JP2016042546A - 熱電変換素子 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施の形態について図面を参照して以下、詳細に説明する。
[構造の説明]
図2は、本発明の第一の実施形態のスピン熱電素子を概略的に示した斜視図である。このスピン熱電素子は、YIGのcサイトの一部を、軌道角運動量量子数Lを有する元素RLで置換した磁性体層(以後RL:YIG磁性体層と呼ぶ)501と、スピン軌道相互作用(spin-orbit interaction)の大きな元素で構成されている起電層(導電層)502を備えている構造である。軌道角運動量量子数Lを有する元素RLとは、Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybであり、スピン軌道相互作用の大きな元素とは、例えばAu,Pt,Ir,Biなどである。
[効果の説明]
本実施形態では、温度勾配からスピン流を生成する効率(スピン流生成効率)が向上する。cサイトに軌道角運動量量子数Lを有する元素を置換したYIG磁性体層を使用することにより、YIG磁性体層のスピン格子相互作用(spin-lattice-interaction)が大きくなり、より効率的に熱からスピン流を生成することが可能となる。これにより、YIG磁性体層で発生するスピン流量が大きくなるため、スピン熱電素子の出力は向上する。
[製造方法の説明]
次に、図3を参照して、本実施形態のスピン熱電素子の製造方法の例を説明する。
[第二の実施形態]
本発明の第二の実施の形態について図面を参照して以下、詳細に説明する。
[構造の説明]
図5は、本実施形態のスピン熱電素子を概略的に示した図である。このスピン熱電素子は、YIGのcサイトの一部を、軌道角運動量量子数Lを有し、かつスピン角運動量量子数Sの小さな(2以下の)元素RSで置換した磁性体層(以後RS:YIG磁性体層と呼ぶ)801と、スピン起動相互作用の大きな元素で構成されている起電層(導電層)802を備えている構造である。
軌道角運動量量子数Lを有し、かつスピン角運動量量子数Sの小さな(2以下の)元素RSとは、Ce, Pr, Nd, Ho, Er, Tm, Ybであり、スピン起動相互作用の大きな元素とは、例えばAu, Pt, Ir, Biなどである。
[効果の説明]
本実施形態では、スピン流伝達効率が向上する。YIG磁性体層のcサイトにスピン角運動量量子数Sが大きな元素が存在すると、YIGのcサイト(Yのサイト)とYIGのa,dサイト(Feのサイト)のdipole-dipole-interactionもしくはsuper-exchange-interactionにより、スピン流が散乱されてしまう。そのため、cサイトにスピン角運動量量子数Sが小さい(2以下の)元素を置換したYIG磁性体層を使用することにより、スピン流伝達効率が向上し、スピン熱電素子の出力は向上する。
[製造方法の説明]
次に、図5を参照して、本実施形態のスピン熱電素子の製造方法の第一の例を説明する。
[第三の実施形態]
本発明の第三の実施の形態について図面を参照して以下、詳細に説明する。
[構造の説明]
図7は、本実施形態のスピン熱電素子を概略的に示した図である。このスピン熱電素子は、YIGのcサイトの一部を、軌道角運動量量子数Lを有し、かつスピン角運動量量子数が小さく(2以下)、かつ原子量nの大きな(155以上の)元素Rnで置換した磁性体層(以後Rn:YIG磁性体層と呼ぶ)1001と、スピン起動相互作用の大きな元素で構成されている起電層(導電層)1002を備えている構造である。軌道角運動量量子数Lを有し、かつスピン角運動量量子数が小さく(2以下)、かつ原子量nの大きな(155以上の)元素Rnとは、Ho, Er, Tm, Ybであり、スピン起動相互作用の大きな元素とは、例えばAu, Pt, Ir, Biなどである。
[効果の説明]
本実施形態では、YIG磁性体層にかかる温度勾配を上昇させることができる。cサイトに原子量nの大きい(155以上の)元素を置換したYIG磁性体層を使用することにより、YIG磁性体層中でのフォノン散乱が大きくなり、熱伝導率κが低下する。そのため、YIG磁性体層にかかる温度勾配が大きくなり、スピン熱電素子の出力は向上する。
[製造方法の説明]
次に、図7を参照して、本実施形態のスピン熱電素子の製造方法の第一の例を説明する。
(他の実施形態)
上記の実施形態では、元素を一種類だけ置換した。しかし複数種類置換をすると、磁性体中のフォノン散乱が増強され熱伝導率が下がる。そのため、磁性体にかかる温度勾配が大きくなり出力が増大する。
503、504、603、604、803、804、1003、1004、1203、1204 端子
501、601 RL:YIG磁性体層
602、1202 Pt層
605、1205 GGG基板
801 RS:YIG磁性体層
1001 Rn:YIG磁性体層
1201 Yb:YIG磁性体層
Claims (9)
- スピンゼーベック効果を発現する磁性体層と、逆スピンホール効果を発現する起電層とを有する熱電変換素子であって、
前記磁性体層として軌道角運動量量子数Lを有するCe, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Ybからなる元素群から選ばれる少なくとも1つの元素を含む磁性体層を使用することを特徴とする熱電変換素子。 - 前記磁性体層として酸化物磁性材料を用いる請求項1に記載の熱電変換素子。
- 前記磁性体層にYIGのcサイトを、軌道角運動量量子数Lを有するCe, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb,からなる元素群から選ばれる少なくとも1つの元素RLで一部置換した磁性体を使用する請求項1または2に記載の熱電変換素子。
- 前記磁性体層のcサイトを占める元素のほぼ全てが、軌道角運動量量子数Lを有するCe, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Ybからなる元素群から選ばれる少なくとも1つの元素である請求項1または2に記載の熱電変換素子。
- 前記元素群のうち、スピン角運動量量子数Sが2以下のCe, Pr, Nd, Ho, Er, Tm, Yb,からなる元素群から選ばれる少なくとも1つの元素でYIGのcサイトを一部置換した磁性体層を使用する請求項1または2に記載の熱電変換素子。
- 前記磁性体層のcサイトを占める元素のほぼ全てが、スピン角運動量量子数Sが2以下のCe, Pr, Nd, Ho, Er, Tm, Ybからなる元素群から選ばれる少なくとも1つの元素である請求項1または2に記載の熱電変換素子。
- 前記元素群のうち、原子量nが155以上のHo, Er, Tm, Ybからなる元素群から選ばれる少なくとも1つの元素でYIGのcサイトを一部置換した磁性体層を使用する請求項5に記載の熱電変換素子。
- 前記磁性体層のcサイトを占める元素のほぼ全てが、原子量nが155以上のHo, Er, Tm, Yb, Lu からなる元素群から選ばれる少なくとも1つの元素である請求項6に記載の熱電変換素子。
- 前記元素RL、RsまたはRnで前記YIGのcサイトを置換したRXY3-xFe5O12の組成比Xは0.1以上である請求項3、5、または7に記載の熱電変換素子。
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