JP2019087697A - Thermoelectric converter and heat transport system - Google Patents

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Abstract

To improve the performance of a thermoelectric converter.SOLUTION: A thermoelectric conversion device HD1 includes a magnetic material portion MM1, an observation portion OB that observes a change in the magnetization state of the magnetic material portion MM1, a control portion GT that controls the magnetization state of the magnetic material portion MM1, and a conversion portion CV that converts magnetic energy in the magnetic material portion MM1 into electric energy, in which the magnetic material portion MM1 includes a first nonmagnetic layer NM1, a first magnetic layer MG1 formed on the first nonmagnetic layer NM1 and a second nonmagnetic layer NM2 formed on the first magnetic layer MG1 and made of a material different from that of the first nonmagnetic layer NM1, and the film thickness of the first magnetic layer MG1 increases in a first direction of the magnetic material portion MM1.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、熱電変換装置および熱輸送システムに関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion device and a heat transport system.

近年、熱の有効利用が注目を集めている。特に、半導体装置を含むコンピュータやパワーデバイスは多くの熱を発しており、これらの熱は利用されることなく放出されているため、排熱とよばれる。このような排熱のエネルギー総量は多いにもかかわらず、有効なエネルギー回収技術は確立されていない。   In recent years, the effective use of heat has attracted attention. In particular, computers and power devices including semiconductor devices generate a lot of heat, and these heats are released without being used, and are therefore called exhaust heat. Despite the high total energy of such waste heat, no effective energy recovery technology has been established.

特許文献1(特開2012−185897号公報)には、例えば、半導体チップから発生した熱を、熱電変換素子により電気エネルギーに変換し、電源配線に供給することが記載されている。   Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-185897), for example, describes that heat generated from a semiconductor chip is converted into electrical energy by a thermoelectric conversion element and supplied to a power supply wiring.

特開2012−185897号公報JP, 2012-185897, A

本願発明者は、熱電変換装置において、熱ゆらぎによって生じる磁気エネルギーを電気エネルギーに変換することを検討している。熱電変換装置の構造を工夫することにより、前記熱電変換装置の性能の向上が望まれる。   The inventor of the present application is studying conversion of magnetic energy generated by thermal fluctuation into electrical energy in a thermoelectric conversion device. It is desirable to improve the performance of the thermoelectric conversion device by devising the structure of the thermoelectric conversion device.

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   Other problems and novel features will be apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.

一実施の形態による熱電変換装置は、磁性材料部と、前記磁性材料部の磁化状態の変化を観測する観測部と、前記磁性材料部の磁化状態を制御する制御部と、前記磁性材料部内の磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部と、を備えている。前記磁性材料部は、第1非磁性体層と、前記第1非磁性体層上に形成された第1磁性体層と、前記第1磁性体層上に形成され、前記第1非磁性体層と異なる材料からなる第2非磁性体層とからなり、前記第1磁性体層の膜厚は、第1の方向に向かうに従って厚くなっている。   The thermoelectric conversion device according to one embodiment includes a magnetic material portion, an observation portion that observes a change in the magnetization state of the magnetic material portion, a control portion that controls the magnetization state of the magnetic material portion, and the inside of the magnetic material portion. And a converter configured to convert magnetic energy into electrical energy. The magnetic material portion is formed on a first nonmagnetic material layer, a first magnetic material layer formed on the first nonmagnetic material layer, and the first nonmagnetic material layer. And a second nonmagnetic layer made of a material different from the layer, and the film thickness of the first magnetic layer becomes thicker toward the first direction.

一実施の形態によれば、熱電変換装置の性能を向上させることができる。   According to one embodiment, the performance of the thermoelectric conversion device can be improved.

一実施の形態の熱電変換装置の構造を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the thermoelectric conversion apparatus of one Embodiment. 一実施の形態の熱電変換装置を図1のA−A線に沿って切断した構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure which cut | disconnected the thermoelectric conversion apparatus of one Embodiment along the AA of FIG. (a)は、一実施の形態の熱電変換装置を図1のB−B線に沿って切断した構造を示す断面図、(b)は、図3(a)に対応するポテンシャル図である。(A) is sectional drawing which shows the structure which cut | disconnected the thermoelectric conversion apparatus of one Embodiment along the BB line of FIG. 1, (b) is a potential figure corresponding to Fig.3 (a). 一実施の形態の磁性材料部に発生するスキルミオンの模式図である。It is a schematic diagram of the skyrmion which generate | occur | produces in the magnetic material part of one Embodiment. (a)は、一実施の形態の熱電変換装置の動作原理図、(b)は、図5(a)に対応するポテンシャル図である。(A) is an operation principle figure of the thermoelectric conversion device of one embodiment, (b) is a potential figure corresponding to Drawing 5 (a). (a)は、図5(a)に続く熱電変換装置の動作原理図、(b)は、図6(a)に対応するポテンシャル図、(c)は、図6(b)において制御部の電極間に電圧を印加した状態を示すポテンシャル図である。(A) is an operation principle diagram of the thermoelectric conversion device following FIG. 5 (a), (b) is a potential diagram corresponding to FIG. 6 (a), (c) is a control unit in FIG. FIG. 5 is a potential diagram showing a state in which a voltage is applied between the electrodes. (a)は、図6(a)に続く熱電変換装置の動作原理図、(b)は、図7(a)に対応するポテンシャル図、(c)は、図7(b)においてさらに制御部の電極間に電圧を印加した状態を示すポテンシャル図、(d)は、図7(c)においてさらにスキルミオンが発生した状態を示すポテンシャル図である。(A) is an operation principle diagram of the thermoelectric conversion device following FIG. 6 (a), (b) is a potential diagram corresponding to FIG. 7 (a), (c) is a control unit further in FIG. 7 (b) FIG. 7 (d) is a potential diagram showing a state where skirmion has further occurred in FIG. 7 (c), in which a voltage is applied between the electrodes of FIG. 変形例の熱電変換装置を図1のA−A線に相当する位置で切断した構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure which cut | disconnected the thermoelectric conversion apparatus of a modification in the position corresponded to the AA of FIG. 一実施の形態の熱輸送システムの構成図である。It is a block diagram of the heat transport system of one embodiment.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings. In all the drawings for describing the embodiments, members having the same functions are denoted by the same reference numerals, and the repetitive description thereof will be omitted. Further, in the following embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless otherwise particularly required.

(実施の形態)
[検討の経緯について]
まず、実施の形態を説明する前に、本発明者が検討した事項について説明する。
Embodiment
[About the process of examination]
First, before the embodiment is described, matters considered by the present inventor will be described.

前述のように、半導体装置を含むコンピュータやパワーデバイスから発生した排熱の有効なエネルギー回収技術は確立されていない。   As described above, no effective energy recovery technology has been established for exhaust heat generated from computers and power devices including semiconductor devices.

例えば、従来から用いられている熱電変換素子に、ゼーベック効果を用いたものが知られている。ゼーベック効果とは、物体の温度差が電圧に直接変換される効果をいう。温度差を利用した熱電変換素子は、温度差を制御する必要があり、放熱構造の工夫など検討する課題も多く、汎用性の高い排熱利用技術としては実用化に至っていない。   For example, the thing using the Seebeck effect is known for the thermoelectric conversion element used conventionally. The Seebeck effect is an effect in which a temperature difference of an object is directly converted to a voltage. The thermoelectric conversion element using a temperature difference needs to control the temperature difference, has many problems to be considered such as devising a heat dissipation structure, and has not been put to practical use as a highly versatile exhaust heat utilization technology.

そこで、別のアプローチとして、熱により運動する粒子または準粒子を熱のキャリアとして用いて、これらの粒子または準粒子から効率よく電気エネルギーとして取り出すという試みも考えられる。これらの粒子または準粒子を制御することができれば、温度差は必要なくなる。   Therefore, as another approach, an attempt may be made to use heat-driven particles or quasi-particles as a carrier of heat and efficiently extract these particles or quasi-particles as electrical energy. If these particles or quasi-particles can be controlled, the temperature difference is not necessary.

これらの粒子または準粒子の例として、電子、フォノン(格子振動)やマグノン(スピン波)などが挙げられる。しかし、電子、フォノンやマグノンなどの粒子または準粒子は、熱によって常にランダムに運動しているため制御が難しく、エネルギーを生成する資源としては利用されてこなかった。具体的には、電子やマグノンは、粒子または準粒子としての大きさが小さすぎて、観測するのが難しいという問題がある。また、フォノンでは、電場や磁場による制御が難しいという問題がある。また、磁気構造体である磁区は、その大きさが大きすぎて、系全体と相互作用してしまい、熱ゆらぎ程度のエネルギーでは構造が変化せず、熱のキャリアとしては適していないという問題がある。   Examples of these particles or quasiparticles include electrons, phonons (lattice vibration) and magnons (spin waves). However, particles or quasiparticles such as electrons, phonons and magnons are difficult to control because they are always randomly moved by heat, and they have not been used as energy generating resources. Specifically, there is a problem that electrons and magnons are too small in size as particles or quasiparticles, making them difficult to observe. In addition, phonons have a problem that control by an electric field or a magnetic field is difficult. Moreover, the size of the magnetic domain, which is a magnetic structure, is too large and interacts with the entire system, and the structure does not change with the energy of the thermal fluctuation level, and is not suitable as a heat carrier. is there.

以上より、粒子または準粒子をキャリアとして用いて、温度差がない状態で排熱をエネルギーとして回収する熱電変換装置および熱輸送システムが望まれる。   From the above, it is desirable to use thermoelectric conversion devices and a heat transport system that recover waste heat as energy using particles or quasi-particles as carriers without any temperature difference.

[熱電変換装置の構造について]
図1は、本実施の形態の熱電変換装置HD1の構造を示す平面図、図2は、本実施の形態の熱電変換装置HD1を図1のA−A線に沿って切断した構造を示す断面図、図3(a)は、本実施の形態の熱電変換装置HD1を図1のB−B線に沿って切断した構造を示す断面図、図3(b)は、本実施の形態の熱電変換装置HD1の図3(a)に対応するポテンシャル図である。
[About the structure of the thermoelectric converter]
FIG. 1 is a plan view showing the structure of the thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment, and FIG. 2 is a cross section showing the structure of the thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment taken along line A-A of FIG. 3A is a cross-sectional view showing a structure in which the thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment is cut along the line B-B in FIG. 1, and FIG. 3B is a thermoelectric conversion of the present embodiment It is a potential figure corresponding to Drawing 3 (a) of conversion device HD1.

図1では、本実施の形態の熱電変換装置HD1において、後述する磁性材料部MM1の上面および変換部CVの上面を示しており、磁性材料部MM1上の観測部OBおよび制御部GTも併せて示している。一方、観測部OB、制御部GTおよび変換部CVに接続するための配線、層間絶縁膜、コンタクトプラグおよびパッドなどの図示を省略している。図1に示すように、本実施の形態の熱電変換装置HD1は、平面視において略長方形状に形成されている。すなわち、熱電変換装置HD1に含まれる磁性材料部MM1も、平面視において略長方形状に形成されている。   FIG. 1 shows the top surface of the magnetic material portion MM1 and the top surface of the conversion portion CV, which will be described later, in the thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment, and the observation portion OB and the control portion GT on the magnetic material portion MM1 are also included. It shows. On the other hand, illustration of a wire for connecting to the observation part OB, the control part GT and the conversion part CV, an interlayer insulating film, a contact plug, a pad and the like is omitted. As shown in FIG. 1, the thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment is formed in a substantially rectangular shape in plan view. That is, the magnetic material portion MM1 included in the thermoelectric conversion device HD1 is also formed in a substantially rectangular shape in plan view.

図2は、本実施の形態の熱電変換装置HD1を図1のA−A線、すなわち磁性材料部MM1の長さ方向に沿って切断した構造を示すものである。図2に示すように、本実施の形態の熱電変換装置HD1は、主面上に絶縁膜IL1が形成された基板SUBを備えている。基板SUBは、例えばシリコンからなる。絶縁膜IL1は、例えば酸化シリコン膜からなり、基板SUBを構成するシリコンの熱酸化により形成することができる。基板SUBは、領域AR1と領域AR2とを有している。領域AR1と領域AR2とは、同一のSUBの主面の互いに異なる平面領域に対応している。本実施の形態において、領域AR1には、磁性材料部MM1が形成されている。また、領域AR1には、後述する観測部OBと、制御部GTとが形成されている。領域AR2には、磁性材料部MM1内の磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部CVが形成されている。領域AR1において、磁性材料部MM1上には、観測部OBおよび制御部GTを覆うように絶縁膜IL2が形成されている。同様に、領域AR2において、変換部CV上には、絶縁膜IL2が形成されている。絶縁膜IL2は、例えば酸化シリコン膜からなる。   FIG. 2 shows a structure in which the thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment is cut along the line A-A in FIG. 1, that is, the longitudinal direction of the magnetic material portion MM1. As shown in FIG. 2, the thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment includes a substrate SUB in which an insulating film IL1 is formed on the main surface. The substrate SUB is made of, for example, silicon. The insulating film IL1 is made of, for example, a silicon oxide film, and can be formed by thermal oxidation of silicon constituting the substrate SUB. The substrate SUB has an area AR1 and an area AR2. The area AR1 and the area AR2 correspond to different plane areas of the main surface of the same SUB. In the present embodiment, the magnetic material portion MM1 is formed in the region AR1. Further, an observation unit OB described later and a control unit GT are formed in the area AR1. In the region AR2, a conversion portion CV is formed which converts magnetic energy in the magnetic material portion MM1 into electrical energy. In the region AR1, an insulating film IL2 is formed on the magnetic material portion MM1 so as to cover the observation portion OB and the control portion GT. Similarly, in the region AR2, the insulating film IL2 is formed over the conversion portion CV. The insulating film IL2 is made of, for example, a silicon oxide film.

まず、領域AR1に形成された本実施の形態の磁性材料部MM1の構造について説明する。磁性材料部MM1は、第1非磁性体層NM1と、第1非磁性体層NM1上に形成された第1磁性体層MG1と、第1磁性体層MG1上に形成された第2非磁性体層NM2とからなる。本実施の形態の第1磁性体層MG1の膜厚は、磁性材料部MM1の長さ方向(第1の方向)に向かうに従って厚くなっている。   First, the structure of the magnetic material portion MM1 of the present embodiment formed in the region AR1 will be described. The magnetic material portion MM1 includes a first nonmagnetic layer NM1, a first magnetic layer MG1 formed on the first nonmagnetic layer NM1, and a second nonmagnetic layer formed on the first magnetic layer MG1. It consists of body layer NM2. The film thickness of the first magnetic material layer MG1 of the present embodiment increases in the longitudinal direction (first direction) of the magnetic material portion MM1.

第1非磁性体層NM1は、他の軌道(s軌道、p軌道、d軌道)よりもスピン軌道相互作用が大きいf軌道に電子を有する非磁性金属からなり、例えば、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)または金(Au)からなり、好ましくは白金(Pt)またはタンタル(Ta)からなる。後述するように、第1非磁性体層NM1は、観測部OBの電極および制御部の電極も兼ねている。第1磁性体層MG1は、強い磁気交換相互作用を有する材料、すなわち強磁性体材料からなり、好ましくは鉄(Fe)やコバルト(Co)などの金属またはその合金からなり、より好ましくはCoFeBからなる。第2非磁性体層NM2は、非磁性絶縁体からなり、好ましくは非磁性金属酸化物からなり、より好ましくは酸化マグネシウム(MgO)からなる。   The first nonmagnetic layer NM1 is made of a nonmagnetic metal having electrons in the f orbital whose spin orbital interaction is larger than other orbitals (s orbital, p orbital, d orbital), for example, hafnium (Hf), tantalum It consists of (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt) or gold (Au), preferably platinum (Pt) or tantalum (Ta). As described later, the first nonmagnetic layer NM1 doubles as an electrode of the observation unit OB and an electrode of the control unit. The first magnetic layer MG1 is made of a material having strong magnetic exchange interaction, that is, made of a ferromagnetic material, preferably made of a metal such as iron (Fe) or cobalt (Co) or an alloy thereof, more preferably made of CoFeB Become. The second nonmagnetic layer NM2 is made of a nonmagnetic insulator, preferably made of a nonmagnetic metal oxide, and more preferably made of magnesium oxide (MgO).

なお、第1非磁性体層NM1は、非磁性金属からなり、第2非磁性体層NM2は、非磁性絶縁体からなる場合を例に説明したが、これに限定されず、第1非磁性体層NM1および第2非磁性体層NM2は、互いに異なる非磁性体材料から構成すればよい。また、本実施の形態では、磁性材料部MM1が絶縁膜IL1上に形成されているが、これに限定されない。   Although the first nonmagnetic layer NM1 is made of nonmagnetic metal and the second nonmagnetic layer NM2 is made of nonmagnetic insulator as an example, the present invention is not limited to this. The body layer NM1 and the second nonmagnetic layer NM2 may be made of nonmagnetic materials different from each other. Further, although the magnetic material portion MM1 is formed on the insulating film IL1 in the present embodiment, the present invention is not limited to this.

磁性材料部MM1の長さ寸法は、例えば1μm程度であり、磁性材料部MM1の幅寸法は、例えば500nm程度である。第1非磁性体層NM1の膜厚は、例えば1〜10nm程度であり、好ましくは4.5nm程度である。第2非磁性体層NM2の膜厚は、例えば1〜10nm程度であり、好ましくは1.4nm程度である。また、第1磁性体層MG1の膜厚は、最も薄いところで1〜2nm程度、最も厚いところで10nm程度であり、第1磁性体層MG1の膜厚は、磁性材料部MM1の長さ方向に沿って一定の割合で厚くなっている。   The length dimension of the magnetic material portion MM1 is, for example, about 1 μm, and the width dimension of the magnetic material portion MM1 is, for example, about 500 nm. The film thickness of the first nonmagnetic layer NM1 is, for example, about 1 to 10 nm, and preferably about 4.5 nm. The film thickness of the second nonmagnetic layer NM2 is, for example, about 1 to 10 nm, and preferably about 1.4 nm. Further, the film thickness of the first magnetic layer MG1 is about 1 to 2 nm at the thinnest portion and about 10 nm at the thickest portion, and the film thickness of the first magnetic layer MG1 is along the longitudinal direction of the magnetic material portion MM1. It is getting thicker at a certain rate.

図3(a)は、本実施の形態の熱電変換装置HD1を図1のB−B線、すなわち幅方向に沿って切断した構造を示すものである。図3(a)に示すように、本実施の形態の第1磁性体層MG1の幅方向両端部に、障壁部BA1,BA2が形成されている。そして、第1磁性体層MG1の幅方向中央部に、障壁部BA1,BA2に挟まれるように、スキルミオン生成部SPが形成されている。なお、前述の図2は、スキルミオン生成部SPを縦断するように切断した断面図に相当する。   FIG. 3A shows a structure obtained by cutting the thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment along the line B-B in FIG. 1, that is, the width direction. As shown to Fig.3 (a), barrier part BA1 and BA2 are formed in the width direction both ends of 1st magnetic material layer MG1 of this Embodiment. In the widthwise central portion of the first magnetic layer MG1, a skirmion generating portion SP is formed so as to be sandwiched by the barrier portions BA1 and BA2. Note that FIG. 2 described above corresponds to a cross-sectional view of the skillmion generation unit SP cut longitudinally.

障壁部BA1,BA2およびスキルミオン生成部SPは、いずれも第1非磁性体層NM1と、第1非磁性体層NM1上に形成された第1磁性体層MG1と、第1磁性体層MG1上に形成された第2非磁性体層NM2とからなる。ただし、障壁部BA1,BA2に含まれる第1磁性体層MG1の膜厚は、スキルミオン生成部SPに含まれる第1磁性体層MG1の膜厚よりも大きい。本実施の形態では、第2非磁性体層NM2の上面を障壁部BA1,BA2と、スキルミオン生成部SPとで面一、すなわち同じ高さにするために、スキルミオン生成部SPに含まれる第2非磁性体層NM2の膜厚は、障壁部BA1,BA2に含まれる第2非磁性体層NM2の膜厚よりも大きい。そして、スキルミオン生成部SPに含まれる第1磁性体層MG1の膜厚と、スキルミオン生成部SPに含まれる第2非磁性体層NM2の膜厚との合計が、障壁部BA1,BA2に含まれる第1磁性体層MG1の膜厚と、障壁部BA1,BA2に含まれる第2非磁性体層NM2の膜厚との合計と同じである。   Each of the barrier portions BA1 and BA2 and the skyrmion generation portion SP includes a first nonmagnetic layer NM1, a first magnetic layer MG1 formed on the first nonmagnetic layer NM1, and a first magnetic layer MG1. And a second nonmagnetic layer NM2 formed thereon. However, the film thickness of the first magnetic layer MG1 included in the barrier portions BA1 and BA2 is larger than the film thickness of the first magnetic layer MG1 included in the skyrmion generating portion SP. In the present embodiment, the upper surface of the second nonmagnetic material layer NM2 is included in the skyrmion generation unit SP in order to make the upper surface equal to or the same height as the barrier units BA1 and BA2 and the skyrmion generation unit SP. The film thickness of the second nonmagnetic layer NM2 is larger than the film thickness of the second nonmagnetic layer NM2 included in the barrier portions BA1 and BA2. Then, the sum of the film thickness of the first magnetic layer MG1 included in the skyrmion generation unit SP and the film thickness of the second nonmagnetic layer NM2 included in the skyrmion generation unit SP corresponds to the barrier portions BA1 and BA2. It is the same as the sum of the film thickness of the included first magnetic layer MG1 and the film thickness of the second nonmagnetic layer NM2 included in the barrier portions BA1 and BA2.

スキルミオン生成部SPに含まれる第1磁性体層MG1の膜厚は、前述したように、最も薄いところで1〜2nm程度、最も厚いところで10nm程度である。図3(a)に示すスキルミオン生成部SPに含まれる第1磁性体層MG1の膜厚は、2〜3nm程度である。障壁部BA1,BA2に含まれる第1磁性体層MG1の膜厚は、例えば10〜20nm程度である。磁性材料部MM1の幅寸法に対するスキルミオン生成部SPの占める長さ(スキルミオン生成部SPの幅寸法)は、例えば、10〜100nm程度である。磁性材料部MM1の幅寸法に対する障壁部BA1,BA2の占める長さ(障壁部BA1,BA2の幅寸法)は、それぞれ、例えば、10〜200nm程度である。   As described above, the film thickness of the first magnetic layer MG1 included in the skyrmion generation part SP is about 1 to 2 nm at the thinnest portion and about 10 nm at the thickest portion. The film thickness of the first magnetic layer MG1 included in the skyrmion generator SP shown in FIG. 3A is about 2 to 3 nm. The film thickness of the first magnetic layer MG1 included in the barrier portions BA1 and BA2 is, for example, about 10 to 20 nm. The length occupied by the skyrmion generating portion SP (the width dimension of the skyrmion generating portion SP) to the width dimension of the magnetic material portion MM1 is, for example, about 10 to 100 nm. The length occupied by the barrier portions BA1 and BA2 (the width dimensions of the barrier portions BA1 and BA2) with respect to the width dimension of the magnetic material portion MM1 is, for example, about 10 to 200 nm.

また、磁性材料部MM1の長さ方向に沿って、磁性材料部MM1の磁化状態の変化を観測する観測部OBと、磁性材料部MM1の磁化状態を制御する制御部GTとが交互に複数設けられている。観測部OBと制御部GTとの間隔は、接しない程度に接近している方が好ましい。磁性材料部MM1の長さ方向に沿って設けられた複数の観測部OBを、その下方に存在する第1磁性体層MG1の膜厚が厚くなる順に、観測部OB1、OB2、OB3と表す。同様に、磁性材料部MM1の長さ方向に沿って設けられた複数の制御部GTを、その下方に存在する第1磁性体層MG1の膜厚が厚くなる順に、制御部GT1、GT2と表す。なお、本実施の形態の熱電変換装置HD1は、3つの観測部OBおよび2つの制御部GTを有する場合を例に説明したが、観測部OBおよび制御部GTの数は、限定されない。   A plurality of observation portions OB for observing changes in the magnetization state of the magnetic material portion MM1 and control portions GT for controlling the magnetization state of the magnetic material portion MM1 are alternately provided along the length direction of the magnetic material portion MM1. It is done. It is preferable that the distance between the observation unit OB and the control unit GT be as close as possible without contact. The plurality of observation parts OB provided along the longitudinal direction of the magnetic material part MM1 will be referred to as observation parts OB1, OB2 and OB3 in the order in which the film thickness of the first magnetic layer MG1 present below them increases. Similarly, a plurality of control parts GT provided along the longitudinal direction of the magnetic material part MM1 will be referred to as control parts GT1 and GT2 in the order in which the film thickness of the first magnetic layer MG1 present below them becomes thicker. . The thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment has been described by way of example in which there are three observation units OB and two control units GT, but the number of observation units OB and control units GT is not limited.

次に、本実施の形態の観測部OBの構造について説明する。観測部OBは、平面視において、略長方形状に形成されている。観測部OBは、第1非磁性体層NM1と、第1非磁性体層NM1上の第1磁性体層MG1と、第1磁性体層MG1上の第2非磁性体層NM2と、第2非磁性体層NM2上に形成された第2磁性体層MG2と、第2磁性体層MG2上に形成された電極M1とからなる。第2磁性体層MG2は、強磁性体からなり、好ましくは鉄(Fe)やコバルト(Co)などの金属またはその合金からなる。電極M1は、非磁性金属からなり、好ましくは白金(Pt)またはタンタル(Ta)からなる。第2磁性体層MG2の膜厚は、例えば1〜10nm程度であり、好ましくは4.5nm程度である。電極M1の膜厚は、例えば1〜10nm程度であり、好ましくは4.5nm程度である。磁性材料部MM1の幅寸法と観測部OB(電極M1)の長さ寸法とは同じである。磁性材料部MM1の長さ寸法に対する観測部OBの占める長さ(電極M1の幅寸法)は、例えば、10〜50nm程度である。   Next, the structure of the observation unit OB of the present embodiment will be described. The observation part OB is formed in a substantially rectangular shape in plan view. The observation part OB includes a first nonmagnetic layer NM1, a first magnetic layer MG1 on the first nonmagnetic layer NM1, a second nonmagnetic layer NM2 on the first magnetic layer MG1, and a second nonmagnetic layer NM2. The second magnetic layer MG2 is formed on the nonmagnetic layer NM2, and the electrode M1 is formed on the second magnetic layer MG2. The second magnetic layer MG2 is made of a ferromagnetic material, and is preferably made of a metal such as iron (Fe) or cobalt (Co) or an alloy thereof. The electrode M1 is made of nonmagnetic metal, preferably platinum (Pt) or tantalum (Ta). The film thickness of the second magnetic layer MG2 is, for example, about 1 to 10 nm, and preferably about 4.5 nm. The film thickness of the electrode M1 is, for example, about 1 to 10 nm, preferably about 4.5 nm. The width dimension of the magnetic material portion MM1 and the length dimension of the observation portion OB (electrode M1) are the same. The length occupied by the observation portion OB (the width dimension of the electrode M1) with respect to the length dimension of the magnetic material portion MM1 is, for example, about 10 to 50 nm.

観測部OBに含まれる第1非磁性体層NM1、第1磁性体層MG1および第2非磁性体層NM2は、磁性材料部MM1に含まれる第1非磁性体層NM1、第1磁性体層MG1および第2非磁性体層NM2と同一である。そして、観測部OBに含まれる第1磁性体層MG1、第2非磁性体層NM2および第2磁性体層MG2がMTJ(Magnetic Tunnel Junction:磁気トンネル接合)素子を構成し、第1非磁性体層NM1および電極M1が前記MTJ素子に電圧を印加するための一対の電極を構成する。   The first nonmagnetic material layer NM1, the first magnetic material layer MG1 and the second nonmagnetic material layer NM2 included in the observation part OB are the first nonmagnetic material layer NM1 and the first magnetic material layer included in the magnetic material part MM1. The same as MG1 and the second nonmagnetic layer NM2. Then, the first magnetic layer MG1, the second nonmagnetic layer NM2, and the second magnetic layer MG2 included in the observation part OB constitute an MTJ (Magnetic Tunnel Junction: magnetic tunnel junction) element, and the first nonmagnetic body The layer NM1 and the electrode M1 constitute a pair of electrodes for applying a voltage to the MTJ element.

ここで、MTJ素子とは、磁性体層、障壁層(非磁性絶縁体層)および磁性体層の3層を基本構造とする素子である。障壁層が2つの磁性体層に挟持されることにより、障壁層に磁場が印加される。2つの磁性体層を介して障壁層に電場を印加すると、障壁層にトンネル電流が流れる。ここで、障壁層に流れるトンネル電流は、2つの磁性体層の磁気モーメントの向きに依存する。具体的には、2つの磁性体層の磁化方向が一致する場合、障壁層に流れるトンネル電流は、2つの磁性体層の磁化方向が一致しない場合に比べて小さくなる。すなわち、2つの磁性体層の磁化方向が一致する場合、障壁層の抵抗値は、2つの磁性体層の磁化方向が一致しない場合に比べて大きくなる。その結果、観測部OBを構成するMTJ素子によって、磁性体層の磁化状態を観測することができる。本実施の形態の観測部OBは、後述するように、第1磁性体層MG1の磁化状態を観測するために設けられている。   Here, the MTJ element is an element having a basic structure of three layers of a magnetic layer, a barrier layer (nonmagnetic insulator layer), and a magnetic layer. By the barrier layer being sandwiched between the two magnetic layers, a magnetic field is applied to the barrier layer. When an electric field is applied to the barrier layer through the two magnetic layers, a tunnel current flows in the barrier layer. Here, the tunnel current flowing in the barrier layer depends on the direction of the magnetic moment of the two magnetic layers. Specifically, when the magnetization directions of the two magnetic layers coincide with each other, the tunnel current flowing through the barrier layer is smaller than that when the magnetization directions of the two magnetic layers do not coincide with each other. That is, when the magnetization directions of the two magnetic layers coincide with each other, the resistance value of the barrier layer is larger than that when the magnetization directions of the two magnetic layers do not coincide with each other. As a result, the magnetization state of the magnetic layer can be observed by the MTJ element forming the observation part OB. The observation part OB of the present embodiment is provided to observe the magnetization state of the first magnetic layer MG1 as described later.

なお、本実施の形態の観測部OBは、MTJ素子を含む場合を例に説明したが、これに限定されず、巨大磁気抵抗素子を含んでいてもよい。この場合は、第2非磁性体層上に強磁性体金属層および非磁性体金属層を交互に積層する。このような構成において、積層した前記磁性体金属層と前記非磁性体金属層との間に電圧を印加すると、第1磁性体層MG1の磁化状態に応じて、前記磁性体金属層と前記非磁性体金属層との間の抵抗値が変化する。その結果、観測部OBを構成するMTJ素子によって、磁性体層の磁化状態を観測することができる。   Although observation part OB of this embodiment explained the case where an MTJ element was included, for example, it is not limited to this, but a giant magnetoresistive element may be included. In this case, ferromagnetic metal layers and nonmagnetic metal layers are alternately stacked on the second nonmagnetic layer. In such a configuration, when a voltage is applied between the laminated magnetic metal layer and the nonmagnetic metal layer, the magnetic metal layer and the nonmagnetic metal layer are not selected according to the magnetization state of the first magnetic layer MG1. The resistance value with the magnetic metal layer changes. As a result, the magnetization state of the magnetic layer can be observed by the MTJ element forming the observation part OB.

次に、本実施の形態の制御部GTの構造について説明する。制御部GTは、平面視において、略長方形状に形成されている。制御部GTは、第1非磁性体層NM1と、第1非磁性体層NM1上の第1磁性体層MG1と、第1磁性体層MG1上の第2非磁性体層NM2と、第2非磁性体層NM2上に形成された電極M2とからなる。電極M2は、非磁性金属からなり、好ましくは白金(Pt)またはタンタル(Ta)からなる。電極M2の膜厚は、例えば1〜20nm程度であり、好ましくは10nm程度である。磁性材料部MM1の幅寸法と制御部GT(電極M2)の長さ寸法とは同じである。また、磁性材料部MM1の長さ寸法に対する制御部GTの占める長さ(電極M2の幅寸法)は、例えば、10〜50nm程度である。   Next, the structure of control unit GT of the present embodiment will be described. The controller GT is formed in a substantially rectangular shape in plan view. The control unit GT includes a first nonmagnetic layer NM1, a first magnetic layer MG1 on the first nonmagnetic layer NM1, a second nonmagnetic layer NM2 on the first magnetic layer MG1, and a second nonmagnetic layer NM2. And an electrode M2 formed on the nonmagnetic layer NM2. The electrode M2 is made of nonmagnetic metal, preferably platinum (Pt) or tantalum (Ta). The film thickness of the electrode M2 is, for example, about 1 to 20 nm, and preferably about 10 nm. The width dimension of the magnetic material portion MM1 and the length dimension of the control portion GT (electrode M2) are the same. The length occupied by the control part GT (the width dimension of the electrode M2) with respect to the length dimension of the magnetic material part MM1 is, for example, about 10 to 50 nm.

制御部GTに含まれる第1非磁性体層NM1、第1磁性体層MG1および第2非磁性体層NM2は、磁性材料部MM1に含まれる第1非磁性体層NM1、第1磁性体層MG1および第2非磁性体層NM2と同一である。そして、制御部GTに含まれる第1非磁性体層NM1および電極M2が、第1磁性体層MG1および第2非磁性体層NM2に電圧を印加するための一対の電極を構成する。   The first nonmagnetic material layer NM1, the first magnetic material layer MG1 and the second nonmagnetic material layer NM2 included in the control unit GT are the first nonmagnetic material layer NM1 and the first magnetic material layer included in the magnetic material part MM1. The same as MG1 and the second nonmagnetic layer NM2. Then, the first nonmagnetic layer NM1 and the electrode M2 included in the control unit GT constitute a pair of electrodes for applying a voltage to the first magnetic layer MG1 and the second nonmagnetic layer NM2.

ここで、制御部GTに含まれる第1非磁性体層NM1と電極M2との間に電圧を印加すると、第1磁性体層MG1と第2非磁性体層NM2との界面に電圧が印加される。これにより、第1磁性体層MG1と第2非磁性体層NM2との界面の磁気異方性が変化し、第1磁性体層MG1の磁化状態が変調される。以上より、本実施の形態の制御部GTは、第1磁性体層MG1の磁化状態を変調して、第1磁性体層MG1内の磁気的安定性を制御することができる。第1磁性体層MG1と第2非磁性体層NM2との界面に印加する電圧の大きさは、例えば、10〜1000V程度である。   Here, when a voltage is applied between the first nonmagnetic layer NM1 and the electrode M2 included in the control unit GT, a voltage is applied to the interface between the first magnetic layer MG1 and the second nonmagnetic layer NM2. Ru. Thereby, the magnetic anisotropy of the interface between the first magnetic layer MG1 and the second nonmagnetic layer NM2 is changed, and the magnetization state of the first magnetic layer MG1 is modulated. As mentioned above, the control part GT of this Embodiment can modulate the magnetization state of 1st magnetic substance layer MG1, and can control the magnetic stability in 1st magnetic substance layer MG1. The magnitude of the voltage applied to the interface between the first magnetic layer MG1 and the second nonmagnetic layer NM2 is, for example, about 10 to 1000 V.

特に、1〜2nm程度のCoFeBからなる第1磁性体層MG1上にMgOからなる第2非磁性体層NM2を積層することによって、第1磁性体層MG1が面直方向(第1磁性体層MG1の厚さ方向)に磁気異方性を有する。そのため、第1磁性体層MG1の厚さ方向上部に形成された制御部GTの電極間(第1非磁性体層NM1と電極M2との間、以下同じ)に電圧を印加すると、第1磁性体層MG1の磁化状態を効率よく変調することができる。   In particular, by laminating the second nonmagnetic layer NM2 made of MgO on the first magnetic layer MG1 made of CoFeB of about 1 to 2 nm, the first magnetic layer MG1 is directed in a plane perpendicular direction (a first magnetic layer). It has magnetic anisotropy in the thickness direction of MG1. Therefore, when a voltage is applied between the electrodes (between the first nonmagnetic layer NM1 and the electrode M2, hereinafter the same) of the control part GT formed in the upper part in the thickness direction of the first magnetic layer MG1, the first magnetic The magnetization state of the body layer MG1 can be efficiently modulated.

なお、図示しないが、制御部GTには、観測部OBとの間で信号電流の入出力を行うフィードバック回路が形成され、観測部OBと電気的に接続されている。具体的には、観測部OB1,OB2,OB3の各電極間(第1非磁性体層NM1と観測部OB1,OB2,OB3の各電極M1との間、以下同じ)に約1〜50ns周期で電圧を印加する/しないを繰り返して、観測部OB1,OB2,OB3を稼働させる。これにより観測部OB1,OB2,OB3が形成された領域の第1磁性体層MG1の磁化状態を約1〜50ns間隔で観測する。そして、前記フィードバック回路は、観測部OB1,OB2,OB3による第1磁性体層MG1の磁化状態の観測結果に基づいて、制御部GT1,GT2への電圧の印加を制御することができる。   Although not shown, in the control unit GT, a feedback circuit for performing input and output of signal current with the observation unit OB is formed, and is electrically connected to the observation unit OB. Specifically, the interval between the electrodes of the observation parts OB1, OB2 and OB3 (between the first nonmagnetic layer NM1 and the electrodes M1 of the observation parts OB1, OB2 and OB3, the same applies hereinafter) with a period of about 1 to 50 ns The observation units OB1, OB2, and OB3 are operated by repeating application / non-application of voltage. Thereby, the magnetization state of the first magnetic layer MG1 in the region where the observation parts OB1, OB2, OB3 are formed is observed at intervals of about 1 to 50 ns. The feedback circuit can control the application of a voltage to the control units GT1 and GT2 based on the observation result of the magnetization state of the first magnetic layer MG1 by the observation units OB1, OB2, and OB3.

次に、領域AR2に形成された本実施の形態の変換部CVの構造について説明する。変換部CVは、電極M3からなる。電極M3は、他の軌道(s軌道、p軌道、d軌道)よりもスピン軌道相互作用が大きいf軌道に電子を有する非磁性金属からなり、例えば、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)または金(Au)からなり、好ましくは白金(Pt)またはタンタル(Ta)からなる。電極M3は、平面視において、略長方形状に形成され、領域AR1に形成された磁性材料部MM1に含まれる第1磁性体層MG1と、磁性材料部MM1の長さ方向端部に沿って接している。特に、第1磁性体層MG1の膜厚が、磁性材料部MM1の長さ方向に向かうに従って厚くなっているため、変換部CVは、第1磁性体層MG1の長さ方向端部のうち、第1磁性体層MG1の膜厚が最も大きい側に設けられている。   Next, the structure of the conversion unit CV of the present embodiment formed in the region AR2 will be described. The conversion part CV consists of an electrode M3. The electrode M3 is made of a nonmagnetic metal having electrons in the f orbital whose spin orbital interaction is larger than other orbitals (s orbital, p orbital, d orbital), for example, hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten It consists of (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt) or gold (Au), preferably platinum (Pt) or tantalum (Ta). The electrode M3 is formed in a substantially rectangular shape in a plan view, and is in contact with the first magnetic material layer MG1 included in the magnetic material portion MM1 formed in the region AR1 along the longitudinal direction end of the magnetic material portion MM1. ing. In particular, since the film thickness of the first magnetic layer MG1 increases in the longitudinal direction of the magnetic material portion MM1, the conversion portion CV is formed of the end portions in the length direction of the first magnetic layer MG1. It is provided on the side where the film thickness of the first magnetic layer MG1 is the largest.

なお、電極M3は、領域AR1に形成された第1非磁性体層NM1とは電気的に接していない。電極M3の膜厚は、第1磁性体層MG1の膜厚と同じであることが好ましい。変換部CVは、磁気構造体(例えば、後述するスキルミオン)を逆スピンホール効果により電圧(起電力)に変換することができる。具体的には、第1磁性体層MG1に存在する磁気構造体が電極M3に接触すると、電極M3には、磁気構造体の磁気モーメントの方向と垂直な方向に起電力が発生する。   The electrode M3 is not in electrical contact with the first nonmagnetic layer NM1 formed in the region AR1. The film thickness of the electrode M3 is preferably the same as the film thickness of the first magnetic layer MG1. The conversion unit CV can convert a magnetic structure (for example, skyrmion to be described later) into a voltage (electromotive force) by the reverse spin Hall effect. Specifically, when the magnetic structure present in the first magnetic layer MG1 contacts the electrode M3, an electromotive force is generated in the electrode M3 in the direction perpendicular to the direction of the magnetic moment of the magnetic structure.

以上より、本実施の形態の熱電変換装置HD1は、熱ゆらぎによって磁性材料部MM1に生じる磁気構造体を変換部CVによって起電力に変換することによって、熱を磁気エネルギー経由で電気エネルギーとして取り出すことができる。   From the above, the thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment extracts heat as electric energy via magnetic energy by converting the magnetic structure generated in the magnetic material portion MM1 due to thermal fluctuation into an electromotive force by the conversion portion CV. Can.

なお、磁気エネルギーをそのまま利用するために、変換部CVの代わりに、スキルミオンによってスピン波を励起し、このスピン波をMRAM(Magnetoresistive Random Access Memory:磁気抵抗メモリ)の書込または消去に用いるということも可能である。   In order to use magnetic energy as it is, spin waves are excited by skirmions instead of the conversion part CV, and the spin waves are used for writing or erasing of MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory: magnetoresistive memory). It is also possible.

[主要な特徴と効果について]
本実施の形態の熱電変換装置HD1の主要な特徴は、図2に示すように、磁性材料部MM1と、磁性材料部MM1の磁化状態の変化を観測する観測部OBと、磁性材料部MM1の磁化状態を制御する制御部GTと、磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部CVとを備えることである。そして、観測部OBと制御部GTとは、磁性材料部MM1の長さ方向に沿って、交互に複数設けられている。そして、磁性材料部MM1は、第1非磁性体層NM1、第1磁性体層MG1および第2非磁性体層NM2からなり、第1磁性体層MG1の膜厚は、磁性材料部MM1の長さ方向に向かうに従って厚くなっている。そして、変換部CVは、磁性材料部MM1の長さ方向端部のうち、第1磁性体層MG1の膜厚が最も大きい側に設けられている。
[About the main features and effects]
As shown in FIG. 2, the main features of the thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment are the magnetic material portion MM1, the observation portion OB for observing the change in the magnetization state of the magnetic material portion MM1, and the magnetic material portion MM1. A control unit GT that controls the magnetization state and a conversion unit CV that converts magnetic energy into electrical energy are provided. A plurality of observation parts OB and control parts GT are alternately provided along the longitudinal direction of the magnetic material part MM1. The magnetic material portion MM1 is composed of the first nonmagnetic layer NM1, the first magnetic layer MG1 and the second nonmagnetic layer NM2, and the film thickness of the first magnetic layer MG1 is the length of the magnetic material portion MM1. The thickness increases in the longitudinal direction. The conversion portion CV is provided on the side of the end of the magnetic material portion MM1 in the length direction where the film thickness of the first magnetic layer MG1 is the largest.

本実施の形態では、このような構成を採用したことにより、温度差がない状態で排熱をエネルギーとして回収することができる。以下、その理由について具体的に説明する。   In this embodiment, by adopting such a configuration, exhaust heat can be recovered as energy in the state where there is no temperature difference. The reason will be specifically described below.

図4は本実施の形態の磁性材料部に生成するスキルミオンの模式図、図5(a)、図6(a)および図7(a)は本実施の形態の熱電変換装置の動作原理図、図5(b)、図6(b)および図7(b)は本実施の形態の熱電変換装置において、図5(a)、図6(a)および図7(a)にそれぞれ対応するポテンシャル図である。また、図6(c)は、図6(b)において、制御部の電極間に電圧を印加した状態を示すポテンシャル図である。図7(c)は、図7(b)において、制御部の電極間に電圧を印加した状態を示すポテンシャル図である。図7(d)は、図7(c)においてさらにスキルミオンが発生した状態を示すポテンシャル図である。   FIG. 4 is a schematic view of skyrmions formed in the magnetic material portion of the present embodiment, and FIGS. 5A, 6A and 7A are operation principle diagrams of the thermoelectric conversion device of the present embodiment. FIGS. 5 (b), 6 (b) and 7 (b) correspond to FIGS. 5 (a), 6 (a) and 7 (a), respectively, in the thermoelectric conversion device of this embodiment. It is a potential diagram. FIG. 6 (c) is a potential diagram showing a state in which a voltage is applied between the electrodes of the control unit in FIG. 6 (b). FIG.7 (c) is a potential figure which shows the state which applied the voltage between the electrodes of a control part in FIG.7 (b). FIG. 7 (d) is a potential diagram showing a state where skirmion has further occurred in FIG. 7 (c).

前述したように、熱によって常にランダムに運動している粒子または準粒子を、熱のキャリアとして用いるため、本発明者は、磁気構造体の一つであるスキルミオン(skyrmion:磁気スキルミオン、スカーミオンともよばれる)に着目した。図4に示すように、スキルミオンは、直径Dが数nm〜数百nmの大きさの渦状の磁気構造体である。スキルミオンは磁性薄膜中で有限な質量を有する安定な準粒子として振る舞うことが知られている。スキルミオンが好ましい理由としては、(1)スキルミオンが観測しやすいある程度の大きさを持つこと、(2)スキルミオンが熱ゆらぎ程度のエネルギーにより生成し、常温である程度安定して存在すること、(3)スキルミオンが電場や磁場によって容易に制御できることなどが挙げられる。   As described above, in order to use particles or quasiparticles, which are always randomly moved by heat, as a carrier of heat, the present inventors have developed a skyrmion which is one of the magnetic structures (skyrmion, skyrmion). (It is also called). As shown in FIG. 4, skyrmions are vortex-like magnetic structures having a diameter D of several nanometers to several hundreds of nanometers. Skirmions are known to behave as stable quasiparticles with finite mass in magnetic thin films. The reason why skyrmion is preferable is that (1) the skyrmion has a size that is easy to observe, (2) the skyrmion is generated by energy of the thermal fluctuation level, and is stably present at normal temperature, (3) It can be mentioned that the skyrmion can be easily controlled by an electric field or a magnetic field.

スキルミオンを生成させるには、磁性体層(磁性体薄膜)を2つの非磁性体層(非磁性体薄膜)で挟持した構造が必要である。磁性体層は、強い磁気交換相互作用を有する材料、すなわち強磁性体材料により構成する必要がある。また、2つの非磁性体層は、互いに異なる材料により構成し、少なくとも一方の非磁性体層は、他の軌道(s軌道、p軌道、d軌道)よりもスピン軌道相互作用の大きいf軌道に電子を有する非磁性体材料により構成する必要がある。   In order to generate skirmions, a structure in which a magnetic layer (magnetic thin film) is sandwiched by two nonmagnetic layers (nonmagnetic thin films) is required. The magnetic layer should be made of a material having strong magnetic exchange interaction, that is, a ferromagnetic material. Also, the two nonmagnetic layers are made of materials different from each other, and at least one of the nonmagnetic layers is in the f orbital having larger spin orbital interaction than the other orbitals (s orbital, p orbital, d orbital) It is necessary to constitute by the nonmagnetic material which has an electron.

まず、磁性体層を強磁性体材料により構成することで、磁性体層は、結晶磁気異方性を有し、磁気モーメントが平行に揃った磁化状態となる。また、異なる材料からなる2つの非磁性体層により磁性体層を挟持することにより、2つの磁性体層−非磁性体層界面は、空間的に非対称となる(反転対称性をもたない)。空間的に非対称な界面が形成されると、非磁性体層のスピン軌道相互作用により、磁性体層−非磁性体層界面付近にジャロシンスキー・守谷相互作用が生じる。ジャロシンスキー・守谷相互作用は、磁性体層−非磁性体層界面において、磁性体層に働く磁気交換相互作用を変調させる。特に、磁性体層が数原子層で形成された薄膜である場合には、界面から磁性体層の表面までジャロシンスキー・守谷相互作用が及ぶ。変調された磁気交換相互作用により、磁性体層の磁気モーメントは、平行に揃うよりも捩れた状態が安定となる。このようにして、磁性体層中にスキルミオンが生成する。   First, when the magnetic layer is made of a ferromagnetic material, the magnetic layer has a magnetocrystalline anisotropy and is in a magnetized state in which magnetic moments are aligned in parallel. In addition, by sandwiching the magnetic layer by two nonmagnetic layers made of different materials, the interface between the two magnetic layers and the nonmagnetic layer is spatially asymmetric (does not have inversion symmetry) . When the spatially asymmetric interface is formed, the spin orbit interaction of the nonmagnetic layer causes the Jaroshinski-Moriya interaction near the magnetic layer / nonmagnetic layer interface. The Jaroshinski-Moriya interaction modulates the magnetic exchange interaction acting on the magnetic layer at the magnetic layer-nonmagnetic layer interface. In particular, when the magnetic layer is a thin film formed of several atomic layers, the Jarosinski-Moriya interaction extends from the interface to the surface of the magnetic layer. Due to the modulated magnetic exchange interaction, the magnetic moments of the magnetic layers become more stable in torsion than they are parallel. Thus, skirmions are generated in the magnetic layer.

本実施の形態の熱電変換装置HD1は、磁性材料部MM1内にスキルミオンを生成させるのに適した構造を有している。すなわち、磁性材料部MM1は、第1非磁性体層NM1、第1磁性体層MG1および第2非磁性体層NM2からなる。そして、第1磁性体層MG1は、強磁性体材料からなる。さらに、第1非磁性体層NM1は、他の軌道(s軌道、p軌道、d軌道)よりもスピン軌道相互作用の大きいf軌道に電子を有する非磁性金属からなる。そして、第1非磁性体層NM1と第2非磁性体層NM2とは異なる材料からなる。こうすることで、第1非磁性体層NM1および第1磁性体層MG1の界面と、第1磁性体層MG1および第2非磁性体層NM2の界面とは、空間的に非対称となり、第1磁性体層MG1に働く磁気交換相互作用がジャロシンスキー・守谷相互作用により変調される。その結果、図4および図5(a)に示すように、第1磁性体層MG1中にスキルミオンSKが生成する。   The thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment has a structure suitable for generating skirmions in the magnetic material portion MM1. That is, the magnetic material portion MM1 includes the first nonmagnetic layer NM1, the first magnetic layer MG1, and the second nonmagnetic layer NM2. The first magnetic layer MG1 is made of a ferromagnetic material. Furthermore, the first nonmagnetic layer NM1 is made of a nonmagnetic metal having electrons in the f orbital larger in spin-orbit interaction than the other orbitals (s orbital, p orbital, d orbital). The first nonmagnetic layer NM1 and the second nonmagnetic layer NM2 are made of different materials. By doing this, the interface between the first nonmagnetic layer NM1 and the first magnetic layer MG1 and the interface between the first magnetic layer MG1 and the second nonmagnetic layer NM2 become spatially asymmetric, and the first The magnetic exchange interaction acting on the magnetic layer MG1 is modulated by the Jarosinski-Moriya interaction. As a result, as shown in FIGS. 4 and 5A, skirmion SK is generated in the first magnetic layer MG1.

なお、本実施の形態の磁性材料部MM1は、CoFeBからなる第1磁性体層MG1と酸化マグネシウムからなる第2非磁性体層NM2との積層構造を有している。こうすることで、第1磁性体層MG1は面直方向(第1磁性体層MG1の厚さ方向)に磁気異方性を有する。すなわち、図4に示すように、第1磁性体層MG1中の磁気モーメントは垂直方向(図4中z軸方向)に揃った磁化状態となる。その結果、この状態で第1磁性体層MG1にジャロシンスキー・守谷相互作用が及ぶと、第1磁性体層MG1中にスキルミオンSKが生成しやすくなる。   The magnetic material portion MM1 of the present embodiment has a laminated structure of a first magnetic layer MG1 made of CoFeB and a second nonmagnetic layer NM2 made of magnesium oxide. By doing this, the first magnetic layer MG1 has magnetic anisotropy in the direction perpendicular to the surface (the thickness direction of the first magnetic layer MG1). That is, as shown in FIG. 4, the magnetic moment in the first magnetic layer MG1 is in a magnetization state aligned in the perpendicular direction (z-axis direction in FIG. 4). As a result, when the Jaroshinski-Moriya interaction is extended to the first magnetic layer MG1 in this state, skirmion SK is easily generated in the first magnetic layer MG1.

この第1磁性体層MG1中に生成したスキルミオンSKを変換部CVまで移動させることができれば、磁気エネルギーを電気エネルギーとして取り出すことができる。ただし、スキルミオンSKが等方的なポテンシャル中を移動するだけでは、利得が得られない。また、第1磁性体層MG1に生成したスキルミオンSKは、第1磁性体層MG1中を熱ゆらぎによってランダムに移動するため、スキルミオンSKが変換部CVまで移動する確率は低い。そこで、スキルミオンが持つ磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を高めるため、本実施の形態の熱電変換装置HD1は以下の特徴を有している。   If the skyrmion SK generated in the first magnetic layer MG1 can be moved to the conversion portion CV, magnetic energy can be extracted as electric energy. However, gain can not be obtained just by moving the skyrmion SK through the isotropic potential. In addition, since the skyrmions SK generated in the first magnetic layer MG1 randomly move in the first magnetic layer MG1 due to thermal fluctuation, the probability of the skyrmions SK moving to the conversion portion CV is low. Therefore, in order to enhance the efficiency of converting the magnetic energy possessed by Skirmion into electrical energy, the thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment has the following features.

まず、スキルミオンに対して、非等方的なポテンシャルを用意する。前述したように、スキルミオンは、磁気交換相互作用とジャロシンスキー・守谷相互作用との競合により生成するため、どちらかの相互作用が大きくなりすぎると、スキルミオンが安定して存在しなくなる。そこで、スキルミオンが安定に存在できる範囲で、磁気交換相互作用またはジャロシンスキー・守谷相互作用のいずれかを徐々に大きくできるような構造を形成することができれば、スキルミオンに対して非等方的なポテンシャルを形成できる。   First, prepare anisotropic potential for skyrmion. As described above, skirmions are generated by the competition between the magnetic exchange interaction and the Jaroshinski-Moriya interaction, so if one of the interactions becomes too large, the skirmions do not exist stably. Therefore, if it is possible to form a structure capable of gradually increasing either the magnetic exchange interaction or the Jaroshinski-Moriya interaction within the range where the skyrmion can be stably present, it is anisotropic to the skyrmion. Potential can be formed.

そこで、図2に示すように、本実施の形態では、第1非磁性体層NM1の膜厚を一定にしつつ、第1磁性体層MG1の膜厚を磁性材料部MM1の長さ方向に向かうに従って厚くなるように構成している。第1磁性体層MG1は、強磁性体材料からなるため、第1磁性体層MG1の膜厚が大きくなるにつれて、磁気交換相互作用が大きくなる。すなわち、第1磁性体層MG1の膜厚が大きくなるにつれて、スキルミオンSKに対するポテンシャルが大きくなる。そのため、図5(a)および図5(b)に示すように、磁性材料部MM1の長さ方向に沿って、スキルミオンSKに対するポテンシャル勾配を形成することができる。   Therefore, as shown in FIG. 2, in the present embodiment, the film thickness of the first magnetic layer MG1 is directed in the longitudinal direction of the magnetic material portion MM1 while the film thickness of the first nonmagnetic layer NM1 is constant. It is configured to be thicker according to. Since the first magnetic layer MG1 is made of a ferromagnetic material, the magnetic exchange interaction increases as the film thickness of the first magnetic layer MG1 increases. That is, as the film thickness of the first magnetic layer MG1 increases, the potential for the skirmion SK increases. Therefore, as shown in FIGS. 5A and 5B, a potential gradient with respect to the skirmion SK can be formed along the longitudinal direction of the magnetic material portion MM1.

その結果、第1磁性体層MG1に生成したスキルミオンSKは、熱ゆらぎにより第1磁性体層MG1中をランダムに移動するが、第1磁性体層MG1の膜厚の大きい箇所へ移動すればするほど、スキルミオンSKのもつ磁気エネルギーが大きくなる。例えば、図5(a)および図6(a)に示すように、スキルミオンSKが第1磁性体層MG1の観測部OB1が形成された領域(以下、観測部OB1形成領域と称する)から観測部OB2が形成された領域(以下、観測部OB2形成領域と称する)に移動すると、図5(b)および図6(b)に示すように、スキルミオンSKのもつ磁気エネルギーが上昇することがわかる。   As a result, the skyrmions SK generated in the first magnetic layer MG1 move randomly in the first magnetic layer MG1 due to thermal fluctuation, but move to a location where the film thickness of the first magnetic layer MG1 is large. As it does, the magnetic energy which Skirmion SK has becomes large. For example, as shown in FIGS. 5A and 6A, the skyrmion SK is observed from a region where the observation portion OB1 of the first magnetic layer MG1 is formed (hereinafter referred to as an observation portion OB1 formation region) As shown in FIGS. 5 (b) and 6 (b), the magnetic energy of the skyrmion SK increases when moving to the area where the part OB2 is formed (hereinafter referred to as the observation part OB2 formation area). Recognize.

次に、図2に示すように、本実施の形態では、磁性材料部MM1の長さ方向に沿って、複数の観測部OBを設けている。前述したように、本実施の形態の観測部OBは、第1磁性体層MG1の磁化状態を観測するためのものである。具体的な観測方法は以下の通りである。図5(a)に示すように、第1磁性体層MG1中にスキルミオンSKが生成した場合を考える。この際、観測部OB1,OB2,OB3の各電極間に電圧を印加する。その結果、スキルミオンSKが存在する観測部OB1では、スキルミオンSKが存在しないときに比べて、観測部OB1の電極間の抵抗値が小さくなる。これにより、第1磁性体層MG1中の観測部OB1形成領域にスキルミオンSKが存在することがわかる。   Next, as shown in FIG. 2, in the present embodiment, a plurality of observation portions OB are provided along the longitudinal direction of the magnetic material portion MM1. As described above, the observation unit OB of the present embodiment is for observing the magnetization state of the first magnetic layer MG1. The specific observation method is as follows. As shown in FIG. 5A, consider the case where skirmion SK is generated in the first magnetic layer MG1. At this time, a voltage is applied between the electrodes of the observation units OB1, OB2, and OB3. As a result, in the observation unit OB1 in which the skyrmion SK is present, the resistance value between the electrodes of the observation unit OB1 is smaller than in the absence of the skyrmion SK. From this, it can be seen that skirmion SK is present in the observation area OB1 formation region in the first magnetic layer MG1.

また、図6(a)に示すように、第1磁性体層MG1中に生成したスキルミオンSKが、観測部OB1形成領域から観測部OB2形成領域に移動した場合を考える。前述と同様に、観測部OB1,OB2,OB3の各電極M1に電圧を印加する。その結果、スキルミオンSKが存在しなくなった観測部OB1では、観測部OB1の電極間の抵抗値が増大し、スキルミオンSKが存在する観測部OB2では、観測部OB2の電極間の抵抗値が減少する。これにより、第1磁性体層MG1中の観測部OB1形成領域から観測部OB2形成領域へとスキルミオンSKが移動したことがわかる。   Further, as shown in FIG. 6A, consider the case where the skyrmion SK generated in the first magnetic layer MG1 moves from the formation area of the observation part OB1 to the formation area of the observation part OB2. As described above, a voltage is applied to each electrode M1 of the observation units OB1, OB2, and OB3. As a result, in the observation unit OB1 in which the skyrmion SK is not present, the resistance value between the electrodes of the observation unit OB1 increases, and in the observation unit OB2 in which the skyrmion SK is present, the resistance value between the electrodes of the observation unit OB2 is Decrease. From this, it can be seen that the skyrmion SK has moved from the observation portion OB1 formation region in the first magnetic layer MG1 to the observation portion OB2 formation region.

また、図7(a)に示すように、第1磁性体層MG1中に生成したスキルミオンSKが、観測部OB2形成領域から観測部OB3が形成された領域(以下、観測部OB3形成領域と称する)に移動した場合を考える。前述と同様に、観測部OB1,OB2,OB3の各電極M1に電圧を印加する。その結果、スキルミオンSKが存在しなくなった観測部OB2では、観測部OB2の電極間の抵抗値が増大し、スキルミオンSKが存在する観測部OB3では、観測部OB3の電極間の抵抗値が減少する。また、スキルミオンSKが存在しない観測部OB1では、観測部OB1の電極間の抵抗値は変化しない。これにより、第1磁性体層MG1中の観測部OB2形成領域から観測部OB3形成領域へとスキルミオンSKが移動したことがわかる。   Further, as shown in FIG. 7A, the skyrmion SK generated in the first magnetic layer MG1 is a region where the observation portion OB3 is formed from the observation portion OB2 formation region (hereinafter referred to as the observation portion OB3 formation region Consider the case of moving to As described above, a voltage is applied to each electrode M1 of the observation units OB1, OB2, and OB3. As a result, in the observation unit OB2 where the skyrmion SK is not present, the resistance value between the electrodes of the observation unit OB2 increases, and in the observation unit OB3 where the skyrmion SK is present, the resistance value between the electrodes of the observation unit OB3 is Decrease. Further, in the observation unit OB1 in which the skyrmion SK does not exist, the resistance value between the electrodes of the observation unit OB1 does not change. Thus, it can be seen that the skyrmion SK has moved from the formation area of the observation part OB2 in the first magnetic layer MG1 to the formation area of the observation part OB3.

以上のように、磁性材料部MM1の磁化構造を、磁性材料部MM1の長さ方向に沿って設けた観測部OB1,OB2,OB3によって観測することによって、磁性材料部MM1内におけるスキルミオンSKの生成およびスキルミオンSKの移動を把握することができる。なお、前述のように、熱電変換装置HD1の観測部OBの数は限定されないが、少なくとも3箇所の観測部OB1,OB2,OB3が形成されていることが好ましい。スキルミオンSKの検出を容易かつ正確に行うためには、複数の観測部OB間の間隔寸法はできるだけ短い方が好ましい。   As described above, the observation of the magnetization structure of the magnetic material portion MM1 by the observation portions OB1, OB2, and OB3 provided along the longitudinal direction of the magnetic material portion MM1 enables the observation of the skyrmion SK in the magnetic material portion MM1. It is possible to grasp the generation and movement of Skillmion SK. As mentioned above, although the number of observation parts OB of thermoelectric conversion device HD1 is not limited, it is preferred that at least three observation parts OB1, OB2, and OB3 are formed. In order to detect the skyrmion SK easily and accurately, it is preferable that the distance between the observation units OB be as short as possible.

次に、図2に示すように、本実施の形態では、磁性材料部MM1の長さ方向に沿って、複数の制御部GTを設けている。特に、制御部GTは、磁性材料部MM1の長さ方向に沿って、観測部OBと交互に配置されている。前述したように、本実施の形態の制御部GTは、第1磁性体層MG1の磁化状態を変調して、第1磁性体層MG1内の磁気的安定性を制御するためのものである。   Next, as shown in FIG. 2, in the present embodiment, a plurality of control parts GT are provided along the longitudinal direction of the magnetic material part MM1. In particular, the control parts GT are alternately arranged with the observation parts OB along the longitudinal direction of the magnetic material part MM1. As described above, the control unit GT of the present embodiment is for modulating the magnetization state of the first magnetic layer MG1 to control the magnetic stability in the first magnetic layer MG1.

この磁気的安定性の具体的な制御方法は以下の通りである。図6(a)に示すように、スキルミオンSKが、第1磁性体層MG1中の観測部OB2形成領域に存在するとする。このときのスキルミオンSKに対するポテンシャルは、図6(b)に示される。ここで、制御部GT1の電極間に電圧を印加する。これにより、図6(c)に示すように、第1磁性体層MG1と第2非磁性体層NM2との界面の磁気異方性が変化し、第1磁性体層MG1中の制御部GT1が形成された領域(以下、制御部GT1形成領域と称する)のスキルミオンSKに対するポテンシャルが上昇する。すなわち、制御部GT1の電極間に電圧を印加すると、スキルミオンSKが第1磁性体層の制御部GT1形成領域に侵入することが難しくなる。   The specific control method of this magnetic stability is as follows. As shown in FIG. 6A, it is assumed that skirmion SK is present in the observation portion OB2 formation region in the first magnetic layer MG1. The potential for skyrmion SK at this time is shown in FIG. 6 (b). Here, a voltage is applied between the electrodes of the control unit GT1. Thereby, as shown in FIG. 6C, the magnetic anisotropy of the interface between the first magnetic layer MG1 and the second nonmagnetic layer NM2 is changed, and the control portion GT1 in the first magnetic layer MG1 is changed. The potential for the skyrmion SK of the region in which (1) is formed (hereinafter referred to as the control unit GT1 formation region) is increased. That is, when a voltage is applied between the electrodes of the control unit GT1, it becomes difficult for the skyrmion SK to intrude into the control unit GT1 formation region of the first magnetic layer.

一方、制御部GT1の電極間に電圧を印加するのをやめると、制御部GT1形成領域のスキルミオンSKに対するポテンシャルは低下し、図6(b)に示すように、制御部GT1への電圧印加前の状態に戻る。このように、制御部GT1は、制御部GT1の電極間への電圧印加により、スキルミオンSKの第1磁性体層MG1中の移動を制御するゲートとして作用する。以下、制御部GT2に関しても、同様の機構により、第1磁性体層MG1の磁気的安定性を制御することができる。   On the other hand, when the application of the voltage between the electrodes of the control unit GT1 is stopped, the potential of the control unit GT1 formation region with respect to the skyrmion SK decreases, and the voltage application to the control unit GT1 as shown in FIG. Return to the previous state. As described above, the control unit GT1 acts as a gate that controls the movement of the skirmion SK in the first magnetic layer MG1 by applying a voltage between the electrodes of the control unit GT1. The magnetic stability of the first magnetic layer MG1 can be controlled by the same mechanism in the control unit GT2 hereinafter.

以下、制御部GTによって、スキルミオンSKを制御する具体例を説明する。図6(a)に示すように、第1磁性体層MG1中に生成したスキルミオンSKが、観測部OB1形成領域から観測部OB2形成領域に移動した場合を考える。図6(b)に示すように、観測部OB2形成領域に移動したスキルミオンSKは、観測部OB1形成領域に存在したスキルミオン(以下、スキルミオンSK101と称する)よりもエネルギーが大きくなっている。   Hereinafter, a specific example in which the control unit GT controls the skillion SK will be described. As shown in FIG. 6A, consider the case where the skyrmion SK generated in the first magnetic layer MG1 moves from the formation area of the observation part OB1 to the formation area of the observation part OB2. As shown in FIG. 6B, the energy of the skyrmion SK moved to the observation area OB2 formation area is larger than that of the skylmion (hereinafter referred to as skylmion SK101) existing in the observation area OB1 formation area. .

この際、前述のように、制御部GTが、観測部OBの観測結果に基づいて、スキルミオンSKが、第1磁性体層MG1中の観測部OB2形成領域に存在することを把握すると、観測部OB2形成領域よりも小さいポテンシャルエネルギー側にある制御部GT1の電極間に電圧を印加する。これにより、図6(c)に示すように、第1磁性体層MG1中の制御部GT1形成領域のスキルミオンSKに対するポテンシャルが上昇する。すなわち、制御部GT1の電極間に電圧を印加すると、スキルミオンSKが第1磁性体層の制御部GT1形成領域に侵入することが難しくなり、スキルミオンSKは、観測部OB2形成領域よりも小さいポテンシャルエネルギー側に移動する確率が非常に低くなる。その結果、スキルミオンSKが観測部OB1形成領域に戻ることができないため、スキルミオンSK101とスキルミオンSKとのエネルギー差、すなわち、スキルミオンSKが第1磁性体層MG1中の観測部OB1形成領域から観測部OB2形成領域に移動するために吸収した熱が利得ΔE1としてスキルミオンSKに蓄積されたことになる。   At this time, as described above, when the control unit GT grasps that the skyrmion SK exists in the observation unit OB2 formation region in the first magnetic layer MG1 based on the observation result of the observation unit OB, observation is performed. A voltage is applied between the electrodes of the control part GT1 located on the potential energy side smaller than the part OB2 formation region. As a result, as shown in FIG. 6C, the potential of the control portion GT1 formation region in the first magnetic layer MG1 with respect to the skyrmion SK is increased. That is, when a voltage is applied between the electrodes of the control unit GT1, it becomes difficult for the skyrmion SK to intrude into the control unit GT1 formation region of the first magnetic layer, and the skyrmion SK is smaller than the observation region OB2 formation region The probability of moving to the potential energy side is very low. As a result, since the skyrmion SK can not return to the observation area OB1 formation area, the energy difference between the skyrmion SK101 and the skyrmion SK, ie, the observation area OB1 formation area in the first magnetic layer MG1 The heat absorbed to move to the observation part OB2 formation region is accumulated in the skyrmion SK as a gain .DELTA.E1.

また、図7(a)に示すように、第1磁性体層MG1中に生成したスキルミオンSKが、観測部OB2形成領域から観測部OB3形成領域に移動した場合を考える。図7(b)に示すように、観測部OB3形成領域に移動したスキルミオンSKは、観測部OB2形成領域に存在したスキルミオン(以下、スキルミオンSK102と称する)よりもエネルギーが大きくなっている。   Further, as shown in FIG. 7A, consider the case where the skyrmion SK generated in the first magnetic layer MG1 moves from the formation area of the observation part OB2 to the formation area of the observation part OB3. As shown in FIG. 7B, the energy of the skyrmion SK moved to the observation area OB3 formation area is larger than that of the skyrmion (hereinafter referred to as skylmion SK102) existing in the observation area OB2 formation area. .

この際、前述と同様に、制御部GTが、観測部OBの観測結果に基づいて、スキルミオンSKが、第1磁性体層MG1中の観測部OB3形成領域に存在することを把握すると、観測部OB3形成領域よりも小さいポテンシャルエネルギー側にある制御部GT2の電極間に電圧を印加する。これにより、図7(c)に示すように、前述と同様に制御部GT2が形成された領域(以下、制御部GT2形成領域)のスキルミオンSKに対するポテンシャルが上昇し、スキルミオンSKは、観測部OB3形成領域よりも小さいポテンシャルエネルギー側に移動する確率が非常に低くなる。その結果、スキルミオンSKが観測部OB2形成領域に戻ることができないため、スキルミオンSK102とスキルミオンSKとのエネルギー差、すなわち、スキルミオンSKが第1磁性体層MG1中の観測部OB2形成領域から観測部OB3形成領域に移動するために吸収した熱が利得ΔE2としてスキルミオンSKに蓄積されたことになる。なお、スキルミオンSKが第1磁性体層MG1中の観測部OB2形成領域から観測部OB1形成領域に戻ってしまうことがないように、制御部GT2の電極間に電圧を印加するまでは、制御部GT1の電極間に電圧をかけた状態を維持することが好ましい。   At this time, in the same manner as described above, when the control unit GT determines that the skyrmion SK exists in the region where the observation portion OB3 is formed in the first magnetic layer MG1 based on the observation result of the observation portion OB, observation is performed. A voltage is applied between the electrodes of the control unit GT2 located on the potential energy side smaller than the region where the unit OB3 is formed. As a result, as shown in FIG. 7C, the potential of the region in which the control unit GT2 is formed (hereinafter referred to as the control unit GT2 formation region) with respect to the skyrmion SK increases as described above, and the skyrmion SK is observed The probability of moving to the side of the potential energy smaller than the formation area of the part OB3 is very low. As a result, since the skyrmion SK can not return to the observation area OB2 formation area, the energy difference between the skyrmion SK102 and the skyrmion SK, ie, the observation area OB2 formation area in the first magnetic layer MG1 The heat absorbed to move to the observation part OB3 formation region is accumulated in the skyrmion SK as a gain .DELTA.E2. Note that control is performed until a voltage is applied between the electrodes of the control unit GT2 so that the skyrmion SK does not return to the observation unit OB1 formation region from the observation unit OB2 formation region in the first magnetic layer MG1. It is preferable to maintain a state in which a voltage is applied between the electrodes of part GT1.

以上のように、磁性材料部MM1の磁気的安定性を、磁性材料部MM1の長さ方向に沿って設けた制御部GT1,GT2によって制御することによって、磁性材料部MM1内におけるスキルミオンSKの移動を制御することができる。   As described above, by controlling the magnetic stability of the magnetic material portion MM1 by the control portions GT1 and GT2 provided along the longitudinal direction of the magnetic material portion MM1, the magnetic stability of the skyrmion SK in the magnetic material portion MM1 is controlled. Movement can be controlled.

次に、図2に示すように、本実施の形態では、変換部CVは、磁性材料部MM1の長さ方向端部のうち、第1磁性体層MG1の膜厚が最も大きい側に隣接して設けている。前述のように、第1磁性体層MG1中の観測部OB3形成領域に存在するスキルミオンSKは、制御部GT2により観測部OB2形成領域に移動する確率が非常に低くなっている。そのため、スキルミオンSKは、第1磁性体層MG1の観測部OB3形成領域に隣接する変換部CVの電極M3に接触する確率が高くなっている。スキルミオンSKが電極M3に接触した場合には、逆スピンホール効果によりスキルミオンSKが消滅すると共に、電極M3に起電力が発生する。以上のように、観測部OB3形成領域に隣接する変換部CVによって、スキルミオンSKのもつ磁気エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。前述のように、スキルミオンSKが第1磁性体層MG1中の観測部OB1形成領域から観測部OB3形成領域に移動し、その後に変換部CVに到達したとすれば、図7(c)に示すように、スキルミオンに蓄積された利得ΔE3を電気エネルギーとして取り出すことができる。   Next, as shown in FIG. 2, in the present embodiment, the conversion portion CV is adjacent to the side of the magnetic material portion MM1 in the lengthwise direction where the film thickness of the first magnetic layer MG1 is largest. Provided. As described above, the skyrmion SK existing in the observation portion OB3 formation region in the first magnetic layer MG1 has a very low probability of moving to the observation portion OB2 formation region by the control portion GT2. Therefore, the skyrmion SK has a high probability of contacting the electrode M3 of the conversion unit CV adjacent to the observation region OB3 formation region of the first magnetic layer MG1. When the skyrmion SK contacts the electrode M3, the inverse spin Hall effect causes the skyrmion SK to disappear and an electromotive force is generated at the electrode M3. As described above, the magnetic energy of the skyrmion SK can be converted into electrical energy by the conversion unit CV adjacent to the observation unit OB3 formation region. As described above, if the skyrmion SK moves from the formation area of the observation part OB1 in the first magnetic layer MG1 to the formation area of the observation part OB3 and then reaches the conversion part CV, as shown in FIG. As shown, the gain ΔE3 stored in the skyrmion can be extracted as electrical energy.

以上をまとめると、本実施の形態の熱電変換装置HD1は、スキルミオンSKの移動方向にポテンシャル勾配を有する第1磁性体層MG1中をスキルミオンSKが移動できるようにすることで、スキルミオンSKのもつエネルギーを変化させることができる。そして、観測部OB1,OB2,OB3によってスキルミオンSKの移動を観測しながら制御部GT1,GT2によってスキルミオンSKの移動を制御することで、スキルミオンSKにエネルギーを蓄積することができる。そして、スキルミオンSKに蓄積されたエネルギーを変換部CVにより、電気エネルギーとして取り出すことができる。このようにして、本実施の形態の熱電変換装置HD1は、温度差がない状態で熱をエネルギーとして回収することができる。   Summarizing the above, the thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment enables the skyrmion SK to move through the first magnetic layer MG1 having a potential gradient in the direction of movement of the skyrmion SK, thereby making the skyrmion SK Can change the energy of The energy can be accumulated in the skillion SK by controlling the movement of the skillion SK by the control units GT1 and GT2 while observing the movement of the skillion SK by the observation units OB1, OB2, and OB3. Then, the energy stored in the skyrmion SK can be taken out as electric energy by the conversion unit CV. Thus, the thermoelectric conversion device HD1 of the present embodiment can recover heat as energy without a temperature difference.

なお、第1磁性体層MG1に1つのスキルミオンSKが存在する場合を例に説明したが、これに限定されず、第1磁性体層MG1には、複数のスキルミオンを同時に存在させることができる。例えば、図7(d)に示すように、第1磁性体層MG1中の観測部OB1形成領域に、新たなスキルミオンSK2が生成した場合を考える。この場合は、制御部GT2の電極間に電圧を印加してスキルミオンSKを観測部OB3形成領域に閉じ込めながら、スキルミオンSK2が、観測部OB2形成領域に移動するのを観測する。そして、その観測結果に基づいて、制御部GT1の電極間に電圧を印加して、スキルミオンSK2を観測部OB2形成領域に閉じ込める。このようにして、複数のスキルミオンを同時に制御することができる。ただし、スキルミオンSKを容易に制御するという観点から、スキルミオンSKは、第1磁性体層MG1中の観測部OBが形成された領域ごとに1つずつ生成させることが好ましい。第1非磁性体層NM1、第1磁性体層MG1および第2非磁性体層NM2のそれぞれの膜厚を最適化することにより、第1磁性体層MG1中の観測部OBが形成された領域ごとに1つずつ生成させることができる。   Although the case where one skirmion SK exists in the first magnetic layer MG1 has been described as an example, the present invention is not limited to this, and a plurality of skirmions may be simultaneously present in the first magnetic layer MG1. it can. For example, as shown in FIG. 7D, a case will be considered where a new skirmion SK2 is generated in the area where the observation part OB1 is formed in the first magnetic layer MG1. In this case, while the voltage is applied between the electrodes of the control unit GT2 to confine the skyrmion SK in the observation area OB3 formation area, the movement of the skyrmion SK2 to the observation area OB2 formation area is observed. And based on the observation result, a voltage is applied between the electrodes of control part GT1, and skyrmion SK2 is confined in observation part OB2 formation field. In this way, multiple skill mions can be controlled simultaneously. However, from the viewpoint of easily controlling the skirmion SK, it is preferable that the skirmion SK be generated one by one in each of the areas in the first magnetic layer MG1 in which the observation part OB is formed. By optimizing the film thickness of each of the first nonmagnetic layer NM1, the first magnetic layer MG1, and the second nonmagnetic layer NM2, a region where the observation portion OB is formed in the first magnetic layer MG1 You can generate one for each.

また、図3(a)に示すように、本実施の形態では、第1磁性体層MG1の幅方向両端に、障壁部BA1,BA2が形成され、第1磁性体層MG1の幅方向中央に、障壁部BA1,BA2に挟まれるように、スキルミオン生成部SPが形成されている。そして、障壁部BA1,BA2に含まれる第1磁性体層MG1の膜厚は、スキルミオン生成部SPに含まれる第1磁性体層MG1の膜厚よりも大きい。前述のように、第1磁性体層MG1は、強磁性体材料からなるため、第1磁性体層MG1の膜厚が大きくなると、磁気交換相互作用が大きくなる。すなわち、第1磁性体層MG1の膜厚が大きくなると、スキルミオンSKに対するポテンシャルが大きくなる。   Further, as shown in FIG. 3A, in the present embodiment, the barrier portions BA1 and BA2 are formed at both ends in the width direction of the first magnetic layer MG1, and the widthwise center of the first magnetic layer MG1 is formed. The skillmion generation unit SP is formed so as to be sandwiched between the barrier units BA1 and BA2. The film thickness of the first magnetic layer MG1 included in the barrier portions BA1 and BA2 is larger than the film thickness of the first magnetic layer MG1 included in the skyrmion generating portion SP. As described above, since the first magnetic layer MG1 is made of a ferromagnetic material, when the film thickness of the first magnetic layer MG1 becomes large, the magnetic exchange interaction becomes large. That is, when the film thickness of the first magnetic layer MG1 is increased, the potential for the skirmion SK is increased.

そのため、図3(b)に示すように、磁性材料部MM1の幅方向において、障壁部BA1,BA2が形成された領域(以下、障壁部BA1,BA2形成領域と称する)のスキルミオンSKに対するポテンシャルの大きさが、スキルミオン生成部SPが形成された領域(以下、スキルミオン生成部SP形成領域と称する)に比べて大きくなる(いわゆる井戸型ポテンシャル)。これにより、第1磁性体層MG1に存在するスキルミオンSKは、磁性材料部MM1の幅方向において、スキルミオン生成部SP形成領域には安定して存在できる一方、障壁部BA1,BA2形成領域に侵入することが難しくなる。   Therefore, as shown in FIG. 3B, in the width direction of the magnetic material portion MM1, the potential of the region where the barrier portions BA1 and BA2 are formed (hereinafter referred to as the barrier portion BA1 and BA2 formation region) to the skyrmion SK. Is larger than a region in which the skyrmion generation portion SP is formed (hereinafter referred to as a skyrmion generation portion SP formation region) (a so-called well potential). As a result, the skyrmions SK present in the first magnetic layer MG1 can be stably present in the skyrmion generation portion SP formation region in the width direction of the magnetic material portion MM1, while in the barrier portions BA1 and BA2 formation region It becomes difficult to invade.

その結果、本実施の形態の磁性材料部MM1では、第1磁性体層MG1に生成したスキルミオンSKを第1磁性体層MG1の幅方向において、スキルミオン生成部SP形成領域に閉じ込めることができる。そのため、スキルミオンSKを第1磁性体層MG1の長さ方向に沿って安定して移動させることができる。   As a result, in the magnetic material portion MM1 of the present embodiment, the skyrmions SK generated in the first magnetic layer MG1 can be confined in the skyrmion generating portion SP formation region in the width direction of the first magnetic layer MG1. . Therefore, the skirmion SK can be stably moved along the longitudinal direction of the first magnetic layer MG1.

[変形例]
上記実施の形態の変形例である熱電変換装置HD2について、図8を参照して説明する。図8は、変形例の熱電変換装置HD2の図1のA−A線に相当する位置での断面図である。
[Modification]
A thermoelectric conversion device HD2 which is a modification of the above embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view at a position corresponding to the line AA of FIG. 1 of the thermoelectric conversion device HD2 of the modification.

図8に示す変形例の熱電変換装置HD2は、基板SUBと、基板SUB上に形成された絶縁膜IL1とを有しており、これは、上記実施の形態の熱電変換装置HD1と同様である。   The thermoelectric conversion device HD2 of the modification shown in FIG. 8 includes the substrate SUB and the insulating film IL1 formed on the substrate SUB, which is the same as the thermoelectric conversion device HD1 of the above embodiment. .

変形例の熱電変換装置HD2の場合は、磁性材料部MM2の構成が上記実施の形態の磁性材料部MM1の構成と異なる。具体的には、磁性材料部MM2は、第1非磁性体層NM1、第1磁性体層MG1および第2非磁性体層NM2により構成されている点は、磁性材料部MM1と同じである。一方、磁性材料部MM2に含まれる第1非磁性体層NM1の膜厚が磁性材料部MM2の長さ方向(第1の方向)に向かうに従って厚くなるように構成され、第1磁性体層MG1の膜厚は、磁性材料部MM2の長さ方向に沿って一定である点が、上記実施の形態の磁性材料部MM1と異なる。   In the case of the thermoelectric conversion device HD2 of the modified example, the configuration of the magnetic material portion MM2 is different from the configuration of the magnetic material portion MM1 of the above embodiment. Specifically, the magnetic material portion MM2 is the same as the magnetic material portion MM1 in that it is composed of the first nonmagnetic layer NM1, the first magnetic layer MG1, and the second nonmagnetic layer NM2. On the other hand, the film thickness of the first nonmagnetic layer NM1 included in the magnetic material portion MM2 is configured to be thicker as it goes in the longitudinal direction (first direction) of the magnetic material portion MM2, and the first magnetic layer MG1 is formed. The film thickness is different from the magnetic material portion MM1 of the above embodiment in that the film thickness is constant along the longitudinal direction of the magnetic material portion MM2.

第1磁性体層MG1の膜厚は、例えば1〜10nm程度であり、好ましくは1.3nm程度である。第2非磁性体層NM2の膜厚は、例えば1〜10nm程度であり、好ましくは1.4nm程度である。また、第1非磁性体層NM1の膜厚は、最も薄いところで1〜2nm程度、最も厚いところで10nm程度であり、第1非磁性体層NM1の膜厚は、磁性材料部MM2の長さ方向に沿って一定の割合で厚くなっている。なお、変形例の熱電変換装置HD2のスキルミオンSKに対するポテンシャル勾配は、図5(b)に示す上記実施の形態の熱電変換装置HD1のスキルミオンSKに対するポテンシャル勾配と同様である。   The film thickness of the first magnetic layer MG1 is, for example, about 1 to 10 nm, and preferably about 1.3 nm. The film thickness of the second nonmagnetic layer NM2 is, for example, about 1 to 10 nm, and preferably about 1.4 nm. The film thickness of the first nonmagnetic layer NM1 is about 1 to 2 nm at the thinnest portion and about 10 nm at the thickest portion. The thickness of the first nonmagnetic layer NM1 is the length direction of the magnetic material portion MM2. It is getting thicker at a constant rate. The potential gradient with respect to the skyrmion SK of the thermoelectric conversion device HD2 of the modification is the same as the potential gradient of the thermoelectric conversion device HD1 of the above embodiment shown in FIG. 5B with respect to the skyrmion SK.

前述したように、スキルミオンは、磁気交換相互作用とジャロシンスキー・守谷相互作用との競合により生成するため、どちらかの相互作用が大きくなりすぎると、スキルミオンが安定して存在しなくなる。第1非磁性体層NM1は、他の軌道(s軌道、p軌道、d軌道)よりもスピン軌道相互作用定数の大きいf軌道に電子を有する非磁性金属からなるため、第1非磁性体層NM1の膜厚が大きくなるにつれて、ジャロシンスキー・守谷相互作用が大きくなる。すなわち、第1非磁性体層NM1の膜厚が大きくなるにつれて、スキルミオンSKに対するポテンシャルが大きくなる。そのため、変形例の熱電変換装置HD2では、磁性材料部MM2に含まれる第1非磁性体層NM1の膜厚が磁性材料部MM2の長さ方向に向かうに従って厚くなるように構成することで、上記実施の形態の熱電変換装置HD1と同様に、磁性材料部MM2の長さ方向に沿って、スキルミオンSKに対するポテンシャル勾配を形成することができる。   As described above, skirmions are generated by the competition between the magnetic exchange interaction and the Jaroshinski-Moriya interaction, so if one of the interactions becomes too large, the skirmions do not exist stably. Since the first nonmagnetic layer NM1 is made of nonmagnetic metal having electrons in the f orbital, which has a spin orbital interaction constant larger than that of other orbitals (s orbital, p orbital, d orbital), the first nonmagnetic layer As the film thickness of NM1 increases, the Jaroshinski-Moriya interaction increases. That is, as the film thickness of the first nonmagnetic material layer NM1 increases, the potential for the skirmion SK increases. Therefore, in the thermoelectric conversion device HD2 of the modification, the film thickness of the first nonmagnetic layer NM1 included in the magnetic material portion MM2 is configured to be thicker in the longitudinal direction of the magnetic material portion MM2, Similar to the thermoelectric conversion device HD1 of the embodiment, a potential gradient with respect to the skirmion SK can be formed along the longitudinal direction of the magnetic material portion MM2.

上記実施の形態の熱電変換装置HD1は、第1磁性体層MG1の膜厚を、長さ方向に沿って変化させているのに対して、変形例の熱電変換装置HD2は、第1非磁性体層NM1の膜厚を、長さ方向に沿って変化させている。このため、後述する熱輸送システムHSのように、同一の基板SUB上に半導体装置SDを形成する際の製造工程における製造コストや工程の容易さなどに応じて、上記実施の形態の熱電変換装置HD1と上記変形例の熱電変換装置HD2とを任意に選択することができる。   While the thermoelectric conversion device HD1 of the above embodiment changes the film thickness of the first magnetic layer MG1 along the length direction, the thermoelectric conversion device HD2 of the modification example has the first nonmagnetic member. The film thickness of the body layer NM1 is changed along the length direction. Therefore, the thermoelectric conversion device according to the above-described embodiment is provided according to the manufacturing cost, the ease of the process, and the like in the manufacturing process when forming the semiconductor device SD on the same substrate SUB as the heat transport system HS described later. HD1 and the thermoelectric conversion device HD2 of the above-described modified example can be arbitrarily selected.

[熱輸送システムの構造について]
本実施の形態の熱輸送システムHSについて説明する。図9は、本実施の形態の熱輸送システムHSの構成図である。図9に示すように、本実施の形態の熱輸送システムHSは、熱を発生する半導体装置SDと、半導体装置SDを冷却する冷却装置CDと、上記熱電変換装置HD1と、熱電変換装置HD1から出力された電気エネルギーを蓄積するエネルギー蓄積装置ESとを備えている。図示しないが、熱輸送システムHSを構成する半導体装置SD、熱電変換装置HD1、エネルギー蓄積装置ESおよび冷却装置CDは、同一の基板SUB上に形成されていてもよいし、それぞれ別の基板に形成されていてもよい。ただし、半導体装置SD、熱電変換装置HD1、エネルギー蓄積装置ESおよび冷却装置CDのそれぞれの装置間で熱や電気エネルギーのやり取りを効率よく行うためには、同一の基板SUB上に形成されていることが好ましい。
[About the structure of the heat transport system]
The heat transport system HS of the present embodiment will be described. FIG. 9 is a block diagram of the heat transport system HS of the present embodiment. As shown in FIG. 9, the heat transport system HS of this embodiment includes a semiconductor device SD generating heat, a cooling device CD for cooling the semiconductor device SD, the thermoelectric conversion device HD1, and the thermoelectric conversion device HD1. And an energy storage device ES for storing the output electrical energy. Although not shown, the semiconductor device SD, the thermoelectric conversion device HD1, the energy storage device ES, and the cooling device CD, which constitute the heat transport system HS, may be formed on the same substrate SUB or formed on different substrates. It may be done. However, in order to efficiently exchange heat and electrical energy between the semiconductor device SD, the thermoelectric conversion device HD1, the energy storage device ES, and the cooling device CD, they are formed on the same substrate SUB. Is preferred.

半導体装置SDは、例えばメモリを有する半導体装置、または、スイッチング素子を構成する半導体装置である。半導体装置SDが、例えばメモリを有する場合、前記メモリへの読み/書きにより、半導体装置SDから熱が発生する。また、半導体装置SDが、パワーデバイスのスイッチング素子を構成する場合も、半導体装置SDから熱が発生する。   The semiconductor device SD is, for example, a semiconductor device having a memory or a semiconductor device forming a switching element. When the semiconductor device SD has, for example, a memory, the read / write to the memory generates heat from the semiconductor device SD. Further, also when the semiconductor device SD constitutes a switching element of a power device, heat is generated from the semiconductor device SD.

冷却装置CDは、例えば、循環冷却媒体(冷媒)を使用した液冷式の冷却器または冷却ファンなどの冷却装置である。   The cooling device CD is, for example, a cooling device such as a liquid-cooled cooler or a cooling fan that uses a circulating cooling medium (refrigerant).

エネルギー蓄積装置ESは、供給された電気エネルギーを蓄積する装置である。エネルギー蓄積装置ESは、例えばキャパシタおよび充電回路を有し、供給された電気エネルギーをキャパシタに蓄積して、必要に応じて電気エネルギーを出力する装置である。   The energy storage device ES is a device that stores the supplied electrical energy. The energy storage device ES is a device that has, for example, a capacitor and a charging circuit, stores the supplied electric energy in the capacitor, and outputs the electric energy as needed.

以下、本実施の形態の熱輸送システムHSの動作について説明する。まず、半導体装置SDの動作により、半導体装置SDから熱が発生する。次に、この熱を熱電変換装置HD1に供給する。その後、前述のように熱電変換装置HD1により、供給した熱から電気エネルギーが取り出される。   Hereinafter, the operation of the heat transport system HS of the present embodiment will be described. First, heat is generated from the semiconductor device SD due to the operation of the semiconductor device SD. Next, this heat is supplied to the thermoelectric conversion device HD1. Thereafter, as described above, electric energy is extracted from the supplied heat by the thermoelectric conversion device HD1.

続いて、熱電変換装置HD1から出力された電気エネルギーをエネルギー蓄積装置ESに供給し、電気エネルギーを蓄積する。エネルギー蓄積装置ESに蓄積された電気エネルギーは、冷却装置CDまたは半導体装置SDに供給される。冷却装置CDは、エネルギー蓄積装置ESから供給された電気エネルギーによって動作し、半導体装置SDを冷却する。また、エネルギー蓄積装置ESから半導体装置SDに供給された電気エネルギーは、半導体装置SDの動作に再利用される。   Subsequently, the electrical energy output from the thermoelectric conversion device HD1 is supplied to the energy storage device ES, and the electrical energy is stored. The electrical energy stored in the energy storage device ES is supplied to the cooling device CD or the semiconductor device SD. The cooling device CD operates by the electrical energy supplied from the energy storage device ES and cools the semiconductor device SD. Further, the electrical energy supplied from the energy storage device ES to the semiconductor device SD is reused for the operation of the semiconductor device SD.

以上より、本実施の形態の熱輸送システムHSは、半導体装置SDから発生した熱を電気エネルギーとして半導体装置SDの冷却および半導体装置SDの動作に効率よく利用することができる。その結果、本実施の形態の熱輸送システムHSは、排熱をエネルギーとして効率よく回収することができる。   As described above, the heat transport system HS of the present embodiment can efficiently utilize the heat generated from the semiconductor device SD as electrical energy for cooling the semiconductor device SD and for the operation of the semiconductor device SD. As a result, the heat transport system HS of the present embodiment can efficiently recover exhaust heat as energy.

なお、本実施の形態のエネルギー蓄積装置ESは、熱電変換装置HD1の一部として構成してもよい。また、本実施の形態の熱輸送システムHSには、熱電変換装置HD1のかわりに上記変形例の熱電変換装置HD2を採用してもよい。   The energy storage device ES of the present embodiment may be configured as part of the thermoelectric conversion device HD1. Further, in the heat transport system HS of the present embodiment, the thermoelectric conversion device HD2 of the above modification may be employed instead of the thermoelectric conversion device HD1.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, although the invention made by the present inventor was concretely explained based on an embodiment, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and can be variously changed in the range which does not deviate from the gist. Needless to say.

BA1,BA2 障壁部
CD 冷却装置
CV 変換部
ES エネルギー蓄積装置
GT,GT1,GT2 制御部
HD1,HD2 熱電変換装置
HS 熱輸送システム
IL1,IL2 絶縁膜
M1,M2,M3 電極
MG1 第1磁性体層
MG2 第2磁性体層
MM1,MM2 磁性材料部
NM1 第1非磁性体層
NM2 第2非磁性体層
OB,OB1,OB2,OB3 観測部
SD 半導体装置
SK,SK2 スキルミオン
SP スキルミオン生成部
SUB 基板
BA1, BA2 barrier part CD cooling device CV conversion part ES energy storage device GT, GT1, GT2 control part HD1, HD2 thermoelectric conversion device HS heat transport system IL1, IL2 insulating film M1, M2, M3 electrode MG1 first magnetic layer MG2 Second magnetic layer MM1, MM2 Magnetic material portion NM1 First nonmagnetic layer NM2 Second nonmagnetic layer OB, OB1, OB2, OB3 Observation portion SD Semiconductor device SK, SK2 Skirmion SP Skirmion generation part SUB Substrate

Claims (15)

磁性材料部と、
前記磁性材料部の磁化状態の変化を観測する観測部と、
前記磁性材料部の磁化状態を制御する制御部と、
前記磁性材料部内の磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部と、
を備え、
前記磁性材料部は、非磁性体からなる第1非磁性体層と、前記第1非磁性体層上に形成され、磁性体からなる第1磁性体層と、前記第1磁性体層上に形成され、前記第1非磁性体層と異なる非磁性体からなる第2非磁性体層とからなり、
前記第1磁性体層の膜厚は、第1の方向に向かうに従って厚くなっている、熱電変換装置。
Magnetic material section,
An observation unit that observes a change in the magnetization state of the magnetic material unit;
A control unit that controls the magnetization state of the magnetic material unit;
A conversion unit for converting magnetic energy in the magnetic material unit into electrical energy;
Equipped with
The magnetic material portion is formed on a first nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material, a first magnetic layer formed on the first nonmagnetic layer, and made of a magnetic material, and on the first magnetic layer. A second nonmagnetic layer formed of a nonmagnetic material different from the first nonmagnetic material layer;
The thermoelectric conversion device, wherein the film thickness of the first magnetic layer is increased in the first direction.
請求項1記載の熱電変換装置において、
前記第1磁性体層中には、前記磁性材料部の熱ゆらぎによってスキルミオンが生成し、
前記観測部は、前記第1磁性体層中の前記スキルミオンの位置を検出し、
前記制御部は、前記観測部により検出された前記スキルミオンの位置における前記第1磁性体層の膜厚よりも厚い膜厚を有する前記第1磁性体層が存在する方向にのみ、前記スキルミオンが移動するように制御する、熱電変換装置。
In the thermoelectric conversion device according to claim 1,
In the first magnetic layer, skirmions are generated due to the thermal fluctuation of the magnetic material portion,
The observation unit detects the position of the skyrmion in the first magnetic layer,
The control unit controls the skirmion only in the direction in which the first magnetic layer having a thickness larger than the thickness of the first magnetic layer at the position of the skirmion detected by the observation unit is present. Thermoelectric converter, which controls to move.
請求項2記載の熱電変換装置において、
前記磁性材料部は、平面視において、長方形状に形成され、
前記観測部および前記制御部は、前記磁性材料部の長さ方向に沿って交互に配置されている、熱電変換装置。
In the thermoelectric conversion device according to claim 2,
The magnetic material portion is formed in a rectangular shape in plan view,
The thermoelectric conversion device, wherein the observation unit and the control unit are alternately arranged along the length direction of the magnetic material unit.
請求項3記載の熱電変換装置において、
前記第1磁性体層の幅方向端部は、前記第1磁性体層の幅方向中央部よりも厚く、
前記スキルミオンは、前記磁性材料部の長さ方向に沿って、前記第1磁性体層の幅方向中央部を移動する、熱電変換装置。
In the thermoelectric conversion device according to claim 3,
The widthwise end of the first magnetic layer is thicker than the widthwise center of the first magnetic layer,
The thermoelectric conversion device, wherein the skyrmion moves along a width direction central portion of the first magnetic material layer along a length direction of the magnetic material portion.
請求項3記載の熱電変換装置において、
前記観測部は、前記第1非磁性体層と、前記第1非磁性体層上の前記第1磁性体層と、前記第1磁性体層上の前記第2非磁性体層と、前記第2非磁性体層上に形成された第2磁性体層と、前記第2磁性体層上に形成された電極とからなる、熱電変換装置。
In the thermoelectric conversion device according to claim 3,
The observation unit includes the first nonmagnetic layer, the first magnetic layer on the first nonmagnetic layer, the second nonmagnetic layer on the first magnetic layer, and the first nonmagnetic layer. 2. A thermoelectric conversion device comprising a second magnetic layer formed on a nonmagnetic layer and an electrode formed on the second magnetic layer.
請求項3記載の熱電変換装置において、
前記制御部は、前記第1非磁性体層と、前記第1非磁性体層上の前記第1磁性体層と、前記第1磁性体層上の前記第2非磁性体層と、前記第2非磁性体層上に形成された電極とからなる、熱電変換装置。
In the thermoelectric conversion device according to claim 3,
The control unit includes: the first nonmagnetic layer; the first magnetic layer on the first nonmagnetic layer; the second nonmagnetic layer on the first magnetic layer; 2. A thermoelectric conversion device comprising an electrode formed on a nonmagnetic layer.
請求項3記載の熱電変換装置において、
前記変換部は、f軌道に電子を有する非磁性金属からなる、熱電変換装置。
In the thermoelectric conversion device according to claim 3,
The thermoelectric conversion device, wherein the conversion unit is made of nonmagnetic metal having electrons in the f orbital.
請求項3記載の熱電変換装置において、
前記第1非磁性体層は、f軌道に電子を有する非磁性金属からなり、
前記第2非磁性体層は、非磁性絶縁体からなる、熱電変換装置。
In the thermoelectric conversion device according to claim 3,
The first nonmagnetic layer is made of nonmagnetic metal having electrons in the f orbital,
The thermoelectric conversion device, wherein the second nonmagnetic layer is made of a nonmagnetic insulator.
請求項8記載の熱電変換装置において、
前記第1非磁性体層は、PtまたはTaからなり、
前記第1磁性体層は、CoFeBからなり、
前記第2非磁性体層は、MgOからなる、熱電変換装置。
In the thermoelectric conversion device according to claim 8,
The first nonmagnetic layer is made of Pt or Ta,
The first magnetic layer is made of CoFeB,
The thermoelectric conversion device, wherein the second nonmagnetic layer is made of MgO.
磁性材料部と、
前記磁性材料部の磁化状態の変化を観測する観測部と、
前記磁性材料部の磁化状態を制御する制御部と、
前記磁性材料部内の磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部と、
を備え、
前記磁性材料部は、非磁性体からなる第1非磁性体層と、前記第1非磁性体層上に形成され、磁性体からなる第1磁性体層と、前記第1磁性体層上に形成され、前記第1非磁性体層と異なる非磁性体からなる第2非磁性体層とからなり、
前記第1非磁性体層の膜厚は、第1の方向に向かうに従って厚くなっている、熱電変換装置。
Magnetic material section,
An observation unit that observes a change in the magnetization state of the magnetic material unit;
A control unit that controls the magnetization state of the magnetic material unit;
A conversion unit for converting magnetic energy in the magnetic material unit into electrical energy;
Equipped with
The magnetic material portion is formed on a first nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material, a first magnetic layer formed on the first nonmagnetic layer, and made of a magnetic material, and on the first magnetic layer. A second nonmagnetic layer formed of a nonmagnetic material different from the first nonmagnetic material layer;
The thermoelectric conversion device, wherein the film thickness of the first nonmagnetic material layer increases in the first direction.
請求項10記載の熱電変換装置において、
前記第1磁性体層中には、前記磁性材料部の熱ゆらぎによってスキルミオンが生成し、
前記観測部は、前記第1磁性体層中の前記スキルミオンの位置を検出し、
前記制御部は、前記観測部により検出された前記スキルミオンの位置における前記第1非磁性体層の膜厚よりも厚い膜厚を有する前記第1非磁性体層が存在する方向にのみ、前記スキルミオンが移動するように制御する、熱電変換装置。
In the thermoelectric conversion device according to claim 10,
In the first magnetic layer, skirmions are generated due to the thermal fluctuation of the magnetic material portion,
The observation unit detects the position of the skyrmion in the first magnetic layer,
The control unit is configured to perform the first nonmagnetic layer only in the direction in which the first nonmagnetic layer has a film thickness larger than the film thickness of the first nonmagnetic layer at the position of the skyrmion detected by the observation unit. A thermoelectric converter that controls the skill mion to move.
請求項11記載の熱電変換装置において、
前記磁性材料部は、平面視において、長方形状に形成され、
前記観測部および前記制御部は、前記磁性材料部の長さ方向に沿って交互に配置されている、熱電変換装置。
In the thermoelectric conversion device according to claim 11,
The magnetic material portion is formed in a rectangular shape in plan view,
The thermoelectric conversion device, wherein the observation unit and the control unit are alternately arranged along the length direction of the magnetic material unit.
熱電変換装置と、
半導体装置と、
冷却装置と、
を有し、
前記熱電変換装置は、
磁性材料部と、
前記磁性材料部の磁化状態の変化を観測する観測部と、
前記磁性材料部の磁化状態を制御する制御部と、
前記磁性材料部内の磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部と、
を備え、
前記半導体装置から発生する熱を前記熱電変換装置に供給し、
前記熱を前記熱電変換装置により電気エネルギーに変換し、
前記電気エネルギーを前記冷却装置に供給し、
前記冷却装置によって、前記半導体装置を冷却する、熱輸送システム。
A thermoelectric converter,
A semiconductor device,
A cooling device,
Have
The thermoelectric conversion device is
Magnetic material section,
An observation unit that observes a change in the magnetization state of the magnetic material unit;
A control unit that controls the magnetization state of the magnetic material unit;
A conversion unit for converting magnetic energy in the magnetic material unit into electrical energy;
Equipped with
Supplying heat generated from the semiconductor device to the thermoelectric conversion device;
Converting the heat into electrical energy by the thermoelectric converter;
Supplying the electrical energy to the cooling device;
A heat transport system, wherein the semiconductor device is cooled by the cooling device.
請求項13記載の熱輸送システムにおいて、
前記磁性材料部は、非磁性体からなる第1非磁性体層と、前記第1非磁性体層上に形成され、磁性体からなる第1磁性体層と、前記第1磁性体層上に形成され、前記第1非磁性体層と異なる非磁性体からなる第2非磁性体層とからなり、
前記第1磁性体層の膜厚は、第1の方向に向かうに従って厚くなっている、熱輸送システム。
In the heat transport system according to claim 13,
The magnetic material portion is formed on a first nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material, a first magnetic layer formed on the first nonmagnetic layer, and made of a magnetic material, and on the first magnetic layer. A second nonmagnetic layer formed of a nonmagnetic material different from the first nonmagnetic material layer;
The heat transport system, wherein the film thickness of the first magnetic layer is thicker toward the first direction.
請求項14記載の熱輸送システムにおいて、
前記磁性材料部は、平面視において、長方形状に形成され、
前記観測部および前記制御部は、前記磁性材料部の長さ方向に沿って交互に配置され、
前記第1磁性体層中には、前記磁性材料部の熱ゆらぎによってスキルミオンが生成し、
前記観測部は、前記第1磁性体層中の前記スキルミオンの位置を検出し、
前記制御部は、前記観測部により検出された前記スキルミオンの位置における前記第1磁性体層の膜厚よりも厚い膜厚を有する前記第1磁性体層が存在する方向にのみ、前記スキルミオンが移動するように制御する、熱輸送システム。
In the heat transport system according to claim 14,
The magnetic material portion is formed in a rectangular shape in plan view,
The observation unit and the control unit are alternately arranged along the longitudinal direction of the magnetic material unit,
In the first magnetic layer, skirmions are generated due to the thermal fluctuation of the magnetic material portion,
The observation unit detects the position of the skyrmion in the first magnetic layer,
The control unit controls the skirmion only in the direction in which the first magnetic layer having a thickness larger than the thickness of the first magnetic layer at the position of the skirmion detected by the observation unit is present. Control heat transfer system to move.
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