜し、熱電変換素子を作製した。   As described above, the thermoelectric conversion element was manufactured by forming the magnetic layer 2, the electromotive film 3, and the metal pads 7a and 7b by using a non-vacuum process.

[第3の実施形態]
次に、本発明の第3の実施形態について、図6の斜視図を基に説明する。本実施形態の熱電変換素子1cでは、第2の実施形態の素子構造を基本にしながら、磁性体層2から遷移金属カルコゲナイド起電膜3へのスピン流注入効率を高めるために、これらの間に金属膜8を新たに挿入している。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described based on the perspective view of FIG. In the thermoelectric conversion element 1c of the present embodiment, in order to increase the spin current injection efficiency from the magnetic layer 2 to the transition metal chalcogenide photovoltaic film 3 while being based on the element structure of the second embodiment, A metal film 8 is newly inserted.

前述のように、遷移金属カルコゲナイド起電膜3は、層状構造ゆえに面内方向に高い電気伝導性を有し、優れたスピン流―電流変換特性を示す。しかし、材料によっては電子密度が一般的な金属に比べて小さいために、磁性体層2から熱的に注入されるスピン流の絶対量が小さくなってしまい、十分な発電量が得られないという場合があった。   As described above, the transition metal chalcogenide photovoltaic film 3 has a high electrical conductivity in the in-plane direction due to the layered structure, and exhibits excellent spin current-current conversion characteristics. However, depending on the material, since the electron density is smaller than that of a general metal, the absolute amount of spin current thermally injected from the magnetic layer 2 becomes small, and a sufficient amount of power generation cannot be obtained. There was a case.

そこで本実施形態では、図6のように磁性体層2と起電膜3との間に金属膜8を挿入した。これにより、温度勾配によってスピンゼーベックが発現すると、最初に金属膜8にスピン流が効率良く流れ込み、そのスピン流が起電膜3に到達した時に、効果的なスピン流―電流変換によって、熱電変換が達成される(図7)。   Therefore, in the present embodiment, the metal film 8 is inserted between the magnetic layer 2 and the electromotive film 3 as shown in FIG. As a result, when spin Seebeck appears due to a temperature gradient, a spin current efficiently flows into the metal film 8 first, and when the spin current reaches the electromotive film 3, thermoelectric conversion is performed by effective spin current-current conversion. Is achieved (FIG. 7).

金属膜8の材料としては選択上の大きな制約はなく、例えばCu,Al,Ag,Au,Ptなどを用いることができる。ただし、起電膜3にスピン流を伝えるために、金属膜8の膜厚は金属材料のスピン緩和長以下であることが望ましく、30nm以下であることがより望ましい。また、第1の実施形態と同様に、起電膜3の膜厚は30nm以下、層数としては30層以下のものを用いる。より望ましくは膜厚15nm以下、層数15層以下のものを用いることが好ましい。   There are no significant restrictions on the material of the metal film 8, and for example, Cu, Al, Ag, Au, Pt, or the like can be used. However, in order to transmit the spin current to the electromotive film 3, the thickness of the metal film 8 is preferably less than or equal to the spin relaxation length of the metal material, and more preferably 30 nm or less. Similarly to the first embodiment, the electromotive film 3 has a film thickness of 30 nm or less and a layer number of 30 layers or less. More preferably, a film having a thickness of 15 nm or less and a number of layers of 15 or less is preferably used.

[第4の実施形態]
次に、本発明の第4の実施形態について、図8の斜視図を基に説明する。本実施形態の熱電変換素子1dでは、第3の実施形態の起電膜3と金属膜8がそれぞれ複数設けられ、複数の起電膜3と金属膜8を交互に積層して多層化している。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described based on the perspective view of FIG. In the thermoelectric conversion element 1d of the present embodiment, a plurality of electromotive films 3 and metal films 8 of the third embodiment are provided, and a plurality of electromotive films 3 and metal films 8 are alternately stacked to be multilayered. .

別の言い方をすれば、本実施形態においては、磁性体層2上に複数の起電膜3と複数の金属膜8、9、11とが交互に配置される。第3の実施形態の起電膜3と金属膜8は、それぞれ複数の起電膜3のうちの一つと、複数の金属膜8、9、11のうちの一つと考えられる。   In other words, in the present embodiment, a plurality of electromotive films 3 and a plurality of metal films 8, 9, and 11 are alternately arranged on the magnetic layer 2. The electromotive film 3 and the metal film 8 of the third embodiment are considered to be one of the plurality of electromotive films 3 and one of the plurality of metal films 8, 9, and 11, respectively.

複数の起電膜3から電流を取り出すことで、効率をさらに向上させることができる。また、起電膜3を金属膜でサンドイッチすることで、起電膜材料と金属膜材料との間の密着性を高めるという付加的な効果も得られる。   Efficiency can be further improved by extracting current from the plurality of electromotive films 3. Further, by sandwiching the electromotive film 3 with a metal film, an additional effect of improving the adhesion between the electromotive film material and the metal film material can be obtained.

第3の実施形態と同様に、金属膜8、9、11の材料としては選択上の大きな制約はなく、例えばCu,Al,Ag,Au,Ptなどを用いることができる。ただし、金属膜8,9,11の膜厚は金属材料のスピン緩和長以下であることが望ましく、30nm以下であることがより望ましい。また、発電効率の最適化のために、起電膜3と金属膜8,9,11からなる多層膜の全体の膜厚は100nm以下であることが望ましい。   As in the third embodiment, there are no significant restrictions on the materials of the metal films 8, 9, and 11, and for example, Cu, Al, Ag, Au, Pt, or the like can be used. However, the film thicknesses of the metal films 8, 9, and 11 are desirably less than or equal to the spin relaxation length of the metal material, and more desirably 30 nm or less. In order to optimize the power generation efficiency, it is desirable that the total thickness of the multilayer film composed of the electromotive film 3 and the metal films 8, 9, and 11 is 100 nm or less.

また、第1の実施形態と同様に、起電膜3の一つ一つの膜厚は30nm以下、層数としては30層以下のものを用いる。より望ましくは膜厚15nm以下、層数15層以下のものを用いることが好ましい。   Further, as in the first embodiment, each film thickness of the electromotive film 3 is 30 nm or less, and the number of layers is 30 layers or less. More preferably, a film having a thickness of 15 nm or less and a number of layers of 15 or less is preferably used.

図8の例では、起電膜3で生成された起電力は、最上層の金属膜8から取り出される。金属膜8及び起電膜3は極めて薄いため、このような単純な構成でも、十分に電力を取り出すことが出来ると考えられる。しかしながら、更に集電効率を上げるために、図5A、図5Bに示したようなL字型の断面形状を有する金属パッド7を設けることもできる。この場合、金属パッド7a、7bは、複数の起電膜3及び金属膜8の各々の側面に接触する。   In the example of FIG. 8, the electromotive force generated by the electromotive film 3 is taken out from the uppermost metal film 8. Since the metal film 8 and the electromotive film 3 are extremely thin, it is considered that sufficient electric power can be taken out even with such a simple configuration. However, in order to further increase the current collection efficiency, a metal pad 7 having an L-shaped cross section as shown in FIGS. 5A and 5B can be provided. In this case, the metal pads 7 a and 7 b are in contact with the side surfaces of the plurality of electromotive films 3 and the metal film 8.

以上、本発明の幾つかの実施形態について説明したが、それらの実施形態を互いに矛盾しない範囲で組み合わせることも可能である。   As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, it is also possible to combine those embodiment in the range which does not mutually contradict.

1.熱電変換素子
2.磁性体層
3.起電膜
4.基体
5a,5b.端子
6.カバー層
7a,7b.金属パッド
8.金属膜
9.金属膜
10.外部負荷
11.金属膜
31.電子スピン
32.スピン流
33.電流
1. Thermoelectric conversion element 2. 2. Magnetic layer 3. Electromotive film 4. Bases 5a, 5b. Terminal 6. Cover layers 7a, 7b. Metal pad 8. Metal film 9. Metal film 10. External load11. Metal film 31. Electron spin 32. Spin current 33. Current

Claims (11)

磁性体層と、
前記磁性体層上に形成され、遷移金属カルコゲナイド系材料によって形成された起電膜と、
前記起電力によるポテンシャルが異なる2箇所で前記起電膜にそれぞれ接触するように形成された2個の端子部とを備える
熱電変換素子。
A magnetic layer;
An electromotive film formed on the magnetic layer and formed of a transition metal chalcogenide-based material;
A thermoelectric conversion element comprising two terminal portions formed so as to be in contact with the electromotive film at two places where potentials due to the electromotive force are different.
前記起電膜は、逆スピンホール効果によって面内方向の起電力を発生するように構成された
熱電変換素子。
The electromotive film is a thermoelectric conversion element configured to generate an electromotive force in an in-plane direction by an inverse spin Hall effect.
前記起電膜は、面直方向よりも面内方向に大きい電気伝導率を有する
請求項1または2に記載の熱電変換素子。
The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the electromotive film has a larger electric conductivity in an in-plane direction than in a perpendicular direction.
前記起電膜の膜厚が30nm以下である
請求項1〜3のいずれかに記載の熱電変換素子。
The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the electromotive film has a thickness of 30 nm or less.
前記起電膜が、遷移金属であるW、Ta、Hfのいずれかを含む
請求項1〜4のいずれかに記載の熱電変換素子。
The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the electromotive film includes any one of W, Ta, and Hf that are transition metals.
更に、前記起電膜と前記端子部の両方に電気的に接する金属パッドを備える
請求項1〜5のいずれかに記載の熱電変換素子。
Furthermore, the thermoelectric conversion element in any one of Claims 1-5 provided with the metal pad which touches both the said electromotive film and the said terminal part.
更に、前記磁性体層と前記起電膜との間に配置される金属膜を備える
請求項1〜6のいずれかに記載の熱電変換素子。
The thermoelectric conversion element according to claim 1, further comprising a metal film disposed between the magnetic layer and the electromotive film.
前記金属膜の膜厚が30nm以下である
請求項7に記載の熱電変換素子。
The thermoelectric conversion element according to claim 7, wherein the metal film has a thickness of 30 nm or less.
前記起電膜は、前記磁性体層上に配置される複数の起電膜のうちの一つであり、
前記金属膜は、前記磁性体層上に配置される複数の金属膜のうちの一つであり、
前記複数の起電膜と前記複数の金属膜とが交互に積層された
請求項7又は8に記載の熱電変換素子。
The electromotive film is one of a plurality of electromotive films disposed on the magnetic layer,
The metal film is one of a plurality of metal films disposed on the magnetic layer,
The thermoelectric conversion element according to claim 7 or 8, wherein the plurality of electromotive films and the plurality of metal films are alternately stacked.
前記複数の起電膜の厚さと前記複数の金属膜の厚さの和が100nm以下である
請求項9に記載の熱電変換素子。
The thermoelectric conversion element according to claim 9, wherein the sum of the thickness of the plurality of electromotive films and the thickness of the plurality of metal films is 100 nm or less.
磁性体層上に、遷移金属カルコゲナイド系材料によって起電膜を形成する工程と、
前記起電膜によるポテンシャルが異なる2箇所で前記起電膜にそれぞれ接触するように2個の端子部を形成する工程と
を備える熱電変換素子の製造方法。
Forming an electromotive film with a transition metal chalcogenide-based material on the magnetic layer;
Forming two terminal portions so as to come into contact with the electromotive film at two locations where potentials due to the electromotive film are different from each other.
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