JP2021040066A - Laminate, thermoelectric conversion element, usage method of thermoelectric conversion element, power generation device, waste heat recovery system, and method - Google Patents

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Abstract

To provide a laminate applicable to a thermoelectric conversion element capable of obtaining a current only by irradiating with light such as natural light without heating and/or cooling from the outside.SOLUTION: A laminate 10 includes, in this order, a light emission-spin current generation layer 13 capable of transmitting visible light and near-infrared light, absorbing mid-infrared light, and generating a spin current, a spin-orbit interaction spin-current conversion layer 14 arranged in contact with at least a part of the light emission-spin current generation layer 13, and a light absorption layer 15 that absorbs visible light and near-infrared light.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、積層体、熱電変換素子、熱電変換素子の使用方法、発電装置、排熱回収システム、及び、方法に関する。 The present invention relates to a laminate, a thermoelectric conversion element, a method of using the thermoelectric conversion element, a power generation device, an exhaust heat recovery system, and a method.

熱を電力に変換する機能を有する熱電変換素子が知られている。熱電変換素子の一つとして、スピンゼーベック効果を利用した素子が知られている。このような熱電変換素子として、特許文献1には、「磁性体(20)と、この磁性体の一面(21)に形成されている起電体(30)とを備え、前記磁性体に生じる温度勾配に起因して前記磁性体と前記起電体との間に発生するスピンゼーベック効果によって前記起電体に起電力が誘起されるスピン熱電変換素子であって、前記起電体は、PtとFeとを含む合金によって構成されて、前記Feの原子数濃度が40at%以上で60at%以下の範囲内に入るように前記起電体が構成されていることを特徴とするスピン熱電変換素子。」が記載されている。 Thermoelectric conversion elements having a function of converting heat into electric power are known. As one of the thermoelectric conversion elements, an element utilizing the spin Seebeck effect is known. As such a thermoelectric conversion element, Patent Document 1 includes "a magnetic material (20) and an electromotive force (30) formed on one surface (21) of the magnetic material, which is generated in the magnetic material. A spin thermoelectric conversion element in which an electromotive force is induced in the electromotive force by the spin Seebeck effect generated between the magnetic material and the electromotive force due to a temperature gradient, and the electromotive force is Pt. A spin thermoelectric conversion element composed of an alloy containing Fe and Fe, wherein the electromotive force is configured so that the atomic number concentration of Fe is in the range of 40 at% or more and 60 at% or less. . ”Is described.

特開2017−045762号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-045662

一般に、ゼーベック効果を利用した従来の熱電変換素子においては、起電力の発生方向は、温度勾配(熱勾配)の方向と平行である。一方、スピンゼーベック素子では、起電力の発生方向は温度勾配と垂直方向になる。スピンゼーベック素子によって生成される熱電能は温度勾配に垂直な方向の長さに比例する。そのため、温度勾配に垂直な方向の長さが長くなるように素子を構成することによって、長さに比例した起電力を得ることができる。スピンゼーベック素子は、従来のゼーベック素子と比較して、素子の厚みを薄くしても大きな起電力が得られる点と大面積化が容易である点とにおいて優位性がある。 Generally, in a conventional thermoelectric conversion element utilizing the Seebeck effect, the direction in which an electromotive force is generated is parallel to the direction of the temperature gradient (heat gradient). On the other hand, in the spin Seebeck element, the electromotive force is generated in the direction perpendicular to the temperature gradient. The thermoelectric power generated by the spin Seebeck element is proportional to the length in the direction perpendicular to the temperature gradient. Therefore, by configuring the element so that the length in the direction perpendicular to the temperature gradient becomes long, an electromotive force proportional to the length can be obtained. Compared with the conventional Seebeck element, the spin Seebeck element has advantages in that a large electromotive force can be obtained even if the thickness of the element is reduced and that the area can be easily increased.

スピンゼーベック素子は薄型の熱電変換素子として優れた性能を有する一方で、素子を薄くすると、素子の表裏の温度がより均一になりやすく、結果として、電力を得るのに必要な温度勾配が得られにくい、という問題があった。
上記問題は、熱電変換素子の一方の面を加熱し、他方の面を冷却することで解決できるものの、エネルギー効率に鑑みて必ずしも十分とは言えなかった。
While the spin Seebeck element has excellent performance as a thin thermoelectric conversion element, when the element is made thinner, the temperature on the front and back sides of the element tends to be more uniform, and as a result, the temperature gradient required to obtain electric power can be obtained. There was a problem that it was difficult.
Although the above problem can be solved by heating one surface of the thermoelectric conversion element and cooling the other surface, it is not always sufficient in view of energy efficiency.

そこで、本発明は、外部から加熱、及び/又は、冷却をしなくても、自然光等の光を照射するだけで電流を得ることができる熱電変換素子に適用できる積層体を提供することを課題とする。
また、本発明は、熱電変換素子、熱電変換素子の使用方法、発電装置、排熱回収システム、及び、方法を提供することも課題とする。
Therefore, it is an object of the present invention to provide a laminate applicable to a thermoelectric conversion element capable of obtaining an electric current only by irradiating light such as natural light without heating and / or cooling from the outside. And.
Another object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element, a method of using the thermoelectric conversion element, a power generation device, an exhaust heat recovery system, and a method.

本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、以下の構成により上記課題を達成することができることを見出した。 As a result of diligent studies to achieve the above-mentioned problems, the present inventors have found that the above-mentioned problems can be achieved by the following configurations.

[1] 可視光、及び、近赤外光を透過し、中赤外光を吸収し、かつ、スピン流を発生可能な、光放射−スピン流発生層と、上記光放射−スピン流発生層の少なくとも一部と接して配置された、スピン軌道相互作用を有する、スピン流−電流変換層と、可視光、及び、近赤外光を吸収する、光吸収層と、をこの順に有する積層体。
[2] 上記光放射−スピン流発生層が磁化方向が揃った磁性体を含有する層である、[1]に記載の積層体。
[3] 上記磁性体が磁性絶縁体である[2]に記載の積層体。
[4] 上記磁性絶縁体がガーネットフェライト、及び、スピネルフェライトからなる群より選択される少なくとも1種を含有する、[3]に記載の積層体。
[5] 上記磁性体が保磁力を有する、[2]〜[4]のいずれかに記載の積層体。
[6] 上記スピン流−電流変換層が金属を含有する、[1]〜[5]のいずれかに記載の積層体。
[7] 上記スピン流−電流変換層の厚みが、1〜100nmである、[1]〜[6]のいずれかに記載の積層体。
[8] 上記光放射−スピン流発生層の側から光を照射して、スピン流、及び、電流からなる群より選択される少なくとも一方を得るために使用される、[1]〜[7]のいずれかに記載の積層体。
[9] [1]〜[8]のいずれかに記載の積層体を有する熱電変換素子。
[10] [9]に記載の熱電変換素子に光を照射して、電力を得る、熱電変換素子の使用方法。
[11] [9]に記載の熱電変換素子を有する発電装置。
[12] 発熱体と、上記発熱体上に配置された[9]に記載の熱電変換素子とを有する排熱回収システム。
[13] 熱電変換素子の一方側の主面に、可視光、及び、近赤外光を透過し、中赤外光を吸収する部材を接触して配置し、他方側の主面の少なくとも一部に、
可視光、及び、近赤外光を吸収する部材を接触して配置し、上記一方側の主面から上記他方側の主面に向かう上記熱電変換素子の厚み方向に沿って熱勾配を生じさせる方法。
[1] A light radiation-spin current generation layer capable of transmitting visible light and near-infrared light, absorbing mid-infrared light, and generating a spin current, and the above-mentioned light radiation-spin current generation layer. A laminate having a spin current-current conversion layer having a spin orbital interaction and a light absorbing layer that absorbs visible light and near-infrared light, which are arranged in contact with at least a part of the above. ..
[2] The laminate according to [1], wherein the light radiation-spin current generation layer is a layer containing a magnetic material having the same magnetization direction.
[3] The laminate according to [2], wherein the magnetic material is a magnetic insulator.
[4] The laminate according to [3], wherein the magnetic insulator contains at least one selected from the group consisting of garnet ferrite and spinel ferrite.
[5] The laminate according to any one of [2] to [4], wherein the magnetic material has a coercive force.
[6] The laminate according to any one of [1] to [5], wherein the spin current-current conversion layer contains a metal.
[7] The laminate according to any one of [1] to [6], wherein the spin current-current conversion layer has a thickness of 1 to 100 nm.
[8] It is used to irradiate light from the side of the light radiation-spin current generation layer to obtain at least one selected from the group consisting of spin current and current [1] to [7]. The laminate according to any one of.
[9] A thermoelectric conversion element having the laminate according to any one of [1] to [8].
[10] A method of using a thermoelectric conversion element, which obtains electric power by irradiating the thermoelectric conversion element according to [9] with light.
[11] A power generation device having the thermoelectric conversion element according to [9].
[12] An exhaust heat recovery system including a heating element and the thermoelectric conversion element according to [9] arranged on the heating element.
[13] A member that transmits visible light and near-infrared light and absorbs mid-infrared light is arranged in contact with one main surface of the thermoelectric conversion element, and at least one of the other main surfaces. In the department,
Members that absorb visible light and near-infrared light are placed in contact with each other to generate a thermal gradient along the thickness direction of the thermoelectric conversion element from the main surface on one side to the main surface on the other side. Method.

本発明によれば、外部から加熱、及び/又は、冷却をしなくても、自然光等の光を照射するだけで電流を得ることができる熱電変換素子に適用できる(以下、「本発明の効果を有する」ともいう。)積層体が提供できる。また、本発明は、熱電変換素子、熱電変換素子の使用方法、発電装置、排熱回収システム、及び、方法も提供できる。 According to the present invention, it can be applied to a thermoelectric conversion element capable of obtaining an electric current only by irradiating light such as natural light without heating and / or cooling from the outside (hereinafter, "effect of the present invention". Also referred to as "having.") A laminated body can be provided. The present invention can also provide a thermoelectric conversion element, a method of using the thermoelectric conversion element, a power generation device, an exhaust heat recovery system, and a method.

本発明の実施形態に係る積層体の模式的な断面図である。It is a schematic cross-sectional view of the laminated body which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る熱電変換素子の模式的な断面図である。It is a schematic cross-sectional view of the thermoelectric conversion element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る熱電変換素子の斜視図である。It is a perspective view of the thermoelectric conversion element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る発電装置の模式図である。It is a schematic diagram of the power generation apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る排熱回収システムの模式図である。It is a schematic diagram of the waste heat recovery system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る排熱回収システムの模式図である。It is a schematic diagram of the waste heat recovery system which concerns on embodiment of this invention. 実施例で作成した試料の層構成の模式図である。It is a schematic diagram of the layer structure of the sample prepared in an Example. 実施例で起電力の測定に使用した測定装置の写真である。It is a photograph of the measuring device used for measuring the electromotive force in the Example. 実施例で起電力の測定に使用した測定装置の模式図である。It is a schematic diagram of the measuring apparatus used for measuring the electromotive force in an Example. 印加した電流に応じて磁場が−12mTから+11mTに変化したときの電圧値の測定結果の一例である。This is an example of the measurement result of the voltage value when the magnetic field changes from -12 mT to +11 mT according to the applied current. 屋外での測定に使用した試料の配置の模式図である。It is a schematic diagram of the arrangement of the sample used for the measurement outdoors. GGG基板側から自然光が入射する形態で測定した場合の晴れの夜間と、晴れの昼間とにおける起電力の大きさの測定結果である。It is the measurement result of the magnitude of the electromotive force in the sunny night and the sunny day when it was measured in the form that the natural light is incident from the GGG substrate side. 屋外での測定に使用した試料の配置の模式図である。It is a schematic diagram of the arrangement of the sample used for the measurement outdoors. 黒体塗料層側から自然光が入射する形態で測定した場合の晴れの夜間と、晴れの昼間とにおける起電力の大きさの測定結果である。It is the measurement result of the magnitude of the electromotive force in the sunny night and the sunny day when it was measured in the form in which natural light was incident from the blackbody paint layer side. 屋内での測定に使用した試料の配置の模式図である。It is a schematic diagram of the arrangement of the sample used for the measurement indoors. 異なる配置で試験を行った場合の各条件における起電力を示した。The electromotive force under each condition when the test was performed in different arrangements is shown. 屋内での測定に使用した試料の配置の模式図である。It is a schematic diagram of the arrangement of the sample used for the measurement indoors. 異なる配置で試験を行った場合の各条件における起電力を示した。The electromotive force under each condition when the test was performed in different arrangements is shown.

以下、本発明について詳細に説明する。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施形態に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に制限されるものではない。
なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The description of the constituent elements described below may be based on typical embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments.
In the present specification, the numerical range represented by using "~" means a range including the numerical values before and after "~" as the lower limit value and the upper limit value.

[積層体]
本発明の実施形態に係る積層体(以下、「本積層体」ともいう。)は、可視光、及び、近赤外光を透過し、中赤外光を吸収し、かつ、スピン流を発生可能な、光放射−スピン流発生層と、上記光放射−スピン流発生層の少なくとも一部と(好ましくは面積基準で90%以上で)接するように配置された、スピン軌道相互作用を有する、スピン流−電流変換層と、可視光、及び、近赤外光を吸収する、光吸収層と、をこの順に有する積層体である。
[Laminate]
The laminate according to the embodiment of the present invention (hereinafter, also referred to as “the present laminate”) transmits visible light and near-infrared light, absorbs mid-infrared light, and generates a spin current. It has a spin orbital interaction that is arranged such that the possible light radiation-spin flow generation layer is in contact with at least a portion of the light radiation-spin flow generation layer (preferably at 90% or more on an area basis). It is a laminate having a spin current-current conversion layer and a light absorption layer that absorbs visible light and near-infrared light in this order.

図1は、本積層体の模式的な断面図を表している。積層体10は、光放射層11及びスピン流発生層12からなる光放射−スピン流発生層13と、光放射−スピン流発生層13と接して配置されたスピン流−電流変換層14と、光吸収層15とを有している。 FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of this laminated body. The laminate 10 includes a light radiation-spin flow generation layer 13 composed of a light radiation layer 11 and a spin current generation layer 12, a spin flow-current conversion layer 14 arranged in contact with the light radiation-spin flow generation layer 13. It has a light absorbing layer 15.

次に、積層体10が有する熱発電機能について説明する。積層体10を屋外に配置し、光放射層11側から自然光が入射する(図1中「hν」と示した。)場合について説明する。 Next, the thermoelectric power generation function of the laminated body 10 will be described. A case where the laminated body 10 is arranged outdoors and natural light is incident from the light radiating zone 11 side (indicated as “hν” in FIG. 1) will be described.

まず、光放射層11に入射した自然光のうち、可視光、及び、近赤外光は光放射層11を透過し、中赤外光は光放射層11に吸収される。
ここで、一般に、自然光(地表で観測される太陽光、例えば、AM1.5G)には、中赤外光は殆ど含まれていないことが知られている。光放射層11は、自然光の主要成分である可視光、近赤外光を透過し、かつ、自然光には中赤外光が殆ど含まれないことから、光放射層11は、自然光の照射による温度上昇は殆どないものと考えらえる。
First, of the natural light incident on the light radiating zone 11, visible light and near-infrared light pass through the light radiating zone 11, and mid-infrared light is absorbed by the light radiating zone 11.
Here, it is generally known that natural light (sunlight observed on the surface of the earth, for example, AM1.5G) contains almost no mid-infrared light. Since the light radiation layer 11 transmits visible light and near-infrared light, which are the main components of natural light, and the natural light contains almost no mid-infrared light, the light radiation layer 11 is irradiated with natural light. It can be considered that there is almost no temperature rise.

一方で、光放射層11は、中赤外光の吸収率が高い、すなわち、中赤外光の放射率が高いため、光放射層11からは、相対的に温度の低い空間(この場合、宇宙空間)へと熱放射が起こりやすい。そのため、光放射層11は、屋外に配置されると放射冷却効果によって冷却される。従って光放射層11は後述する光吸収層15等と比較して相対的に温度が低くなりやすい。そのため、光吸収層15と光放射層11との間には積層体の厚み方向に沿った温度勾配(光吸収層15側の温度が高く、光放射層11側の温度が低い)が生じ、結果として、スピン流発生層12とスピン流―電流変換層14の界面近傍に大きな温度勾配が生じやすい。 On the other hand, since the light radiating zone 11 has a high absorption rate of mid-infrared light, that is, a high emissivity of mid-infrared light, a space having a relatively low temperature from the light radiating zone 11 (in this case, in this case). Heat radiation is likely to occur in space). Therefore, when the light radiating zone 11 is arranged outdoors, it is cooled by the radiative cooling effect. Therefore, the temperature of the light radiation layer 11 tends to be relatively lower than that of the light absorption layer 15 and the like, which will be described later. Therefore, a temperature gradient along the thickness direction of the laminated body (the temperature on the light absorption layer 15 side is high and the temperature on the light radiation layer 11 side is low) is generated between the light absorption layer 15 and the light radiation layer 11. As a result, a large temperature gradient is likely to occur near the interface between the spin current generation layer 12 and the spin current-current conversion layer 14.

スピン流発生層12は熱流によって電子スピンを生成するスピンゼーベック効果を発現するする層であり、放射冷却によって生じた温度勾配(熱勾配)に応じたスピン流を生成する。
このスピン流は、スピン流−電流変換層14の逆スピンホール効果によって熱起電力に変換される。
The spin current generation layer 12 is a layer that exhibits a spin Seebeck effect that generates electron spins by a heat flow, and generates a spin current according to a temperature gradient (heat gradient) generated by radiative cooling.
This spin current is converted into thermoelectromotive force by the reverse spin Hall effect of the spin current-current conversion layer 14.

スピン流発生層12としては、より優れた本発明の効果を有する積層体が得られる点で、可視光、及び、近赤外光を透過することが好ましい。 The spin current generating layer 12 preferably transmits visible light and near-infrared light in that a laminated body having a more excellent effect of the present invention can be obtained.

なお、積層体10は、光放射層11及びスピン流発生層12が積層された、光放射−スピン流発生層13を有しているが、本積層体の構成としては上記に制限されない。例えば、可視、近赤外光を透過し、中赤外光を吸収し、かつ、スピン流を発生可能な1つの層から構成された光放射−スピン流発生層であってもよい。 The laminated body 10 has a light radiation-spin flow generation layer 13 in which a light radiation layer 11 and a spin current generation layer 12 are laminated, but the configuration of this laminated body is not limited to the above. For example, it may be a light radiation-spin current generating layer composed of one layer that transmits visible and near infrared light, absorbs mid-infrared light, and can generate a spin current.

積層体が、光放射層11及びスピン流発生層12を有する場合、より優れた本発明の効果を有する積層体が得られる点で、スピン流発生層12と後述するスピン流−電流変換層14とが接していることが好ましい。 When the laminate has the light radiation layer 11 and the spin current generation layer 12, the spin current generation layer 12 and the spin current-current conversion layer 14 described later are obtained in that a laminate having a better effect of the present invention can be obtained. It is preferable that they are in contact with each other.

光放射層11、及び、スピン流発生層12からなる光放射−スピン流発生層13を透過した可視、近赤外光は、スピン流−電流変換層14及び光吸収層15に到達し、スピン流−電流変換層14、及び/又は、光吸収層15により吸収される。可視、近赤外光を吸収した層(典型的には光吸収層15)は光を吸収して温度が上昇し(光加熱され)、放射冷却された光放射層11との間で積層体の厚み方向に沿ったより大きな温度勾配を生じ、結果として、スピン流発生層12とスピン流―電流変換層14との界面近傍に大きな温度勾配を生じさせやすい。 The visible and near-infrared light transmitted through the light radiation-spin current generation layer 13 composed of the light radiation layer 11 and the spin current generation layer 12 reaches the spin current-current conversion layer 14 and the light absorption layer 15 and spins. It is absorbed by the flow-current conversion layer 14 and / or the light absorption layer 15. The layer that has absorbed visible and near-infrared light (typically the light absorbing layer 15) absorbs light and the temperature rises (light-heated), and the layer is laminated with the radiant-cooled light radiating zone 11. A larger temperature gradient is generated along the thickness direction of the light, and as a result, a large temperature gradient is likely to be generated near the interface between the spin current generation layer 12 and the spin current-current conversion layer 14.

なお、ここまでは光放射層11側から自然光が照射された場合について説明したが、積層体10からは、光の照射がない場合であっても同一符号(極性)の起電力が得られる。
光の照射がない場合(光放射層11が宇宙側を向いて設置された場合)、すでに説明したとおり、光放射層11が放射冷却の効果により冷却され、光吸収層15から光放射層11へと向かう厚み方向に沿って温度勾配(温度差/厚み)が生じる。
この温度勾配は光照射の有無によらず、光吸収層15から光放射層11に向かう厚み方向に沿って温度が低下する方向であるため、スピン流−電流変換層14から取り出される起電力の符号(極性)は同一である。
Up to this point, the case where natural light is irradiated from the light radiating zone 11 side has been described, but the electromotive force having the same reference numeral (polarity) can be obtained from the laminated body 10 even when there is no light irradiation.
When there is no light irradiation (when the light radiating zone 11 is installed facing the space side), as described above, the light radiating zone 11 is cooled by the effect of radiant cooling, and the light absorbing layer 15 to the light radiating zone 11 A temperature gradient (temperature difference / thickness) is generated along the thickness direction toward.
Since this temperature gradient is in the direction in which the temperature decreases along the thickness direction from the light absorption layer 15 to the light radiation layer 11 regardless of the presence or absence of light irradiation, the electromotive force extracted from the spin current-current conversion layer 14 The sign (polarity) is the same.

上記は、本積層体10が極性変換回路等を用いなくても同一符号の直流電流が得られる熱電変換素子に適用できることを示している。 The above shows that the laminated body 10 can be applied to a thermoelectric conversion element capable of obtaining a direct current having the same code without using a polarity conversion circuit or the like.

なお、図1では、光放射層11側から光を照射する場合について説明したが、光吸収層15側から光が照射した場合であっても、後述する実施例で示すように起電力は得られる。
光放射層11側から光を照射する場合、放射冷却の効果と光加熱の効果の相乗的な作用によって光放射層11と光吸収層15との間の積層体の厚み方向に沿って生ずる温度勾配がより大きくなりやすく、これにより、スピン流発生層12とスピン流―電流変換層14との界面近傍に大きな温度勾配が得られ、結果としてより大きな起電力が得られる点で好ましい。
以下では、本積層体における各層の構成について詳述する。
Although the case of irradiating light from the light radiating zone 11 side has been described in FIG. 1, even when the light is radiated from the light absorbing layer 15 side, the electromotive force is obtained as shown in Examples described later. Be done.
When irradiating light from the light radiating zone 11 side, the temperature generated along the thickness direction of the laminate between the light radiating zone 11 and the light absorbing layer 15 due to the synergistic action of the effect of radiant cooling and the effect of light heating. The gradient tends to be larger, which is preferable in that a large temperature gradient can be obtained near the interface between the spin current generation layer 12 and the spin current-current conversion layer 14, and as a result, a larger electromotive force can be obtained.
In the following, the configuration of each layer in this laminated body will be described in detail.

〔光放射−スピン流発生層〕
光放射−スピン流発生層は、可視光、及び、近赤外光を透過し、中赤外光を吸収し、かつ、スピン流を発生可能な層であり、典型的には可視、及び、近赤外光を透過し、中赤外光を吸収する光吸収層と、スピン流を発生可能なスピン流発生層とが積層されたものであることが好ましい。なおスピン流発生層は、後述するスピン−電流変換層と接していることが好ましい。
[Light radiation-spin current generation layer]
The light radiation-spin current generation layer is a layer that transmits visible light and near-infrared light, absorbs mid-infrared light, and can generate spin current, and is typically visible and. It is preferable that a light absorption layer that transmits near-infrared light and absorbs mid-infrared light and a spin current generation layer capable of generating spin current are laminated. The spin current generation layer is preferably in contact with the spin-current conversion layer described later.

(光放射層)
光放射層は、可視光、及び、近赤外光を透過し、中赤外光を吸収する層である。
光放射層の材料としては特に制限されないが、例えば、シリカ等の無機材料、PDMS(ポリジメチルシロキサン)等のポリマーを含む有機材料、及び、それぞれの多層膜、並びに、上記を組み合わせた多層膜等が使用できる。
(Light radiation zone)
The light radiation layer is a layer that transmits visible light and near-infrared light and absorbs mid-infrared light.
The material of the light radiation layer is not particularly limited, but for example, an inorganic material such as silica, an organic material containing a polymer such as PDMS (polydimethylsiloxane), each multilayer film, a multilayer film combining the above, and the like. Can be used.

また、光放射層の材料としては、ガドリニウムガリウムガーネット(GdGa12:GGG)を用いてもよい。特に、光放射−スピン流発生層にYIGを用いる場合、光放射−スピン流発生層の結晶性や磁気特性を向上できる点で好ましい。このとき、ガドリニウムガリウムガーネットの結晶における面方位としては、特に制限されないが、(100)、(110)、又は、(111)であることが好ましい。 Further, as a material of the light radiation layer, gadolinium gallium garnet (Gd 3 Ga 5 O 12 : GGG) may be used. In particular, when YIG is used for the light radiation-spin flow generation layer, it is preferable in that the crystallinity and magnetic characteristics of the light radiation-spin flow generation layer can be improved. At this time, the plane orientation of the gadolinium gallium garnet crystal is not particularly limited, but is preferably (100), (110), or (111).

光放射層の厚みとしては特に制限されないが、一般に、1〜1000μmが好ましい。 The thickness of the light radiation layer is not particularly limited, but is generally preferably 1 to 1000 μm.

(スピン流発生層)
スピン流発生層は、熱流によりスピン流を発生可能な層を意味し、より優れた本発明の効果を有する積層体が得られる点で、磁化を有する磁性体を含有する層(以下、「磁性体層」ともいう。)が好ましく、磁化を有する磁性体からなることが好ましい。なかでも、より優れた本発明の効果を有する積層体が得られる点で、磁性体の磁化方向が揃っていることが好ましい。
ここで、磁性体層中における磁性体の含有量としては特に制限されないが、一般に、磁性体層の全質量に対して80質量%以上が好ましく、90質量%以上がより好ましい。
磁性体としては特に制限されないが、外部磁場を印加しなくても、電流が得られる場合がある点で、強磁性体、及び、フェリ磁性体からなる群より選択される少なくとも1種が好ましい。常磁性体、及び、反強磁性体と比較し、強磁性体、及び/又は、フェリ磁性体を使う場合は、外部磁場の印加が不要であるか、又は、より少ないという利点がある。
なお、以下では、スピン流発生層が磁性体層である場合について説明する。
(Spin current generation layer)
The spin current generating layer means a layer capable of generating a spin current by a heat flow, and is a layer containing a magnetic material having magnetization (hereinafter, "magnetism") in that a laminated body having a more excellent effect of the present invention can be obtained. It is also referred to as "body layer"), and it is preferably made of a magnetic material having magnetization. Above all, it is preferable that the magnetization directions of the magnetic materials are aligned in that a laminated body having a more excellent effect of the present invention can be obtained.
Here, the content of the magnetic material in the magnetic material layer is not particularly limited, but in general, 80% by mass or more is preferable, and 90% by mass or more is more preferable with respect to the total mass of the magnetic material layer.
The magnetic material is not particularly limited, but at least one selected from the group consisting of a ferromagnetic material and a ferrimagnetic material is preferable in that a current may be obtained without applying an external magnetic field. Compared with paramagnetic materials and antiferromagnetic materials, when ferromagnets and / or ferrimagnetic materials are used, there is an advantage that the application of an external magnetic field is unnecessary or less.
In the following, a case where the spin current generation layer is a magnetic material layer will be described.

上記磁性体としては特に制限されないが、生じた温度勾配をより保持しやすい観点で、熱伝導率がより小さい材料が好ましい。この点で、磁性体としては、磁性絶縁体であることがより好ましい。磁性絶縁体は、電子による熱伝導がより抑制される点で好ましい。 The magnetic material is not particularly limited, but a material having a smaller thermal conductivity is preferable from the viewpoint of more easily maintaining the generated temperature gradient. In this respect, the magnetic material is more preferably a magnetic insulator. A magnetic insulator is preferable in that heat conduction by electrons is further suppressed.

磁性体としては、特に制限されないが、鉄(Fe)、及び、Co(コバルト)等を含有する酸化物が挙げられ、ガーネットフェライト、スピネルフェライト、及び、六方晶フェライト等が好ましく、ガーネットフェライト、又は、スピネルフェライトがより好ましい。
磁性体の具体例としては、入手が容易で、かつ、スピン角運動量の散逸の小さいYIG(イットリウム鉄ガーネット)、イットリウムガリウム鉄ガーネット(YFe5-xGa12ただし0≦x<5)からなるガーネットフェライト、YIGのY(イットリウム)サイトをLa(ランタン)等の原子で置換したガーネットフェライト(例えば、LaYFe12等)等が挙げられる。
The magnetic material is not particularly limited, and examples thereof include oxides containing iron (Fe), Co (cobalt), and the like, and garnet ferrite, spinel ferrite, hexagonal ferrite, and the like are preferable, and garnet ferrite or garnet ferrite or , Spinel ferrite is more preferable.
Specific examples of the magnetic material include YIG (yttrium iron garnet) and yttrium gallium iron garnet (Y 3 Fe 5-x Ga x O 12 ), which are easily available and have a small dissipation of spin angle momentum, but 0 ≦ x <5. ), And garnet ferrite in which the Y (yttrium) site of YIG is replaced with an atom such as La (lantern) (for example, LaY 2 Fe 5 O 12 or the like).

光放射−スピン流発生層は、可視光、及び、近赤外光を透過し、中赤外光を吸収する。
なお、本明細書において、可視光とは、波長が0.4〜0.8μm光を意味し、近赤外光とは、波長が0.8μmを超え、2.5μm以下の光を意味し、中赤外光とは、波長が2.5μmを超え、15μm以下の光を意味する。
The light emission-spin current generation layer transmits visible light and near-infrared light and absorbs mid-infrared light.
In the present specification, visible light means light having a wavelength of 0.4 to 0.8 μm, and near-infrared light means light having a wavelength exceeding 0.8 μm and 2.5 μm or less. , Mid-infrared light means light having a wavelength of more than 2.5 μm and not more than 15 μm.

また、本明細書において可視光、及び、近赤外光を透過する、とは、入射した光のうち、0.4〜2.5μmの光の透過率が60%以上であることを意味し、70%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。なお、透過率の上限としては特に制限されない。 Further, in the present specification, transmitting visible light and near-infrared light means that the transmittance of light of 0.4 to 2.5 μm is 60% or more of the incident light. , 70% or more, more preferably 90% or more. The upper limit of the transmittance is not particularly limited.

また、中赤外光を吸収するとは、入射した光のうち、2.5μmを超え、15μm以下の光の吸収率が70%以上であることを意味し、90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましい。
なかでも、中赤外光のうち、「大気の窓」と呼ばれる8〜13μmの波長域のみ吸収率が高いことが好ましい。
Further, absorbing mid-infrared light means that the absorption rate of the incident light exceeding 2.5 μm and 15 μm or less is 70% or more, and is preferably 90% or more. More preferably, it is 95% or more.
Of the mid-infrared light, it is preferable that the absorption rate is high only in the wavelength range of 8 to 13 μm, which is called the “window of the atmosphere”.

光放射−スピン流発生層は、典型的には膜状であることが好ましく、この場合、膜面に平行な一方向に磁化方向が揃っていることが好ましい。磁性体が保磁力を有する場合、一旦、外部磁場を与えて磁化方向を初期化することにより、外部磁場を取り除いた後(ゼロ磁場のもと)であっても動作可能な点で好ましい。 The light radiation-spin flow generating layer is typically preferably in the form of a film, and in this case, it is preferable that the magnetization directions are aligned in one direction parallel to the film surface. When the magnetic material has a coercive force, it is preferable in that it can operate even after the external magnetic field is removed (under a zero magnetic field) by once applying an external magnetic field to initialize the magnetization direction.

このとき、磁化方向を固定するための方法は特に制限されず、例えば、コイル等を使用して外部磁場を与える方法であってもよい。なお、後述するように、逆スピンホール効果により発生する起電力EISHEは発生したスピン流jとスピン偏極方向の外積方向に生じるので、磁場印加方向は、スピン流−電流変換層の長手方向に対して垂直方向θ=90°とすることが好ましい。 At this time, the method for fixing the magnetization direction is not particularly limited, and for example, a method of applying an external magnetic field using a coil or the like may be used. As described later, since the electromotive force E Ishe generated by inverse spin Hall effect occurs in the cross product direction of the generated spin current j S and the spin polarization direction, the magnetic field application direction, a spin current - longitudinal current conversion layer It is preferable that the direction θ = 90 ° perpendicular to the direction.

光放射−スピン流発生層の形成方法としては特に制限されないが、磁性体としてイットリウム鉄ガーネット等を用いる場合には、スパッタ法、パルスレーザー堆積法、MOD法(Metal-Organic Decomposition Method:有機金属塗布熱分解法)、ゾル−ゲル法、液相エピタキシャル成長法、及び、エアロゾルデポジッション法等により形成可能である。
また、磁性体は単結晶から形成されていてもよく、多結晶から形成されていてもよい。
The method for forming the light radiation-spin current generation layer is not particularly limited, but when yttrium iron garnet or the like is used as the magnetic material, a sputtering method, a pulse laser deposition method, or a MOD method (Metal-Organic Decomposition Method: organic metal coating) is used. It can be formed by a thermal decomposition method), a sol-gel method, a liquid phase epitaxial growth method, an aerosol deposition method, or the like.
Further, the magnetic material may be formed from a single crystal or a polycrystal.

MOD法を用いる場合には、まず、GGG(GdGa12)等の単結晶基板上に、YFeGaO12組成のMOD溶液をスピンコート法で塗布する。
スピンコートの条件としては、例えば、500rpmで5秒間回転させたのち、3000〜4000rpmで30秒間回転させてMOD溶液を焼成後の膜厚が所望の厚み(例えば100nm等)になるように均一に塗布する。
When the MOD method is used, first, a MOD solution having a composition of Y 3 Fe 4 GaO 12 is applied by a spin coating method on a single crystal substrate such as GGG (Gd 3 Ga 5 O 12).
As the conditions for spin coating, for example, after rotating at 500 rpm for 5 seconds, the MOD solution is rotated at 3000 to 4000 rpm for 30 seconds to make the MOD solution uniform so that the film thickness after firing becomes a desired thickness (for example, 100 nm). Apply.

次に例えば、150℃に加熱したホットプレート上で5分間乾燥させて、MOD溶液に含まれる余分な有機溶媒を蒸発させ、次いで、電気炉中において、例えば、550℃で5分間加熱する仮焼成によって酸化物層とする。 Then, for example, it is dried on a hot plate heated to 150 ° C. for 5 minutes to evaporate the excess organic solvent contained in the MOD solution, and then calcined in an electric furnace, for example, heated at 550 ° C. for 5 minutes. To make an oxide layer.

次いで、電気炉中において、750℃で1〜2時間加熱する本焼成において酸化物層の結晶化を進めてYIG層とする。最後に、必要に応じてYIG層を所定のサイズに切り出せば良い。 Next, in the electric furnace, crystallization of the oxide layer is promoted in the main firing of heating at 750 ° C. for 1 to 2 hours to form a YIG layer. Finally, the YIG layer may be cut out to a predetermined size as needed.

また、エアロゾルデポジション法を用いる場合には、例えば、平均粒径が1μmのFe、NiO,ZnOそれぞれ、50mol%、27mol%、23mol%のエアロゾル用粉体を用い、例えば、開口が0.4mm×10mmのノズルを用いてキャリアガスとなるArガスを1000sccm流して基板上に噴射させて堆積させればよい。 When the aerosol deposition method is used, for example , 50 mol%, 27 mol%, and 23 mol% aerosol powders having an average particle size of 1 μm, Fe 2 O 3 , NiO, and ZnO, respectively, are used, and for example, the openings are open. Ar gas, which is a carrier gas, may be flowed by 1000 sccm using a 0.4 mm × 10 mm nozzle, injected onto the substrate, and deposited.

光放射−スピン流発生層の厚みとしては特に制限されないが、より優れた本発明の効果を有する積層体が得られやすい点で、100〜10000nmが好ましく、使用する材料の種類によって適宜調整可能である。 The thickness of the light radiation-spin flow generating layer is not particularly limited, but is preferably 100 to 10000 nm because it is easy to obtain a laminate having a better effect of the present invention, and it can be appropriately adjusted depending on the type of material used. is there.

〔スピン流−電流変換層〕
スピン流−電流変換層は、逆スピンホール効果によって熱起電力を取り出すための層であり、この層の働きにより、光放射−スピン流発生層で発生したスピン流は、スピン流を発生可能な層の磁化方向に対して垂直方向の電流に変換される。
[Spin current-current conversion layer]
The spin current-current conversion layer is a layer for extracting thermoelectromotive force by the reverse spin Hall effect, and by the action of this layer, the spin current generated in the light radiation-spin current generating layer can generate a spin current. It is converted into a current in the direction perpendicular to the magnetization direction of the layer.

スピン流−電流変換層は、金属(原子)を含有する金属層であることが好ましい。なお、本明細書において金属層とは、金属単体からなる層、及び、合金からなる層のいずれをも含む。
金属層が含有する金属原子としては、特に制限されないが、より大きなスピン軌道相互作用が得られ、結果としてより優れた本発明の効果を有する積層体が得られる点で、Au、Pt、Pd、及び、Ir等が挙げられる。
金属層は、上記の単体からなる層であってもよいし、上記の原子を含有する合金からなる層であってもよい。また、Cu等に上記各金属原子をドープした材料を用いることもできる。
The spin current-current conversion layer is preferably a metal layer containing a metal (atom). In the present specification, the metal layer includes both a layer made of a single metal and a layer made of an alloy.
The metal atom contained in the metal layer is not particularly limited, but Au, Pt, Pd, in that a larger spin-orbit interaction can be obtained, and as a result, a laminate having a better effect of the present invention can be obtained. And Ir and the like.
The metal layer may be a layer made of the above-mentioned simple substance or a layer made of an alloy containing the above-mentioned atoms. Further, a material obtained by doping Cu or the like with each of the above metal atoms can also be used.

スピン流−電流変換層の厚みとしては特に制限されないが、各金属材料のスピン拡散長と同程度に設定されることが好ましい。
上記の観点からは、スピン軌道相互作用を有する層の厚みとしては、例えば、1〜100nm以下が好ましく、使用する材料の種類によって適宜調整可能である。
〔光吸収層〕
光吸収層は、可視光、及び、近赤外光を吸収する層であり、光放射層を(好ましくは光放射−スピン流発生層を)透過した可視光、及び、近赤外光を吸収することで加熱され、相対的に冷却される光放射層と間に積層体の厚み方向に沿ってより大きな温度勾配を生じさせ、結果として、スピン流発生層とスピン流―電流変換層との界面近傍に大きな温度勾配を生じさせる機能を有する。
The thickness of the spin current-current conversion layer is not particularly limited, but is preferably set to be about the same as the spin diffusion length of each metal material.
From the above viewpoint, the thickness of the layer having the spin-orbit interaction is preferably, for example, 1 to 100 nm or less, and can be appropriately adjusted depending on the type of material used.
[Light absorption layer]
The light absorption layer is a layer that absorbs visible light and near-infrared light, and absorbs visible light and near-infrared light that have passed through the light radiation layer (preferably through the light radiation-spin current generation layer). A larger temperature gradient is generated along the thickness direction of the laminate between the light emitting layer, which is heated and relatively cooled, and as a result, the spin current generating layer and the spin current-current conversion layer. It has the function of generating a large temperature gradient near the interface.

光吸収層の成分としては特に制限されないが、黒色顔料を含有することが好ましい。黒色顔料としては特に制限されないが、例えば、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、及び、銅(Cu)等の金属の金属酸化物;活性炭、及び、カーボンブラック等のカーボン顔料;アニリンブラック等の有機顔料;等が挙げられる。 The component of the light absorption layer is not particularly limited, but preferably contains a black pigment. The black pigment is not particularly limited, but for example, metal oxides of metals such as chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), iron (Fe), manganese (Mn), and copper (Cu); Activated carbon and carbon pigments such as carbon black; organic pigments such as aniline black; and the like.

上記黒色顔料は、ケイ素化合物、アルミニウム化合物、有機物等で表面処理された表面処理済み顔料であってもよい。表面処理としては、例えば、(メタ)アクリルシラン処理、アルキル化処理、トリメチルシリル化処理、シリコーン処理、及び、カップリング剤による処理等があげられる。 The black pigment may be a surface-treated pigment surface-treated with a silicon compound, an aluminum compound, an organic substance, or the like. Examples of the surface treatment include (meth) acrylic silane treatment, alkylation treatment, trimethylsilylation treatment, silicone treatment, and treatment with a coupling agent.

特に制限されないが、光吸収層は、黒色顔料と、樹脂とを含有する黒色塗料により得られた塗膜であることが好ましい。黒色塗料が含有する樹脂としては特に制限されず、(メタ)アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ビニル系樹脂、及び、エポキシ樹脂等の公知の樹脂が挙げられる。
黒色塗料は、上記以外に、硬化剤、界面活性剤、溶媒、顔料、染料、及び、フィラー等を含有していてもよい。
Although not particularly limited, the light absorption layer is preferably a coating film obtained by a black paint containing a black pigment and a resin. The resin contained in the black paint is not particularly limited, and examples thereof include known resins such as (meth) acrylic resin, polyester resin, polyamide resin, vinyl resin, and epoxy resin.
In addition to the above, the black paint may contain a curing agent, a surfactant, a solvent, a pigment, a dye, a filler and the like.

光吸収層の厚みとしては特に制限されないが、一般に、100nm〜100μmが好ましい。 The thickness of the light absorption layer is not particularly limited, but is generally preferably 100 nm to 100 μm.

〔積層体の製造方法〕
積層体の製造方法としては特に制限されず、公知の方法で製造可能である。例えば、各層を、液相エピタキシャル成長(LPE)、スパッタリング法、パルスレーザー堆積法(PLD)、有機金属堆積法(MOD法)、ゾルゲル法、及び、エアロゾルデポジション法(AD法)等で積層すればよい。また、光吸収層は、スピン流−電流変換層上に黒色塗料を塗布して必要に応じてエネルギー付与(加熱等)して形成してもよい。
[Manufacturing method of laminated body]
The method for producing the laminate is not particularly limited, and the laminate can be produced by a known method. For example, if each layer is laminated by liquid phase epitaxial growth (LPE), sputtering method, pulsed laser deposition method (PLD), organometallic deposition method (MOD method), sol-gel method, aerosol deposition method (AD method), or the like. Good. Further, the light absorption layer may be formed by applying a black paint on the spin current-current conversion layer and applying energy (heating or the like) as necessary.

〔積層体の用途〕
本積層体は、外部から加熱、及び/又は、冷却をしなくても、自然光等の光を照射するだけで電力を得ることができる熱電変換素子に適用できる。
[Use of laminate]
This laminate can be applied to a thermoelectric conversion element that can obtain electric power only by irradiating light such as natural light without heating and / or cooling from the outside.

[熱電変換素子]
本発明の実施形態に係る熱電変換素子は、すでに説明した積層体を有する熱電変換素子である。図2は本発明の実施形態に係る熱電変換素子の模式的な断面図であり、図3は、上記熱電変換素子の斜視図である。
熱電変換素子20は、光放射層11とスピン流発生層12からなる光放射−スピン流発生層13と、光放射−スピン流発生層13(このうちスピン流発生層12)と接して配置されたスピン流−電流変換層14と、光吸収層15とをこの順に有し、上記光吸収層15の端部に沿って互いに対向して配置され、それぞれスピン流−電流変換層と接している電極21(a)及び電極21(b)とを有している。
[Thermoelectric conversion element]
The thermoelectric conversion element according to the embodiment of the present invention is a thermoelectric conversion element having a laminated body as described above. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the thermoelectric conversion element according to the embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a perspective view of the thermoelectric conversion element.
The thermoelectric conversion element 20 is arranged in contact with the light radiation-spin current generation layer 13 composed of the light radiation layer 11 and the spin current generation layer 12 and the light radiation-spin current generation layer 13 (of which the spin current generation layer 12). The spin current-current conversion layer 14 and the light absorption layer 15 are provided in this order, and are arranged so as to face each other along the end of the light absorption layer 15 and are in contact with each other. It has an electrode 21 (a) and an electrode 21 (b).

熱電変換素子20は、光放射層11から光(例えば自然光)が照射されると、光放射層11からの放射冷却の効果、及び、光放射層11の光加熱の効果によって、光放射層11と光吸収層15との間に、積層体の厚み方向に沿って温度勾配が生じ、結果として、スピン流発生層12とスピン流―電流変換層14との界面近傍に大きな温度勾配が生ずる。すると、スピンゼーベック効果によって光放射−スピン流発生層13(このうちスピン流発生層12)でスピン流が生成され、スピン流−電流変換層14の逆スピンホール効果によって起電力が生じ、これを電極21(a)及び電極21(b)を介して取り出すよう構成されている。 When the thermoelectric conversion element 20 is irradiated with light (for example, natural light) from the light radiating zone 11, the light radiating zone 11 is affected by the effect of radiating cooling from the light radiating zone 11 and the effect of light heating of the light radiating zone 11. A temperature gradient is generated between the light absorbing layer 15 and the light absorbing layer 15 along the thickness direction of the laminated body, and as a result, a large temperature gradient is generated near the interface between the spin current generating layer 12 and the spin current-current conversion layer 14. Then, a spin current is generated in the light radiation-spin current generation layer 13 (of which the spin current generation layer 12) is generated by the spin Seebeck effect, and an electromotive force is generated by the reverse spin Hall effect of the spin current-current conversion layer 14. It is configured to be taken out via the electrode 21 (a) and the electrode 21 (b).

本熱電変換素子において、面直方向(図3中Z軸に平行な方向)の温度勾配に戻づくスピン流を起電力として取り出す場合、スピン流が、光放射−スピン流発生層13の磁化の方向に対し垂直な電流(起電力)へと変換されることから、光放射−スピン流発生層13の磁化方向がY軸に平行な方向であることが好ましい。
このようにすることで、互いに対向する電極21(a)から電極21(b)へと向かう面内方向に沿った(図3中、X軸に平行な方向)起電力(電流)が得られる。
In this thermoelectric conversion element, when a spin current returning to a temperature gradient in the direction perpendicular to the plane (direction parallel to the Z axis in FIG. 3) is taken out as an electromotive force, the spin current is the magnetization of the light radiation-spin current generation layer 13. Since it is converted into a current (electromotive force) perpendicular to the direction, it is preferable that the magnetization direction of the light radiation-spin flow generation layer 13 is parallel to the Y axis.
By doing so, an electromotive force (current) can be obtained along the in-plane direction (direction parallel to the X-axis in FIG. 3) from the electrodes 21 (a) facing each other toward the electrodes 21 (b). ..

本熱電変換素子は、特に光放射層側から光を入射した場合には放射冷却の効果と光加熱の効果とが相乗的に作用し、スピン流発生層12とスピン流―電流変換層14との界面近傍により大きな温度勾配を生じ得るため、外部から加熱、及び/又は、冷却をしなくても、自然光等の光を照射するだけで電力を得ることができる。また、本熱電変換素子では、自然光等の光を照射しない場合であっても、放射冷却が可能な環境(例えば屋外)に設置するだけで電力が得られる。光放射層側を外(宇宙)側に配置する使用方法によれば、後述する実施例にも示すように、自然光の照射の有無にかかわらず、同一符号(同一極性)の直流電流が得られる。 In this thermoelectric conversion element, the effect of radiative cooling and the effect of light heating act synergistically, especially when light is incident from the light radiant zone side, and the spin current generation layer 12 and the spin current-current conversion layer 14 Since a larger temperature gradient can be generated near the interface of the above, electric power can be obtained only by irradiating light such as natural light without heating and / or cooling from the outside. Further, in this thermoelectric conversion element, even when it is not irradiated with light such as natural light, electric power can be obtained only by installing it in an environment where radiative cooling is possible (for example, outdoors). According to the usage method in which the light radiating zone side is arranged on the outer (space) side, a direct current having the same code (same polarity) can be obtained regardless of the presence or absence of irradiation with natural light, as shown in Examples described later. ..

[発電装置] [Power generation device]

図4は本発明の実施形態に係る発電装置の一例である。発電装置40は、熱電変換素子20と、上記熱電変換素子20で発生した電力を貯蔵するための貯蔵装置41とを有し、熱電変換素子20と貯蔵装置41とは、導線42により電気的に接続されている。 FIG. 4 is an example of a power generation device according to an embodiment of the present invention. The power generation device 40 has a thermoelectric conversion element 20 and a storage device 41 for storing the electric power generated by the thermoelectric conversion element 20, and the thermoelectric conversion element 20 and the storage device 41 are electrically connected by a lead wire 42. It is connected.

貯蔵装置41としては、特に制限されないが、鉛蓄電池、及び、アルカリ蓄電池等の二次電池;セラミックスコンデンサ、及び、フィルムコンデンサ等のコンデンサ;等が使用可能である。 The storage device 41 is not particularly limited, but a lead storage battery, a secondary battery such as an alkaline storage battery; a ceramic capacitor, a capacitor such as a film capacitor; and the like can be used.

[排熱回収システム]
図5は本発明の実施形態に係る排熱回収システムの模式図である。排熱回収システム50は熱源51と、熱源上に配置された熱電変換素子20とを有する。なお、熱電変換素子20は、熱源側から、光吸収層、スピン流−電流変換層、及び、スピン流発生層と光放射層とからなる光放射−スピン流発生層の順となるよう配置されている。
排熱回収システム50では、熱源51からの熱で光吸収層が加熱され、光収層と光放射層との間で積層体の厚み方向に沿って温度勾配が生じ、結果として、スピン流発生層とスピン流―電流変換層の界面近傍に大きな温度勾配を生ずる。この温度勾配により生じたスピン流から起電力が生じ、回収できる。
[Exhaust heat recovery system]
FIG. 5 is a schematic view of an exhaust heat recovery system according to an embodiment of the present invention. The exhaust heat recovery system 50 includes a heat source 51 and a thermoelectric conversion element 20 arranged on the heat source. The thermoelectric conversion element 20 is arranged in the order of the light absorption layer, the spin current-current conversion layer, and the light radiation-spin current generation layer composed of the spin current generation layer and the light radiation layer from the heat source side. ing.
In the exhaust heat recovery system 50, the light absorption layer is heated by the heat from the heat source 51, and a temperature gradient is generated between the light collection layer and the light radiation layer along the thickness direction of the laminated body, and as a result, a spin current is generated. A large temperature gradient is generated near the interface between the layer and the spin current-current conversion layer. An electromotive force is generated from the spin current generated by this temperature gradient and can be recovered.

本排熱回収システムは、特に屋外に配置され、光放射層側から自然光が照射される場合であっても、より大きな電力を回収可能である。熱電変換素子を用いた従来の排熱回収システムでは、熱電変換素子の一方の面が熱源からの熱エネルギーで加熱され、他方の面が自然光の照射により光加熱されると、積層体の厚み方向に沿って生ずる温度勾配がより小さくなり、結果として、スピン流発生層とスピン流―電流変換層との界面近傍の温度勾配がより小さくなるため、得られる起電力もより小さくなりやすかった。 This waste heat recovery system is particularly arranged outdoors and can recover a larger amount of electric power even when natural light is irradiated from the light radiating zone side. In a conventional waste heat recovery system using a thermoelectric conversion element, when one surface of the thermoelectric conversion element is heated by heat energy from a heat source and the other surface is light-heated by irradiation with natural light, the thickness direction of the laminate As a result, the temperature gradient near the interface between the spin current generation layer and the spin current-current conversion layer becomes smaller, so that the obtained electromotive force tends to be smaller.

一方、本排熱回収システムでは、自然光等の光の照射下であっても、光の照射を受けた光放射層は、光加熱により温度が上昇する光吸収層と比較して、放射冷却により相対的に冷却されるため、光の照射の有無によらず安定した起電力が得られるばかりか、光の照射下では、より大きな起電力が得られる点が優れている。 On the other hand, in this exhaust heat recovery system, even under irradiation with light such as natural light, the light radiation layer irradiated with light is radiantly cooled as compared with the light absorption layer whose temperature rises due to light heating. Since it is relatively cooled, not only a stable electromotive force can be obtained regardless of the presence or absence of light irradiation, but also a larger electromotive force can be obtained under light irradiation.

図6は本発明の実施形態に係る排熱回収システムの一例を表す模式図である。排熱回収システム60は、熱源である建造物61と、建造物61の屋根に配置された熱電変換素子20とを有する。なお、熱電変換素子20は、熱源側から、光吸収層、スピン流−電流変換層、及び、スピン流発生層と光放射層とからなる光放射−スピン流発生層の順となるよう配置されている。 FIG. 6 is a schematic view showing an example of the exhaust heat recovery system according to the embodiment of the present invention. The exhaust heat recovery system 60 has a building 61 as a heat source and a thermoelectric conversion element 20 arranged on the roof of the building 61. The thermoelectric conversion element 20 is arranged in the order of the light absorption layer, the spin current-current conversion layer, and the light radiation-spin current generation layer composed of the spin current generation layer and the light radiation layer from the heat source side. ing.

なお、排熱回収システム60における熱源としては特に制限されないが、例えば、廃棄物の焼却施設(ごみ焼却場)等が挙げられる。また、熱源としては建造物以外であってもよく、例えば、配管、タンク、及び、発電/変電設備等の工作物;発電機、タービン、エンジン、及び、電動機等の原動機;等であってもよい。なかでも、屋外に配置して使用され得る熱源が好ましい。 The heat source in the waste heat recovery system 60 is not particularly limited, and examples thereof include a waste incineration facility (waste incineration plant). Further, the heat source may be other than a building, and may be, for example, a work piece such as a pipe, a tank, and a power generation / substation equipment; a prime mover such as a generator, a turbine, an engine, and an electric motor; Good. Of these, a heat source that can be used outdoors is preferable.

以下に実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す実施例により限定的に解釈されるべきものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples. The materials, amounts used, ratios, treatment contents, treatment procedures, etc. shown in the following examples can be appropriately changed as long as they do not deviate from the gist of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as limiting by the examples shown below.

[積層体の作成]
まず、ガリウムガドリニウムガーネット(GGG)基板上にイットリウム鉄ガーネット(YIG)が成膜された試料片に、プラチナ(Pt)膜をスパッタ法で成膜した。GGG、YIG、及び、Ptの膜の厚みはそれぞれ、約400μm、2μm、及び、0.005μmであった。次に、Pt膜上に黒体スプレー(黒色塗料)を塗布して被膜を形成し、試料とした。その後、試料の両端にインジウム(In)片を2つ、Pt膜と接するように圧着して電極とした。図7には、上記試験における試料の層構成の模式図を示した。なお、図中「黒体塗料層」とあるのは、黒体スプレーを用いて形成した塗膜を意味する。
[Creation of laminate]
First, a platinum (Pt) film was formed on a sample piece on which yttrium iron garnet (YIG) was formed on a gallium gadolinium garnet (GGG) substrate by a sputtering method. The thicknesses of the GGG, YIG, and Pt films were about 400 μm, 2 μm, and 0.005 μm, respectively. Next, a black body spray (black paint) was applied onto the Pt film to form a film, which was used as a sample. Then, two pieces of indium (In) were pressure-bonded to both ends of the sample so as to be in contact with the Pt film to form an electrode. FIG. 7 shows a schematic diagram of the layer structure of the sample in the above test. The term "blackbody paint layer" in the figure means a coating film formed by using a blackbody spray.

[起電力の測定]
図8は起電力の測定に使用した測定装置の写真であり、図9はその模式図である。図8の測定装置では、写真中央部に上から見たとき長方形状の試料(黒く見える部分)が配置されている。このとき、一対の電極は、上記四角形のうち、Y軸と平行な辺に沿って、互いに対向して配置されている。
また、電磁石(コイル状の部分)は、磁場がY軸方向に発生するように配置されている。
[Measurement of electromotive force]
FIG. 8 is a photograph of the measuring device used for measuring the electromotive force, and FIG. 9 is a schematic view thereof. In the measuring device of FIG. 8, a rectangular sample (a portion that looks black) when viewed from above is arranged in the center of the photograph. At this time, the pair of electrodes are arranged so as to face each other along the side of the quadrangle parallel to the Y axis.
Further, the electromagnet (coil-shaped portion) is arranged so that a magnetic field is generated in the Y-axis direction.

上記電磁石にバイポーラ直流電源(ADCMT社製、「6240A」)で電流を印加して磁場を発生させた。印加する電流は−30mAから+30mAまでスイープした。その結果、−12mTから+11mTの磁場が発生した。
このとき、正と負の電流で、それぞれ飽和した電圧値の差の半分を起電力(VISHE:逆スピンホール効果によって発生した起電力)とした。
図10には、印加した電流に応じて磁場が−12mTから+11mTに変化したときの電圧値の測定結果の一例を示した。図10におけるdVの半分の値を起電力とした。なお、試料に発生する起電力はナノボルトメータ(Keithley社製、「2182A」)で計測した。
A magnetic field was generated by applying a current to the electromagnet with a bipolar DC power supply (manufactured by ADCMT, "6240A"). The applied current was swept from −30 mA to + 30 mA. As a result, a magnetic field of -12 mT to + 11 mT was generated.
At this time, half of the difference between the saturated voltage values of the positive and negative currents was used as the electromotive force ( VISHE : electromotive force generated by the reverse spin Hall effect).
FIG. 10 shows an example of the measurement result of the voltage value when the magnetic field changes from -12 mT to +11 mT according to the applied current. Half the value of dV in FIG. 10 was used as the electromotive force. The electromotive force generated in the sample was measured with a nanovolt meter (“2182A” manufactured by Keithley).

[屋外での測定]
試料を含む上記測定装置一式をつくば市並木1−1の敷地にある5階建ての建造物の屋上に設置し、電流(磁場)をスイープして、試料の起電力を測定した。なお、気温、湿度、及び、天気は同市の気象台(つくば市長峰1−2)のデータを利用した。また、太陽光強度は屋上での実測値である。
[Measurement outdoors]
The above set of measuring devices including the sample was installed on the roof of a 5-story building on the site of 1-1 Namiki, Tsukuba City, and the current (magnetic field) was swept to measure the electromotive force of the sample. For temperature, humidity, and weather, we used data from the weather station in Tsukuba (1-2 Nagamine, Tsukuba). In addition, the sunlight intensity is an actual measurement value on the roof.

上記試料のGGG基板側から自然光が入射する形態(図11に試料の配置の模式図を示した。)と、黒体塗料層側から自然光が入射する形態(図13に試料の配置の模式図を示した。)で実施した。 A form in which natural light is incident from the GGG substrate side of the sample (FIG. 11 shows a schematic diagram of the sample arrangement) and a form in which natural light is incident from the blackbody paint layer side (FIG. 13 is a schematic diagram of the sample arrangement). Was shown.).

図12には、GGG基板側から自然光が入射する形態で測定した場合の晴れの夜間と、晴れの昼間とにおける起電力の大きさを示した。また、表1には測定条件を示した。 FIG. 12 shows the magnitude of the electromotive force between the sunny night and the sunny day when measured in the form in which natural light is incident from the GGG substrate side. Table 1 shows the measurement conditions.

図12から、夜間及び昼間で同じ符号の起電力が得られていることがわかった。夜間は、GGG基板からの放射冷却によって、熱電変換層の上側(宇宙側)の面の温度が相対的に低下して、所定の符号の起電力が得られ、一方、昼間は、GGG層からの放射冷却に加えて、黒体塗料層の可視、近赤外光による加熱で、熱電変換層の上側と下側との間の厚み方向に沿って生ずる温度勾配がより大きくなり、結果として、スピン流発生層とスピン流―電流変換層との界面近傍の温度勾配がより大きくなり、より大きな起電力が得られた。 From FIG. 12, it was found that the electromotive force of the same code was obtained at night and in the daytime. At night, the temperature of the upper surface (space side) of the thermoelectric conversion layer is relatively lowered by radiative cooling from the GGG substrate, and an electromotive force of a predetermined code is obtained, while during the daytime, the electromotive force is obtained from the GGG layer. In addition to radiative cooling, heating of the blackbody paint layer with visible, near-infrared light results in a greater temperature gradient along the thickness direction between the upper and lower sides of the thermoelectric conversion layer, resulting in a greater temperature gradient. The temperature gradient near the interface between the spin current generation layer and the spin current-current conversion layer became larger, and a larger electromotive force was obtained.

すなわち上記試料によれば、光の照射の有無にかかわらず、同一の符号の直流電流が得られ、かつ、光の照射下において、光による加熱と、放射冷却の相乗効果により、熱電変換素子の表裏により大きな温度勾配を発生できるため、より大きな起電力が得られることがわかった。 That is, according to the above sample, a direct current having the same code can be obtained regardless of the presence or absence of light irradiation, and the thermoelectric conversion element has a synergistic effect of heating with light and radiative cooling under light irradiation. It was found that a larger electromotive force can be obtained because a larger temperature gradient can be generated on the front and back sides.

表1中、「Temp.[degC]」とあるのは「気温(℃)」を表し、「Humidity[%]」とあるのは「湿度(%)」を表し、「Solar irradiance[mW/cm]」とあるのは「太陽照射強度(mW/cm)」を表している。なお、測定は2019年5月に行われた。 In Table 1, "Temp. [DegC]" means "temperature (° C.)", "Humidity [%]" means "humidity (%)", and "Solar irradiance [mW / cm]". 2 ] ”indicates“ solar irradiance intensity (mW / cm 2 ) ”. The measurement was carried out in May 2019.

図14には、黒体塗料層側から自然光が入射する形態で測定した場合の晴れの夜間と、晴れの昼間とにおける起電力の大きさを示した。また、表2には測定条件を示した。 FIG. 14 shows the magnitude of the electromotive force in the sunny night and the sunny day when measured in the form in which natural light is incident from the blackbody paint layer side. Table 2 shows the measurement conditions.

図14から、夜間及び昼間ともに起電力は得られるものの、符号(極性)が夜間及び昼間で異なっていることがわかった。夜間は、GGG基板からの放射冷却によって、熱電変換層の上側(宇宙側)の面の温度が、下側(GGG基板)との比較では相対的に低下して、所定の極性の起電力が得られ、一方、昼間は、光の入射側に配置された黒体塗料層が加熱されるため、GGG基板側よりも黒体塗料層側の温度が上昇して夜間と反対側の極性の電圧が得られることが分かった。 From FIG. 14, it was found that although electromotive force was obtained both at night and during the day, the sign (polarity) was different between night and day. At night, due to radiative cooling from the GGG substrate, the temperature of the upper surface (space side) of the thermoelectric conversion layer is relatively lower than that of the lower surface (GGG substrate), and the electromotive force of a predetermined polarity is generated. On the other hand, in the daytime, the blackbody paint layer arranged on the incident side of the light is heated, so that the temperature on the blackbody paint layer side is higher than that on the GGG substrate side, and the voltage of the polarity opposite to that at night. Was found to be obtained.

すなわち上記試料によれば、光の照射によって、異なる極性を有する直流電流が得られ、夜間は放射冷却の効果、昼間は光による加熱の効果のそれぞれにより発生した温度勾配により起電力が得られることがわかった。 That is, according to the above sample, direct currents having different polarities can be obtained by irradiating light, and electromotive force can be obtained by the temperature gradient generated by the effect of radiative cooling at night and the effect of heating by light during the day. I understood.

表2中、各項目は表1における各項目と同義であり、測定も2019年5月である。 In Table 2, each item has the same meaning as each item in Table 1, and the measurement is also in May 2019.

[屋内での測定]
屋外での測定で用いたのと同様の測定装置を屋内に配置して測定を実施した。屋外の環境を再現するため、低温である宇宙の代わりに冷却ステージ(ビックス社製,「LVPU−40」)、太陽の代わにソーラーシミュレータ(擬似太陽光照射装置;Peccel社,「PEC−L01」)、をそれぞれ使用した。なお、冷却ステージは試料には接触させず、試料との距離が約6cmとなるよう配置し、かつ、ステージ面を摂氏0度に冷却するよう調整した。
擬似太陽光照射装置は、試料に照射する擬似太陽光強度が約50mW/cmとなるよう調整した。測定は屋外での測定と同様に、電流をスイープしておこなった。
[Measurement indoors]
The measurement was carried out by arranging the same measuring device used for the outdoor measurement indoors. In order to reproduce the outdoor environment, instead of the low temperature space, a cooling stage (manufactured by Bix, "LVPU-40"), a solar simulator instead of the sun (pseudo solar irradiation device; Peccel, "PEC-L01" ), Was used respectively. The cooling stage was arranged so that the distance from the sample was about 6 cm without contacting the sample, and the stage surface was adjusted to be cooled to 0 degrees Celsius.
The pseudo-sunlight irradiation device was adjusted so that the intensity of the pseudo-sunlight irradiating the sample was about 50 mW / cm 2. The measurement was performed by sweeping the current in the same manner as the outdoor measurement.

屋外での測定と同様に、試料のGGG基板側から自然光が入射する形態(図15に試料の配置の模式図を示した。)と、黒体塗料層側から自然光が入射する形態(図17に試料の配置の模式図を示した。)で実施した。
まず、冷却ステージと疑似太陽光照射装置とをそれぞれ単独で稼働させ、起電力を測定し、更に、冷却ステージと疑似太陽光照射装置とを同時に稼働させ、起電力を測定した。
Similar to the outdoor measurement, a form in which natural light is incident from the GGG substrate side of the sample (a schematic diagram of the arrangement of the sample is shown in FIG. 15) and a form in which natural light is incident from the blackbody paint layer side (FIG. 17). A schematic diagram of the sample arrangement is shown in (1).
First, the cooling stage and the pseudo-sunlight irradiation device were operated independently to measure the electromotive force, and further, the cooling stage and the pseudo-sunlight irradiation device were operated at the same time to measure the electromotive force.

図16には、図15の配置で試験を行った場合の各条件における起電力を示した。
図16中、横軸の「冷却ステージのみ」とあるのは、冷却ステージのみを稼働させた場合の起電力を示し、「疑似太陽光のみ」とあるのは、疑似太陽光照射装置のみを稼働させた場合の起電力を示し、「冷却ステージと疑似太陽光」とあるのは、冷却ステージと疑似太陽光照射装置とを同時に稼働させた場合の起電力を示している。また縦軸は起電力の大きさとその符号(極性)を示している。
FIG. 16 shows the electromotive force under each condition when the test was performed in the arrangement of FIG.
In FIG. 16, "only the cooling stage" on the horizontal axis indicates the electromotive force when only the cooling stage is operated, and "only pseudo-sunlight" means that only the pseudo-solar irradiation device is operated. The electromotive force when the cooling stage and the pseudo-solar irradiation device are operated at the same time indicates the electromotive force when the cooling stage and the pseudo-solar irradiation device are operated at the same time. The vertical axis shows the magnitude of the electromotive force and its sign (polarity).

図16に示した結果から、いずれの条件でも同一符号(同一極性)の起電力が得られることがわかった。これは、図16のGGG基板側と、黒体塗料層側とを比べると、GGG基板側の方がいずれの条件でもより低温であることに起因している。すなわち、「冷却ステージのみ」の場合は、放射冷却によりGGG基板が冷却されて、黒体層と比較して相対的に低温に、「疑似太陽光のみ」の場合には、光加熱により黒体塗料層側が加熱されて、GGG基板側と比較して相対的に高温になったものと考えられる。
起電力の大きさを比較すると、「冷却ステージと疑似太陽光」の場合、他の条件より起電力が大きくなった。これは、上記の放射冷却の効果と光加熱の効果が相乗的に発現したためと考えられる。
From the results shown in FIG. 16, it was found that the electromotive force having the same code (same polarity) can be obtained under any condition. This is because when the GGG substrate side of FIG. 16 and the blackbody paint layer side are compared, the GGG substrate side has a lower temperature under any condition. That is, in the case of "cooling stage only", the GGG substrate is cooled by radiative cooling to a relatively low temperature compared to the blackbody layer, and in the case of "pseudo-sunlight only", the blackbody is heated by light. It is considered that the coating layer side was heated and the temperature became relatively high as compared with the GGG substrate side.
Comparing the magnitudes of the electromotive force, in the case of "cooling stage and pseudo-sunlight", the electromotive force was larger than other conditions. It is considered that this is because the above-mentioned effect of radiative cooling and the effect of light heating are synergistically expressed.

一方、試料の配置が図17に示した形態であると、結果を図18に示したとおり、「冷却ステージのみ」の場合と比較して、「疑似太陽光のみ」及び「冷却ステージと疑似太陽光」の場合は、得られる起電力の符号(極性)が異なることがわかった。 On the other hand, when the sample arrangement is in the form shown in FIG. 17, as shown in FIG. 18, the results are "pseudo-sunlight only" and "cooling stage and pseudo-sun" as compared with the case of "cooling stage only". In the case of "light", it was found that the code (polarity) of the obtained electromotive force was different.

図18の「冷却ステージのみ」の場合、放射冷却により黒体塗料層側が冷却され、GGG基板側と比較してより低温になり、+の起電力が生じたものと考えられる。一方、「疑似太陽光のみ」及び「冷却ステージと疑似太陽光」の場合、起電力が−であるため、黒体塗料層側の温度が、GGG基板側の温度と比較して高いことがわかる。これは、疑似太陽光の照射により黒体塗料層側が光加熱されたものであることを示している。 In the case of “only the cooling stage” in FIG. 18, it is considered that the blackbody paint layer side was cooled by radiative cooling, the temperature became lower than that on the GGG substrate side, and a positive electromotive force was generated. On the other hand, in the case of "pseudo-sunlight only" and "cooling stage and pseudo-sunlight", since the electromotive force is-, it can be seen that the temperature on the blackbody paint layer side is higher than the temperature on the GGG substrate side. .. This indicates that the blackbody paint layer side is light-heated by irradiation with pseudo-sunlight.

上記は、「冷却ステージと疑似太陽光」の場合に、起電力の絶対値が「疑似太陽光のみ」の場合と比較してより小さくなっていることからも支持される。すなわち、「冷却ステージと疑似太陽光」の条件では、黒体塗料層に対する光加熱効果と放射冷却効果とが競合し、「疑似太陽光のみ」の場合と比較して、黒体塗料層の温度上昇がより抑制された(GGG基板側との間で厚み方向に沿って生ずる温度勾配がより小さくなり、スピン流発生層とスピン流―電流変換層との界面近傍の温度勾配がより小さくなった)ためだと考えられる。 The above is also supported by the fact that the absolute value of the electromotive force in the case of "cooling stage and pseudo-sunlight" is smaller than that in the case of "pseudo-sunlight only". That is, under the condition of "cooling stage and pseudo-sunlight", the light heating effect and the radiant cooling effect on the blackbody paint layer compete with each other, and the temperature of the blackbody paint layer is higher than that of "pseudo-sunlight only". The rise was more suppressed (the temperature gradient generated along the thickness direction with the GGG substrate side became smaller, and the temperature gradient near the interface between the spin current generation layer and the spin current-current conversion layer became smaller. ) It is thought that this is the reason.

上記の結果から、GGG基板側から光を照射した場合には、放射冷却の効果と光加熱の効果の両方が同じ符号の起電力を発現し、より効率よく発電が可能であることがわかった。 From the above results, it was found that when light is irradiated from the GGG substrate side, both the effect of radiative cooling and the effect of light heating express electromotive force of the same sign, and more efficient power generation is possible. ..

10 :積層体
11 :光放射層
12 :スピン流発生層
13 :光放射−スピン流発生層
14 :スピン流−電流変換層
15 :光吸収層
20 :熱電変換素子
21 :電極
40 :発電装置
41 :貯蔵装置
42 :導線
50、60 :排熱回収システム
51 :熱源
61 :建造物
10: Laminated body 11: Light radiation layer 12: Spin flow generation layer 13: Light radiation-spin flow generation layer 14: Spin flow-current conversion layer 15: Light absorption layer 20: Thermoelectric conversion element 21: Electrode 40: Power generation device 41 : Storage device 42: Lead wires 50, 60: Exhaust heat recovery system 51: Heat source 61: Building

Claims (13)

可視光、及び、近赤外光を透過し、中赤外光を吸収し、かつ、スピン流を発生可能な、光放射−スピン流発生層と、
前記光放射−スピン流発生層の少なくとも一部と接して配置された、スピン軌道相互作用を有する、スピン流−電流変換層と、
可視光、及び、近赤外光を吸収する、光吸収層と、をこの順に有する積層体。
A light radiation-spin current generation layer that transmits visible light and near-infrared light, absorbs mid-infrared light, and can generate spin current.
A spin-orbit-current conversion layer having a spin-orbit interaction, which is arranged in contact with at least a part of the light radiation-spin current generation layer.
A laminate having a light absorbing layer that absorbs visible light and near infrared light in this order.
前記光放射−スピン流発生層が磁化方向が揃った磁性体を含有する層である、請求項1に記載の積層体。 The laminate according to claim 1, wherein the light radiation-spin flow generation layer is a layer containing a magnetic material having the same magnetization direction. 前記磁性体が磁性絶縁体である請求項2に記載の積層体。 The laminate according to claim 2, wherein the magnetic material is a magnetic insulator. 前記磁性絶縁体がガーネットフェライト、及び、スピネルフェライトからなる群より選択される少なくとも1種を含有する、請求項3に記載の積層体。 The laminate according to claim 3, wherein the magnetic insulator contains at least one selected from the group consisting of garnet ferrite and spinel ferrite. 前記磁性体が保磁力を有する、請求項2〜4のいずれか1項に記載の積層体。 The laminate according to any one of claims 2 to 4, wherein the magnetic material has a coercive force. 前記スピン流−電流変換層が金属を含有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の積層体。 The laminate according to any one of claims 1 to 5, wherein the spin current-current conversion layer contains a metal. 前記スピン流−電流変換層の厚みが、1〜100nmである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の積層体。 The laminate according to any one of claims 1 to 6, wherein the spin current-current conversion layer has a thickness of 1 to 100 nm. 前記光放射−スピン流発生層の側から光を照射して、スピン流、及び、電流からなる群より選択される少なくとも一方を得るために使用される、請求項1〜7のいずれか1項に記載の積層体。 Any one of claims 1 to 7, which is used to irradiate light from the side of the light radiation-spin current generating layer to obtain at least one selected from the group consisting of spin current and current. The laminate described in. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の積層体を有する熱電変換素子。 A thermoelectric conversion element having the laminate according to any one of claims 1 to 8. 請求項9に記載の熱電変換素子に光を照射して、電力を得る、熱電変換素子の使用方法。 A method of using a thermoelectric conversion element, which obtains electric power by irradiating the thermoelectric conversion element according to claim 9 with light. 請求項9に記載の熱電変換素子を有する発電装置。 A power generation device having the thermoelectric conversion element according to claim 9. 発熱体と、前記発熱体上に配置された請求項9に記載の熱電変換素子とを有する排熱回収システム。 A waste heat recovery system having a heating element and the thermoelectric conversion element according to claim 9 arranged on the heating element. 熱電変換素子の一方側の主面に、
可視光、及び、近赤外光を透過し、中赤外光を吸収する部材を接触して配置し、
他方側の主面の少なくとも一部に、
可視光、及び、近赤外光を吸収する部材を接触して配置し、
前記一方側の主面から前記他方側の主面に向かう前記熱電変換素子の厚み方向に沿って熱勾配を生じさせる方法。

On one main surface of the thermoelectric conversion element,
Members that transmit visible light and near-infrared light and absorb mid-infrared light are placed in contact with each other.
On at least part of the main surface on the other side,
Members that absorb visible light and near-infrared light are placed in contact with each other.
A method of generating a thermal gradient along the thickness direction of the thermoelectric conversion element from the main surface on one side to the main surface on the other side.

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WO2022239615A1 (en) * 2021-05-14 2022-11-17 国立大学法人東北大学 Magnetic metamaterial, spin current control device, and spin current control method

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