JP2022129848A - Magnetic material, laminate, and manufacturing method of laminate, thermoelectric conversion element, and magnetic sensor - Google Patents

Magnetic material, laminate, and manufacturing method of laminate, thermoelectric conversion element, and magnetic sensor Download PDF

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Abstract

To provide a magnetic material that can be fabricated on a non-single-crystal substrate or a flexible substrate and has excellent thermoelectric conversion efficiency, a laminate, a manufacturing method of the laminate, and a thermoelectric conversion element and a magnetic sensor having the laminate.SOLUTION: A magnetic material has a polycrystalline Co-based Heusler alloy and having a film shape, and a crystal structure of the Co-based Heusler alloy is at least one selected from the group consisting of an L21 ordered structure and a B2 ordered structure, and the crystal orientation of the Co-based Heusler alloy is oriented in the thickness direction of the film.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、磁性材料、積層体及び積層体の製造方法並びに熱電変換素子及び磁気センサに関する。 The present invention relates to a magnetic material, a laminate, a method for manufacturing the laminate, a thermoelectric conversion element, and a magnetic sensor.

特許文献1には非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなる熱電変換素子を備え、前記熱電変換素子には、異常ネルンスト効果により、面内の微小磁化方向と直交する方向に生じる温度差により電圧が発生することを特徴とする熱電変換デバイスが記載されている。 Patent Document 1 includes a thermoelectric conversion element made of an antiferromagnetic material having a non-collinear spin structure, and the thermoelectric conversion element has a temperature generated in a direction perpendicular to the in-plane minute magnetization direction due to the anomalous Nernst effect. A thermoelectric conversion device is described in which a voltage is generated due to the difference.

特許文献2にはフェルミエネルギーの近傍にワイル点を有するバンド構造の物質からなり、異常ネルンスト効果により起電力を生じる熱電機構を有する、熱電変換素子が記載されている。 Patent Document 2 describes a thermoelectric conversion element that is made of a band-structured material having a Weyl point near the Fermi energy and has a thermoelectric mechanism that generates an electromotive force due to the anomalous Nernst effect.

特許第6611167号公報Japanese Patent No. 6611167 国際公開第2019/009308号WO2019/009308

しかしながら、特許文献1及び2に記載の磁性材料は単結晶のバルク試料又は単結晶の薄膜試料である。そのため、磁性材料を非単結晶基板あるいはフレキシブル基板に作製することが難しいという問題があった。また、磁性材料が単結晶でない場合、熱電変換効率が十分ではないという問題があった。 However, the magnetic materials described in Patent Documents 1 and 2 are single crystal bulk samples or single crystal thin film samples. Therefore, there is a problem that it is difficult to fabricate a magnetic material on a non-single-crystal substrate or a flexible substrate. Moreover, when the magnetic material is not a single crystal, there is a problem that the thermoelectric conversion efficiency is not sufficient.

本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、非単結晶基板あるいはフレキシブル基板に作製することができかつ熱電変換効率に優れる磁性材料、積層体及び積層体の製造方法並びに前記積層体を有する熱電変換素子及び磁気センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and includes a magnetic material that can be produced on a non-single-crystal substrate or a flexible substrate and has excellent thermoelectric conversion efficiency, a laminate, a method for producing the laminate, and the laminate. An object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element and a magnetic sensor having the above.

前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供している。
(1)本発明に係る磁性材料の一様態は、多結晶であるCo基ホイスラー合金を有し、かつ膜形状であり、
前記Co基ホイスラー合金の結晶構造は、L2規則構造及びB2構造からなる群の中の少なくとも1種以上であり、
膜の厚さ方向に前記Co基ホイスラー合金の結晶方位が配向することを特徴とする。
(2)(1)に記載の磁性材料は、化学組成は、組成式で、CoαMnβγで表され、
Xは、Ga、Al、Si及びGeからなる群の中の少なくとも1種以上であり、
αは1.8以上2.2以下の範囲で、βは0.8以上1.2以下の範囲で、γは0.8以上1.2以下の範囲であってもよい。
(3)(1)又は(2)に記載の磁性材料は、前記膜の厚さ方向に配向する前記Co基ホイスラー合金の結晶方位のX線回折ピークの半値幅が1°以下であってもよい。
(4)(1)~(3)のいずれか一項に記載の磁性材料は、前記膜の厚さが、2nm以上50nm以下であってもよい。
(5)本発明に係る積層体の一様態は、基材と、
前記基材の上に設けられ、AlNを有し、かつAlNの結晶構造は、立方晶及び六方晶からなる群の中の少なくとも一種以上である緩衝層と、
前記緩衝層の上に設けられ、前記緩衝層に近い側から、
請求項1~4のいずれか一項に記載の磁性材料を含む合金層と、
AlNを有し、かつAlNの結晶構造は、立方晶及び六方晶からなる群の中の少なくとも一種以上であるキャップ層と、を有する混合層と、を有することを特徴とする。
(6)(5)に記載の積層体は、前記混合層の上に、さらに1層以上の前記混合層を有してもよい。
(7)(5)又は(6)に記載の積層体は、前記緩衝層の厚さが10nm以上50nm以下であり、前記キャップ層の厚さが1nm以上50nm以下であってもよい。
(8)本発明に係る熱電変換素子の一様態は、(5)~(7)のいずれか一項に記載の積層体を有する熱電変換材料と、電極材料と、を有することを特徴とする。
(9)本発明に係る磁気センサの一様態は、(5)~(7)のいずれか一項に記載の積層体を含む磁気を検出する検出部を有することを特徴とする。
(10)本発明に係る積層体の製造方法の一様態は、(5)~(7)のいずれか一項に記載の積層体の製造方法であって、
基材の上にAlN層を設ける工程と、
前記AlN層の上にCo基ホイスラー合金を有する合金層を設ける工程と、
前記合金層の上にAlNを有するキャップ層を設ける工程と、
前記キャップ層が設けられた前記基材を400℃以上800℃以下で熱処理する工程と、を有することを特徴とする。
(11)(10)に記載の積層体の製造方法は、前記熱処理する工程で、圧力が10-4Pa以下であり、熱処理時間が2時間以上であってもよい。
In order to solve the above problems, the present invention provides the following means.
(1) One aspect of the magnetic material according to the present invention has a polycrystalline Co-based Heusler alloy and has a film shape,
The crystal structure of the Co-based Heusler alloy is at least one selected from the group consisting of an L21 ordered structure and a B2 structure,
The crystal orientation of the Co-based Heusler alloy is oriented in the thickness direction of the film.
(2) The magnetic material described in (1) has a chemical composition represented by a composition formula of Co α Mn β X γ ,
X is at least one selected from the group consisting of Ga, Al, Si and Ge;
α may range from 1.8 to 2.2, β may range from 0.8 to 1.2, and γ may range from 0.8 to 1.2.
(3) In the magnetic material described in (1) or (2), even if the half width of the X-ray diffraction peak of the crystal orientation of the Co-based Heusler alloy oriented in the thickness direction of the film is 1° or less good.
(4) In the magnetic material according to any one of (1) to (3), the thickness of the film may be 2 nm or more and 50 nm or less.
(5) One aspect of the laminate according to the present invention is a base material,
a buffer layer provided on the base material and containing AlN, wherein the crystal structure of AlN is at least one or more selected from the group consisting of cubic and hexagonal;
Provided on the buffer layer, from the side close to the buffer layer,
An alloy layer containing the magnetic material according to any one of claims 1 to 4;
The mixed layer includes AlN, and the AlN crystal structure includes a cap layer of at least one type selected from the group consisting of cubic crystals and hexagonal crystals.
(6) The laminate described in (5) may further have one or more mixed layers on the mixed layer.
(7) In the laminate described in (5) or (6), the buffer layer may have a thickness of 10 nm or more and 50 nm or less, and the cap layer may have a thickness of 1 nm or more and 50 nm or less.
(8) One aspect of the thermoelectric conversion element according to the present invention comprises a thermoelectric conversion material having the laminate according to any one of (5) to (7), and an electrode material. .
(9) One aspect of the magnetic sensor according to the present invention is characterized by having a detection portion that detects magnetism including the laminate according to any one of (5) to (7).
(10) One aspect of the method for producing a laminate according to the present invention is the method for producing a laminate according to any one of (5) to (7),
providing an AlN layer on the substrate;
providing an alloy layer having a Co-based Heusler alloy on the AlN layer;
providing a cap layer comprising AlN on the alloy layer;
and heat-treating the base material provided with the cap layer at 400° C. or higher and 800° C. or lower.
(11) In the method of manufacturing a laminate described in (10), in the heat treatment step, the pressure may be 10 −4 Pa or less, and the heat treatment time may be 2 hours or more.

本発明によれば、非単結晶基板あるいはフレキシブル基板に作製することができかつ熱電変換効率に優れる磁性材料、積層体及び積層体の製造方法並びに前記積層体を有する熱電変換素子及び磁気センサを提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, there are provided a magnetic material that can be produced on a non-single crystal substrate or a flexible substrate and has excellent thermoelectric conversion efficiency, a laminate, a method for producing the laminate, and a thermoelectric conversion element and a magnetic sensor having the laminate. can do.

本発明の実施形態に係る積層体の模式図である。It is a mimetic diagram of a layered product concerning an embodiment of the present invention. Co基ホイスラー合金のL2規則構造及び電子構造の模式図である。 1 is a schematic diagram of the L21 ordered structure and electronic structure of a Co-based Heusler alloy; FIG. 本発明の実施形態に係る熱電変換素子の模式図である。1 is a schematic diagram of a thermoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施形態に係る磁気センサを示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a magnetic sensor according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の実施形態に係る積層体の製造方法のフローチャートである。It is a flow chart of a manufacturing method of a layered product concerning an embodiment of the present invention. 本発明の実施例に係る積層体のTEM写真である。1 is a TEM photograph of a laminate according to an example of the present invention; 本発明の実施例に係る積層体のX線回折の測定結果である。It is the measurement result of the X-ray diffraction of the laminated body which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例の積層体に係るX線反射率の測定結果である。It is the measurement result of the X-ray reflectance concerning the laminated body of the Example of this invention. 本発明の実施例に係る積層体の異常ネルンスト効果の測定結果である。It is a measurement result of the anomalous Nernst effect of the laminate according to the example of the present invention. 本発明の実施例に係る積層体の異常ホール効果の測定結果である。4 is a measurement result of the anomalous Hall effect of the laminate according to the example of the present invention; 本発明の実施例に係る積層体のTEM写真である。4 is a TEM photograph of a laminate according to an example of the present invention; フレキシブル基板上に本発明の実施例に係る磁性材料を形成した場合の異常ネルンスト電圧の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the abnormal Nernst voltage at the time of forming the magnetic material based on the Example of this invention on a flexible substrate. ポリイミド基板上に本発明の実施例に係る磁性材料を形成した積層体の写真である。4 is a photograph of a laminate in which a magnetic material according to an example of the present invention is formed on a polyimide substrate;

<磁性材料>
まず、本発明の実施形態に係る磁性材料を説明する。本発明の実施形態に係る磁性材料は多結晶であるCo基ホイスラー合金を有する。Co基ホイスラー合金の結晶構造は、L2規則構造及びB2構造からなる群の中の少なくとも1種以上である。本発明の実施形態に係る磁性材料は膜形状である。膜の厚さ方向にCo基ホイスラー合金の結晶方位が配向する。膜形状として例えば薄膜が挙げられる。
<Magnetic material>
First, a magnetic material according to an embodiment of the present invention will be described. A magnetic material according to an embodiment of the present invention comprises a Co-based Heusler alloy that is polycrystalline. The crystal structure of the Co-based Heusler alloy is at least one selected from the group consisting of the L21 ordered structure and the B2 structure. A magnetic material according to an embodiment of the present invention is in the form of a film. The crystal orientation of the Co-based Heusler alloy is oriented in the thickness direction of the film. For example, the shape of the film is a thin film.

(Co基ホイスラー合金)
本実施形態において、磁性材料は多結晶であるCo基ホイスラー合金を有する。Co基ホイスラー合金の化学組成は、組成式で、CoαMnβγで表されることが好ましい。ただし、Xは、Ga、Al、Si及びGeからなる群の中の少なくとも1種以上である。αは1.8以上2.2以下の範囲で、βは0.8以上1.2以下の範囲で、γは0.8以上1.2以下の範囲であることが好ましい。これにより、磁性材料の熱電変換効率および磁気センサの感度が更に向上する。Co基ホイスラー合金は多結晶である。これにより、磁性材料の変形性が向上する。磁性材料の化学組成は、例えばエネルギー分散型X線分析(Energy dispersive X-ray spectroscopy;EDS)で測定してもよい。なお、変形性とは、弾性域でのマクロな膜の変形量の大きさを示す。変形性が大きければ、弾性域でより大きな変形が許容されることを示す。また、変形性が小さければ、弾性域で変形が許容される量が小さいことを示す。
(Co-based Heusler alloy)
In this embodiment, the magnetic material comprises a Co-based Heusler alloy that is polycrystalline. The chemical composition of the Co-based Heusler alloy is preferably represented by a composition formula of Co α Mn β X γ . However, X is at least one or more selected from the group consisting of Ga, Al, Si and Ge. Preferably, α is in the range of 1.8 to 2.2, β is in the range of 0.8 to 1.2, and γ is in the range of 0.8 to 1.2. This further improves the thermoelectric conversion efficiency of the magnetic material and the sensitivity of the magnetic sensor. Co-based Heusler alloys are polycrystalline. This improves the deformability of the magnetic material. The chemical composition of the magnetic material may be measured, for example, by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The deformability indicates the amount of macroscopic deformation of the membrane in the elastic region. Greater deformability indicates that greater deformation is allowed in the elastic range. Also, if the deformability is small, it indicates that the amount of deformation allowed in the elastic region is small.

(Co基ホイスラー合金の結晶構造)
本実施形態において、Co基ホイスラー合金の結晶構造は、L2規則構造及びB2構造からなる群の中の少なくとも1種以上である。これにより、磁性材料の熱電変換効率が更に向上する。図2は、Co基ホイスラー合金のL2規則構造の模式図である(出典;特許文献2)。図2に示すように、L2構造は4個の面心格子が入り子になっている構造である。4個の副格子をA、B、C、Dとすると、分数座標はそれぞれ(0、0、0)、(1/4、1/4、1/4)、(1/2、1/2、1/2)、(3/4、3/4、3/4)で表される。L2規則構造では、U原子がA及びCサイトを占め、V原子がBサイトを占め、W原子がDサイトを占める。図2において、U原子がCoであり、V原子がGaであり、W原子がMnである。L2規則構造では、V原子とW原子とを完全に入れ替えてもよい。B2構造では、BサイトとDサイトを占めるV原子及びW原子の配置が無秩序化する。本実施形態においてCo基ホイスラー合金の結晶構造は、L2規則構造であることがより好ましい。これにより、磁性材料の熱電変換効率および磁気センサの感度が更に向上する。
(Crystal structure of Co-based Heusler alloy)
In this embodiment, the crystal structure of the Co-based Heusler alloy is at least one selected from the group consisting of an L21 ordered structure and a B2 structure. This further improves the thermoelectric conversion efficiency of the magnetic material. FIG. 2 is a schematic diagram of the L21 ordered structure of a Co-based Heusler alloy (source: Patent Document 2). As shown in FIG. 2, the L2 1 structure is a nested structure of four face-centered lattices. If the four sublattices are A, B, C, and D, the fractional coordinates are (0, 0, 0), (1/4, 1/4, 1/4), (1/2, 1/2), respectively. , 1/2), (3/4, 3/4, 3/4). In the L2 1 -ordered structure, U atoms occupy the A and C sites, V atoms occupy the B sites, and W atoms occupy the D sites. In FIG. 2, U atoms are Co, V atoms are Ga, and W atoms are Mn. In the L2 1 -ordered structure, the V atoms and W atoms may be completely interchanged. In the B2 structure, the arrangement of V and W atoms occupying the B and D sites is disordered. In the present embodiment, the crystal structure of the Co - based Heusler alloy is more preferably an L21 ordered structure. This further improves the thermoelectric conversion efficiency of the magnetic material and the sensitivity of the magnetic sensor.

(膜形状)
本実施形態において、磁性材料は膜形状である。これにより、磁性材料の変形性が向上する。膜の厚さは2nm以上かつ50nm以下であることが好ましい。膜の厚さが2nm以上である場合、磁性材料の熱電変換効率および磁気センサの感度が更に向上する。膜の厚さは5nm以上であることが好ましく、8nm以上であることがより好ましく、10nm以上であることが更に好ましい。膜の厚さが50nm以下である場合、磁性材料の曲げ特性がさらに向上する。膜の厚さは40nm以下であることが好ましく、30nm以下であることがより好ましく、25nm以下であることが更に好ましい。
(membrane shape)
In this embodiment, the magnetic material is film-shaped. This improves the deformability of the magnetic material. The thickness of the film is preferably 2 nm or more and 50 nm or less. When the thickness of the film is 2 nm or more, the thermoelectric conversion efficiency of the magnetic material and the sensitivity of the magnetic sensor are further improved. The thickness of the film is preferably 5 nm or more, more preferably 8 nm or more, and even more preferably 10 nm or more. When the thickness of the film is 50 nm or less, the bending properties of the magnetic material are further improved. The thickness of the film is preferably 40 nm or less, more preferably 30 nm or less, and even more preferably 25 nm or less.

(結晶方位の配向)
本実施形態において、膜の厚さ方向にCo基ホイスラー合金の結晶方位が配向する。これにより、磁性材料の熱電変換効率が向上する。膜の厚さ方向にCo基ホイスラー合金の結晶方位が配向するとは、膜の厚さ方向と平行な方向から磁性材料を見た時、同じ結晶面が観察されることを言う。膜の厚さ方向に配向するCo基ホイスラー合金の結晶方位のX線回折ピークの半値幅が1°以下であることが好ましい。これにより、Co基ホイスラー合金の結晶方位が膜の厚さ方向により高く配向する。また、Co基ホイスラー合金の結晶性が更に向上する。その結果、磁性材料の熱電変換効率および磁気センサの感度がさらに向上する。膜の厚さ方向に配向するCo基ホイスラー合金の結晶方位は(110)面であってもよい。また、本実施形態において、磁性材料は多結晶であるので、各々の結晶粒は、任意な結晶粒を膜の厚さ方向の軸周りに回転した結晶粒を有する。
(Orientation of crystal orientation)
In this embodiment, the crystal orientation of the Co-based Heusler alloy is oriented in the thickness direction of the film. This improves the thermoelectric conversion efficiency of the magnetic material. The fact that the crystal orientation of the Co-based Heusler alloy is oriented in the thickness direction of the film means that the same crystal plane is observed when the magnetic material is viewed from a direction parallel to the thickness direction of the film. The half width of the X-ray diffraction peak of the crystal orientation of the Co-based Heusler alloy oriented in the thickness direction of the film is preferably 1° or less. As a result, the crystal orientation of the Co-based Heusler alloy is oriented higher in the thickness direction of the film. Moreover, the crystallinity of the Co-based Heusler alloy is further improved. As a result, the thermoelectric conversion efficiency of the magnetic material and the sensitivity of the magnetic sensor are further improved. The crystal orientation of the Co-based Heusler alloy oriented in the thickness direction of the film may be the (110) plane. Also, in this embodiment, since the magnetic material is polycrystalline, each crystal grain has a crystal grain obtained by rotating an arbitrary crystal grain around an axis in the thickness direction of the film.

ここで、X線回折ピークの半値幅とは、膜の厚さ方向に垂直な面をX線回折法で測定して得られるX線回折ピークの半値幅である。X線回折法は公知の方法使用することができる。 Here, the half-value width of the X-ray diffraction peak is the half-value width of the X-ray diffraction peak obtained by measuring a plane perpendicular to the thickness direction of the film by an X-ray diffraction method. A known method can be used for the X-ray diffraction method.

本実施形態に係る磁性材料は上述の構成を有する。続いて、本実施形態に係る磁性材料の作用効果について説明する。Co基ホイスラー合金は、大きな異常ネルンスト効果(Anomalous Nernst effect;ANE)や異常ホール効果(Anomalous Hall effect;AHE)を示す。そのため、高感度センサや高効率熱電変換素子の候補材料として注目を集めている。 The magnetic material according to this embodiment has the above configuration. Next, the effects of the magnetic material according to this embodiment will be described. A Co-based Heusler alloy exhibits a large anomalous Nernst effect (ANE) and an anomalous Hall effect (AHE). Therefore, it is attracting attention as a candidate material for high-sensitivity sensors and high-efficiency thermoelectric conversion elements.

Co基ホイスラー合金が大きな異常ネルンスト効果を示す理由として、電子構造のトポロジーが特徴的であることが挙げられる。図3に示すように、CoMnGaは、フェルミエネルギーE近傍では、最も大きなフェルミ面を形成するバンドと別のバンドが交差して線形分散をなしている。双方のバンドの分散がほぼフラットになるので、状態密度(density of states;DOS)が大きくなる。CoαMnβγは、図4のようなトポロジカルな電子構造を有するので、大きな異常ネルンスト効果を示すと考えられる。 One of the reasons why the Co-based Heusler alloy exhibits a large anomalous Nernst effect is that the topology of the electronic structure is characteristic. As shown in FIG. 3, in the vicinity of the Fermi energy EF, Co 2 MnGa has a linear dispersion in which a band forming the largest Fermi surface intersects with another band. The density of states (DOS) increases as the dispersion of both bands becomes nearly flat. Since Co α Mn β X γ has a topological electronic structure as shown in FIG. 4, it is considered to exhibit a large anomalous Nernst effect.

異常ネルンスト係数SANEは、下記の(1)式で表されると考えられている。
ANE=ρxxαxy-SSE×tanθAHE・・・(1)
ただし、ρxxは縦方向の比抵抗(longitudinal resistivity)、αxyは横方向の熱電伝導度(Transverse thermoelectric conductivity)、SSEはゼーベック係数、θAHEは異常ホール角である。
The anomalous Nernst coefficient SANE is considered to be represented by the following equation (1).
S ANExx α xy −S SE ×tan θ AHE (1)
where ρ xx is the longitudinal resistivity, α xy is the transverse thermoelectric conductivity, S SE is the Seebeck coefficient, and θ AHE is the anomalous Hall angle.

(1)式に示すように、異常ホール係数が大きくなれば、異常ネルンスト係数も大きくなる傾向がある。そのため、異常ネルンスト係数が大きな材料は大きな異常ホール係数を示すことが多いと考えられている。 As shown in equation (1), the anomalous Nernst coefficient tends to increase as the anomalous Hall coefficient increases. Therefore, it is believed that materials with large anomalous Nernst coefficients often exhibit large anomalous Hall coefficients.

上記の優れた特性を発現させるためには、単結晶成長させたバルク材料及び単結晶基板上に成長させた単結晶薄膜が作製されていた。しかしながら、単結晶成長させたバルク材料及び単結晶基板上に成長させた単結晶薄膜は、変形性が不十分であるので、様々な形状に変形させることが難しかった。そのため、Co基ホイスラー合金を実デバイスへ応用するのが難しかった。 In order to develop the above excellent properties, a single crystal bulk material and a single crystal thin film grown on a single crystal substrate have been produced. However, bulk materials grown as single crystals and single-crystal thin films grown on single-crystal substrates have poor deformability, making it difficult to deform them into various shapes. Therefore, it has been difficult to apply the Co-based Heusler alloy to actual devices.

本実施形態に係る磁性材料は多結晶であるので、非単結晶基板あるいはフレキシブル基板に作製することができる。そのため、本実施形態に係る磁性材料は、単結晶成長させたバルク材料及び単結晶基板上に成長させた単結晶薄膜と比較して変形性が高い。また、本実施形態に係る磁性材料は、膜の厚さ方向にCo基ホイスラー合金の結晶方位が配向するので、大きな異常ネルンスト効果(ANE)や異常ホール効果(AHE)を示す。そのため、本実施形態に係る磁性材料は、高い熱電変換効率及び高い磁気感度を有する。 Since the magnetic material according to this embodiment is polycrystalline, it can be fabricated on a non-single-crystal substrate or a flexible substrate. Therefore, the magnetic material according to the present embodiment has high deformability compared to a bulk material grown as a single crystal and a single crystal thin film grown on a single crystal substrate. In addition, the magnetic material according to the present embodiment exhibits a large anomalous Nernst effect (ANE) and anomalous Hall effect (AHE) because the crystal orientation of the Co-based Heusler alloy is oriented in the thickness direction of the film. Therefore, the magnetic material according to this embodiment has high thermoelectric conversion efficiency and high magnetic sensitivity.

続いて本発明の実施形態に係る積層体10について図面を用いて説明する。なお、同一の構成の場合は同一の符号を付して説明を省略する場合がある。 Next, a laminate 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in the case of the same structure, the same code|symbol may be attached|subjected and description may be abbreviate|omitted.

<積層体10>
図1は、本発明の実施形態に係る積層体10の模式図を示す。図1に示すように、本実施形態に係る積層体10は、基材20と、緩衝層30と、混合層40aと、混合層40bとを有する。混合層40aは、合金層41aと、キャップ層42aとを有する。混合層40bは、合金層41bと、キャップ層42bとを有する。
<Laminate 10>
FIG. 1 shows a schematic diagram of a laminate 10 according to an embodiment of the invention. As shown in FIG. 1, the laminate 10 according to this embodiment has a base material 20, a buffer layer 30, a mixed layer 40a, and a mixed layer 40b. The mixed layer 40a has an alloy layer 41a and a cap layer 42a. The mixed layer 40b has an alloy layer 41b and a cap layer 42b.

緩衝層30は基材20の上に設けられている。混合層40aは緩衝層30の上に設けられている。混合層40bは混合層40aの上に設けられている。 A buffer layer 30 is provided on the substrate 20 . A mixed layer 40 a is provided on the buffer layer 30 . The mixed layer 40b is provided on the mixed layer 40a.

(基材20)
図1に示すように、基材20は、積層体10の基盤となる部分である。基材20は、耐熱性を有する材料で構成されている。基材20は、200℃以上で耐熱性があることが好ましい。これにより、Co基ホイスラー合金層のL2構造への規則化を一層促進する。基材20は、例えば耐熱性有する無機材料及び有機材料であってもよい。基材20として、熱酸化Si、Al、SiO、Glass及びポリイミドが挙げられる。基材20は変形性を有することが好ましい。これにより、積層体の変形性がより向上する。基材20の厚さは特に限定されないが、例えば、下限は50nm以上であってもよい。また、上限は例えば1mmであってもよい。基材20が結晶構造を有する材料である場合、基材20は多結晶であってもよい。基材は、非単結晶基板あるいはフレキシブル基板であってもよい。
(Base material 20)
As shown in FIG. 1 , the base material 20 is a base portion of the laminate 10 . The base material 20 is made of a heat-resistant material. The substrate 20 preferably has heat resistance of 200° C. or higher. This further promotes the ordering of the Co - based Heusler alloy layer to the L21 structure. The substrate 20 may be, for example, a heat-resistant inorganic material or an organic material. Substrates 20 include thermally oxidized Si, Al 2 O 3 , SiO 2 , Glass and polyimide. The substrate 20 preferably has deformability. This further improves the deformability of the laminate. Although the thickness of the base material 20 is not particularly limited, the lower limit may be 50 nm or more, for example. Also, the upper limit may be, for example, 1 mm. If substrate 20 is a material having a crystalline structure, substrate 20 may be polycrystalline. The substrate may be a non-single crystal substrate or a flexible substrate.

(緩衝層30)
図1に示すように、緩衝層30は、基材20の上に設けられている。本実施形態において、緩衝層30は、AlNを有する。AlNの結晶構造は、立方晶及び六方晶からなる群の中の少なくとも一種以上である。これにより、合金層41aの結晶方位の配向を適切にすることができる。また、合金層41aを多結晶構造とすることができる。これにより、積層体10の変形性を向上させることができる。
(Buffer layer 30)
As shown in FIG. 1, buffer layer 30 is provided on substrate 20 . In this embodiment, buffer layer 30 comprises AlN. The crystal structure of AlN is at least one of the group consisting of cubic and hexagonal. Thereby, the orientation of the crystal orientation of the alloy layer 41a can be made appropriate. Also, the alloy layer 41a can be made to have a polycrystalline structure. Thereby, the deformability of the laminate 10 can be improved.

緩衝層30は、基材20と合金層41aとの間に配置されることで、合金層41aの結晶性を向上させることができる。その結果、合金層41aの中の結晶粒界以外の結晶欠陥を減少させることができる。その結果、積層体10の熱電変換効率および磁気センサの感度を向上させることができる。 The buffer layer 30 can improve the crystallinity of the alloy layer 41a by being arranged between the base material 20 and the alloy layer 41a. As a result, crystal defects other than grain boundaries in the alloy layer 41a can be reduced. As a result, the thermoelectric conversion efficiency of the laminate 10 and the sensitivity of the magnetic sensor can be improved.

本実施形態において、緩衝層30の厚さは10nm以上かつ50nm以下であることが好ましい。緩衝層30の厚さは10nm以上である場合、合金層41aの結晶性をさらに向上させることができる。これにより、積層体10の熱電変換効率および磁気センサの感度をさらに向上させることができる。緩衝層30の厚さは18nm以上であることがより好ましい。一方、緩衝層30の厚さは50nm以下である場合、積層体10の厚さが小さくなり、曲げ変形性がさらに向上する。緩衝層30の厚さは30nm以下であることがより好ましい。 In this embodiment, the thickness of the buffer layer 30 is preferably 10 nm or more and 50 nm or less. When the buffer layer 30 has a thickness of 10 nm or more, the crystallinity of the alloy layer 41a can be further improved. Thereby, the thermoelectric conversion efficiency of the laminate 10 and the sensitivity of the magnetic sensor can be further improved. More preferably, the thickness of the buffer layer 30 is 18 nm or more. On the other hand, when the thickness of the buffer layer 30 is 50 nm or less, the thickness of the laminate 10 becomes small, and the bending deformability is further improved. More preferably, the thickness of the buffer layer 30 is 30 nm or less.

(混合層40a)
図1に示すように、混合層40aは、緩衝層30の上に設けられている。混合層40aは、緩衝層に近い側から合金層41aと、キャップ層42aとを有する。合金層41aは、本発明の実施形態に係る磁性材料を有する。これにより、積層体10の変形性が向上する。また、積層体10の熱電変換効率および磁気センサの感度が向上する。合金層41aの効果及び好ましい構成は本発明の実施形態に係る磁性材料と同様である。
(Mixed layer 40a)
As shown in FIG. 1, the mixed layer 40a is provided on the buffer layer 30. As shown in FIG. The mixed layer 40a has an alloy layer 41a and a cap layer 42a from the side closer to the buffer layer. The alloy layer 41a comprises a magnetic material according to embodiments of the invention. Thereby, the deformability of the laminate 10 is improved. Also, the thermoelectric conversion efficiency of the laminate 10 and the sensitivity of the magnetic sensor are improved. The effect and preferred configuration of the alloy layer 41a are the same as those of the magnetic material according to the embodiment of the present invention.

本実施形態において、キャップ層42aは、AlNを有する。AlNの結晶構造は、立方晶及び六方晶からなる群の中の少なくとも一種以上である。これにより、合金層41a及び合金層41bの結晶方位の配向を適切にすることができる。また、合金層41a及び合金層41bを多結晶構造とすることができる。これにより、積層体10の変形性を向上させることができる。 In this embodiment, the cap layer 42a comprises AlN. The crystal structure of AlN is at least one of the group consisting of cubic and hexagonal. Thereby, the orientation of the crystal orientation of the alloy layer 41a and the alloy layer 41b can be made appropriate. Also, the alloy layer 41a and the alloy layer 41b can have a polycrystalline structure. Thereby, the deformability of the laminate 10 can be improved.

キャップ層42aは、合金層41aと合金層41bとの間に配置されることで、合金層41aと合金層41bの結晶性を向上させることができる。その結果、合金層41aと合金層41bの中の結晶粒界以外の結晶欠陥を減少させることができる。その結果、積層体10の熱電変換効率および磁気センサの感度をさらに向上させることができる。 The cap layer 42a can improve the crystallinity of the alloy layer 41a and the alloy layer 41b by being arranged between the alloy layer 41a and the alloy layer 41b. As a result, crystal defects other than grain boundaries in the alloy layers 41a and 41b can be reduced. As a result, the thermoelectric conversion efficiency of the laminate 10 and the sensitivity of the magnetic sensor can be further improved.

キャップ層42aの厚さは、1nm以上かつ50nm以下であることが好ましい。キャップ層42aの厚さは2nm以上である場合、合金層41a及び合金層41bの結晶性をさらに向上させることができる。これにより、積層体10の熱電変換効率をさらに向上させることができる。キャップ層42aの厚さは2nm以上であることがより好ましい。一方、キャップ層42aの厚さは5nm以下である場合、積層体10の変形性がさらに向上する。キャップ層42aの厚さは5nm以下であることがより好ましい。 The thickness of the cap layer 42a is preferably 1 nm or more and 50 nm or less. When the thickness of the cap layer 42a is 2 nm or more, the crystallinity of the alloy layers 41a and 41b can be further improved. Thereby, the thermoelectric conversion efficiency of the laminate 10 can be further improved. More preferably, the thickness of the cap layer 42a is 2 nm or more. On the other hand, when the thickness of the cap layer 42a is 5 nm or less, the deformability of the laminate 10 is further improved. More preferably, the thickness of the cap layer 42a is 5 nm or less.

(混合層40b)
図1に示すように、混合層40bは、混合層40aの上に設けられている。混合層40bは、緩衝層に近い側から合金層41bと、キャップ層42bとを有する。合金層41bは、本発明の実施形態に係る磁性材料を有する。合金層41aの効果及び好ましい構成は本発明の実施形態に係る磁性材料と同様である。キャップ層42bの効果及び好ましい構成はキャップ層42aと同様である。
(Mixed layer 40b)
As shown in FIG. 1, the mixed layer 40b is provided on the mixed layer 40a. The mixed layer 40b has an alloy layer 41b and a cap layer 42b from the side closer to the buffer layer. The alloy layer 41b has a magnetic material according to embodiments of the invention. The effect and preferred configuration of the alloy layer 41a are the same as those of the magnetic material according to the embodiment of the present invention. The effect and preferred configuration of the cap layer 42b are the same as those of the cap layer 42a.

本実施形態に係る積層体10は上述の構成を有する。続いて、本実施形態に係る積層体10の作用効果について説明する。積本実施形態に係る積層体10は、変形性に優れた基材を使用することができるので、変形性に優れている。また、合金層41a及び合金層41bを絶縁性があるAlNを有する層で挟みこむことで、合金層41a及び合金層41bの結晶配向の制御を容易にすること、及び結晶性の向上を促進することができる。これにより、積層体10が大きな異常ネルンスト効果(ANE)や異常ホール効果(AHE)を示す。そのため、本実施形態に係る積層体10は、高い熱電変換効率及び高い磁気感度を有する。 The laminate 10 according to this embodiment has the above-described configuration. Next, the effects of the laminate 10 according to this embodiment will be described. The laminate 10 according to this embodiment is excellent in deformability because a base material with excellent deformability can be used. In addition, by sandwiching the alloy layer 41a and the alloy layer 41b with insulating AlN layers, the crystal orientation of the alloy layer 41a and the alloy layer 41b can be easily controlled and the crystallinity can be improved. be able to. As a result, the laminate 10 exhibits a large anomalous Nernst effect (ANE) and anomalous Hall effect (AHE). Therefore, the laminate 10 according to this embodiment has high thermoelectric conversion efficiency and high magnetic sensitivity.

本実施形態に係る積層体10は、混合層を3層以上有してもよい。合金層と、キャップ層又は緩衝層との間には拡散領域があってもよい。拡散領域は、合金層と、キャップ層又は緩衝層との中間の組成を有する。拡散領域は実質的に存在しないことが好ましい。 The laminate 10 according to this embodiment may have three or more mixed layers. There may be a diffusion region between the alloy layer and the cap layer or buffer layer. The diffusion region has a composition intermediate between that of the alloy layer and that of the cap layer or buffer layer. Diffusion regions are preferably substantially absent.

<熱電変換素子>
続いて本発明の実施形態に係る熱電変換素子10aについて図面を用いて説明する。なお、同一の構成の場合は同一の符号を付して説明を省略する場合がある。
<Thermoelectric conversion element>
Next, a thermoelectric conversion element 10a according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in the case of the same structure, the same code|symbol may be attached|subjected and description may be abbreviate|omitted.

図3は、本発明の実施形態に係る熱電変換素子10aの模式図を示す。図3に示すように、本実施形態に係る熱電変換素子10aは、熱電変換材料11と電極材料12とを有する。 FIG. 3 shows a schematic diagram of a thermoelectric conversion element 10a according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the thermoelectric conversion element 10a according to this embodiment has a thermoelectric conversion material 11 and an electrode material 12. As shown in FIG.

(熱電変換材料11)
図3に示すように、熱電変換材料11は、シート形状であるである。熱電変換材料11は、らせん形状に巻かれている。熱電変換材料11は、全体として円筒形状である。円筒の軸方向に温度勾配が生じることで、円筒の円周方向に起電力が生じる。これにより、熱電変換を行う。本実施形態において、熱電変換材料11は、本発明の実施形態に係る積層体を有する。これにより、熱電変換材料11は大きな変形性を有し、かつ大きな熱電変換効率を有する。熱電変換材料11の形状は特に限定させず、温度勾配を生じる物体又は環境に応じて様々な形状としてもよい。
(Thermoelectric conversion material 11)
As shown in FIG. 3, the thermoelectric conversion material 11 is sheet-shaped. The thermoelectric conversion material 11 is spirally wound. The thermoelectric conversion material 11 has a cylindrical shape as a whole. A temperature gradient is generated in the axial direction of the cylinder, and an electromotive force is generated in the circumferential direction of the cylinder. Thereby, thermoelectric conversion is performed. In this embodiment, the thermoelectric conversion material 11 has a laminate according to the embodiment of the invention. Thereby, the thermoelectric conversion material 11 has great deformability and high thermoelectric conversion efficiency. The shape of the thermoelectric conversion material 11 is not particularly limited, and various shapes may be used according to the object or environment that produces a temperature gradient.

(電極材料12)
図3に示すように、電極材料12は、らせん形状に巻かれている熱電変換材料11の両端部に接続されている。これにより、熱電変換材料11で生じる起電力を電流として利用することができる。電極材料12は導電性のある材料であればよい。導電性のある材料として例えば銅線が挙げられる。
(Electrode material 12)
As shown in FIG. 3, the electrode material 12 is connected to both ends of the spirally wound thermoelectric conversion material 11 . Thereby, the electromotive force generated in the thermoelectric conversion material 11 can be used as current. The electrode material 12 may be any conductive material. An example of a conductive material is copper wire.

<磁気センサ>
続いて本発明の実施形態に係る磁気センサ10bについて図面を用いて説明する。なお、同一の構成の場合は同一の符号を付して説明を省略する場合がある。
<Magnetic sensor>
Next, a magnetic sensor 10b according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in the case of the same structure, the same code|symbol may be attached|subjected and description may be abbreviate|omitted.

図4は、本発明の実施形態に係る磁気センサ10bを示す模式図である。図4に示すように、本実施形態に係る磁気センサ10bは、検出部13を有する。 FIG. 4 is a schematic diagram showing a magnetic sensor 10b according to an embodiment of the invention. As shown in FIG. 4, the magnetic sensor 10b according to this embodiment has a detection unit 13. As shown in FIG.

(検出部13)
検出部13は、磁界の検出を行う。本実施形態において、検出部13は、本発明の実施形態に係る積層体を有する。これにより、検出部13は大きな変形性を有し、かつ高い時期検出感度を有する。
(Detector 13)
The detection unit 13 detects a magnetic field. In this embodiment, the detection unit 13 has a laminate according to the embodiment of the invention. Thereby, the detection unit 13 has a large deformability and a high timing detection sensitivity.

<積層体の製造方法>
続いて本発明の実施形態に係る積層体の製造方法について説明する。図5は、本実施形態に係る積層体の製造方法のフローチャートを示す。図5に示すように、本実施形態に係る積層体の製造方法は、以下の特徴を有する。
(a)基材の上にAlN層を設ける工程
(b)AlN層の上にCo基ホイスラー合金を有する合金層を設ける工程
(c)合金層の上にAlNを有するキャップ層を設ける工程
(d)キャップ層が設けられた基材を400℃以上800℃以下で熱処理する工程
<Method for manufacturing laminate>
Next, a method for manufacturing a laminate according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 shows a flowchart of a method for manufacturing a laminate according to this embodiment. As shown in FIG. 5, the method for manufacturing a laminate according to this embodiment has the following features.
(a) a step of providing an AlN layer on the substrate (b) a step of providing an alloy layer having a Co-based Heusler alloy on the AlN layer (c) a step of providing a cap layer having AlN on the alloy layer (d) ) A step of heat-treating the substrate provided with the cap layer at 400° C. or higher and 800° C. or lower

(基材の上にAlN層を設ける工程)
基材の上にAlN層を設ける工程では、基材の平らな面の上にAlN層を設ける。基材の上にAlN層を設ける方法は、気相成長法であってもよい。気相成長法として、Alターゲットへの窒素反応性スパッタする方法及びAlNターゲットからの直接スパッタする方法が挙げられる。Alターゲットへの窒素反応性スパッタの場合、スパッタガスとしてArとNとの混合ガスを用いてもよい。AlNターゲットからの直接スパッタの場合、スパッタガスとしてArガスを用いてもよい。基材の温度は室温としてもよい。基材は、熱酸化Si、Al、SiO、Glass及びポリイミドを用いてもよい。変形性を有する基材を使用することが好ましい。また、耐熱性を有する基材を使用することが好ましい。使用する基材の厚さは特に限定されないが、例えば、下限は50nm以上であってもよい。また、上限は例えば1mmであってもよい。
(Step of providing AlN layer on base material)
The step of providing the AlN layer on the substrate includes providing the AlN layer on the planar surface of the substrate. The method of providing the AlN layer on the substrate may be a vapor deposition method. Vapor deposition methods include a method of nitrogen reactive sputtering onto an Al target and a method of direct sputtering from an AlN target. In the case of nitrogen reactive sputtering onto an Al target, a mixed gas of Ar and N2 may be used as the sputtering gas. In the case of direct sputtering from an AlN target, Ar gas may be used as the sputtering gas. The temperature of the substrate may be room temperature. The substrate may be thermally oxidized Si, Al 2 O 3 , SiO 2 , Glass and polyimide. It is preferred to use substrates that are deformable. Moreover, it is preferable to use a substrate having heat resistance. The thickness of the substrate to be used is not particularly limited, but the lower limit may be, for example, 50 nm or more. Also, the upper limit may be, for example, 1 mm.

(AlN層の上にCo基ホイスラー合金を有する合金層を設ける工程)
AlN層の上にCo基ホイスラー合金を有する合金層を設ける方法は、気相成長法をであってもよい。気相成長法として、真空蒸着法及びスパッタ法が挙げられる。スパッタ法は、合金ターゲットからのDCスパッタであってもよく、RFスパッタであってもよい。スパッタ法は、1つ以上のスパッタターゲットからの共スパッタでもよい。真空蒸着法は、共蒸着であってもよい。スパッタ法においては、放電によって生成された不活性ガスイオンが固体の原料であるターゲットに衝突することにより、原料の元素がはじき出される。はじき出された原料の元素は、AlN層の上に堆積する。これにより、合金層が形成される。真空蒸着法では、Co基ホイスラー合金を原料としてもよく、単体の金属を原料としてもよい。
(Step of providing an alloy layer having a Co-based Heusler alloy on the AlN layer)
A method of providing an alloy layer having a Co-based Heusler alloy on the AlN layer may be a vapor deposition method. Vapor deposition methods include a vacuum deposition method and a sputtering method. The sputtering method may be DC sputtering from an alloy target or RF sputtering. The sputtering method may be co-sputtering from one or more sputter targets. The vacuum deposition method may be co-evaporation. In the sputtering method, inert gas ions generated by electric discharge collide with a target, which is a solid raw material, to eject elements of the raw material. The expelled raw material element deposits on the AlN layer. An alloy layer is thereby formed. In the vacuum deposition method, a Co-based Heusler alloy may be used as a raw material, or a simple metal may be used as a raw material.

(合金層の上にAlNを有するキャップ層を設ける工程)
合金層の上にAlNを有するキャップ層を設ける工程では、Co基ホイスラー合金を有する合金層の上にAlN層を設ける。Co基ホイスラー合金を有する合金層の上にAlN層を設ける方法は、気相成長法であってもよい。気相成長法として、Alターゲットへの窒素反応性スパッタする方法及びAlNターゲットからの直接スパッタする方法が挙げられる。Alターゲットへの窒素反応性スパッタの場合、スパッタガスとしてArとNとの混合ガスを用いてもよい。AlNターゲットからの直接スパッタの場合、スパッタガスとしてArガスを用いてもよい。合金層の上にAlNを有するキャップ層を設ける方法は、基材の上にAlN層を設ける方法と同じであってもよい。
(Step of providing a cap layer having AlN on the alloy layer)
In the step of providing a cap layer having AlN on the alloy layer, an AlN layer is provided on the alloy layer having the Co-based Heusler alloy. The method of providing the AlN layer on the alloy layer having the Co-based Heusler alloy may be a vapor deposition method. Vapor deposition methods include a method of nitrogen reactive sputtering onto an Al target and a method of direct sputtering from an AlN target. In the case of nitrogen reactive sputtering onto an Al target, a mixed gas of Ar and N2 may be used as the sputtering gas. In the case of direct sputtering from an AlN target, Ar gas may be used as the sputtering gas. The method of providing the cap layer with AlN on the alloy layer may be the same as the method of providing the AlN layer on the substrate.

(キャップ層が設けられた基材を400℃以上800℃以下で熱処理する工程)
基材の上に緩衝層、合金層及びキャップ層を設けて得られる積層体を400℃以上800℃以下で熱処理する。これにより、合金層の中のCo基ホイスラー合金が多結晶となる。また、合金層の中のCo基ホイスラー合金の結晶方位が積層体の厚さ方向に配向する。さらに、合金層の中のCo基ホイスラー合金の結晶構造がL2規則構造及びB2規則構造からなる群の中の少なくとも1種以上となる。
(Step of heat-treating the substrate provided with the cap layer at 400° C. or higher and 800° C. or lower)
A laminate obtained by providing a buffer layer, an alloy layer and a cap layer on a substrate is heat-treated at 400° C. or higher and 800° C. or lower. As a result, the Co-based Heusler alloy in the alloy layer becomes polycrystalline. Also, the crystal orientation of the Co-based Heusler alloy in the alloy layer is oriented in the thickness direction of the laminate. Furthermore, the crystal structure of the Co-based Heusler alloy in the alloy layer is at least one selected from the group consisting of the L21 - ordered structure and the B2-ordered structure.

熱処理の温度が400℃未満である場合、合金層の中のCo基ホイスラー合金の結晶構造がL2規則構造及びB2規則構造からなる群の中の少なくとも1種以上とならない恐れがある。熱処理温度が430℃以上であることが好ましく、480℃以上であることがより好ましい。一方、熱処理温度が800℃超である場合、合金層の中のCo基ホイスラー合金の結晶構造がL2規則構造及びB2規則構造からなる群の中の少なくとも1種以上とならない恐れがある。また、合金層の中のCo基ホイスラー合金が多結晶とならない恐れがある。熱処理温度が650℃以下であることが好ましく、550℃以下であることがより好ましい。ここで、熱処理の温度とは、積層体の温度をいう。 If the heat treatment temperature is less than 400° C., the crystal structure of the Co-based Heusler alloy in the alloy layer may not be at least one of the group consisting of the L21 ordered structure and the B2 ordered structure. The heat treatment temperature is preferably 430° C. or higher, more preferably 480° C. or higher. On the other hand, if the heat treatment temperature exceeds 800° C., the crystal structure of the Co-based Heusler alloy in the alloy layer may not be at least one of the group consisting of the L21 ordered structure and the B2 ordered structure. Also, the Co-based Heusler alloy in the alloy layer may not become polycrystalline. The heat treatment temperature is preferably 650° C. or lower, more preferably 550° C. or lower. Here, the heat treatment temperature refers to the temperature of the laminate.

熱処理の圧力は、合金層の中のCo基ホイスラー合金の結晶構造がL2規則構造及びB2規則構造からなる群の中の少なくとも1種以上となる限り特に限定されない。熱処理の圧力は、10-4Pa以下であってもよい。熱処理の圧力は、合金層の中のCo基ホイスラー合金の結晶構造がL2規則構造及びB2規則構造からなる群の中の少なくとも1種以上となる限り特に限定されない。熱処理の圧力は、2時間以上であってもよい。 The heat treatment pressure is not particularly limited as long as the crystal structure of the Co-based Heusler alloy in the alloy layer is at least one selected from the group consisting of the L21 ordered structure and the B2 ordered structure. The heat treatment pressure may be 10 −4 Pa or less. The heat treatment pressure is not particularly limited as long as the crystal structure of the Co-based Heusler alloy in the alloy layer is at least one selected from the group consisting of the L21 ordered structure and the B2 ordered structure. The heat treatment pressure may be 2 hours or more.

積層体に合金層を2層以上設ける場合、合金層の上にAlNを有するキャップ層を設ける工程を行った後に、キャップ層の上にさらに合金層及びキャップ層を設ければよい。合金層及びキャップ層を設ける方法は、上述の方法と同様の方法を使用することができる。 When two or more alloy layers are provided in the laminate, the alloy layer and the cap layer may be further provided on the cap layer after performing the step of providing the cap layer containing AlN on the alloy layer. The method of providing the alloy layer and the cap layer can be the same as the method described above.

以下、実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明する。実施例での条件は、本発明の実施可能性および効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明はこの一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。 EXAMPLES Hereinafter, the effects of the present invention will be described more specifically with reference to examples. The conditions in the examples are an example of conditions adopted for confirming the feasibility and effect of the present invention, and the present invention is not limited to this example of conditions. Various conditions can be adopted in the present invention as long as the objects of the present invention are achieved without departing from the gist of the present invention.

実施例では、基材として熱酸化Siを使用した。まず、Alターゲットへの窒素反応性スパッタを行うことで、基材の上にAlNの緩衝層を設けた。ターゲットはAl金属とし、雰囲気はAr及びNの混合ガスとし、成膜温度は室温とした。そして、合金ターゲットからのDCスパッタを行うことで、緩衝層の上にCoMnGa(CMG)合金層を設けた。ターゲットはCoMnGa合金とし、雰囲気はArガスとし、成膜温度は室温とした。その後、合金層及びキャップ層をさらに設けた。これにより、合金層とキャップ層とを有する混合層は、合計2層となった。得られた積層体を熱処理の温度500℃、熱処理時間3時間、熱処理の圧力10-4Pa以下の条件で熱処理した。 In the examples, thermally oxidized Si was used as the substrate. First, a buffer layer of AlN was provided on the substrate by performing nitrogen reactive sputtering on an Al target. Al metal was used as the target, mixed gas of Ar and N 2 was used as the atmosphere, and the film formation temperature was room temperature. Then, a Co 2 MnGa (CMG) alloy layer was provided on the buffer layer by performing DC sputtering from an alloy target. The target was a Co 2 MnGa alloy, the atmosphere was Ar gas, and the deposition temperature was room temperature. After that, an alloy layer and a cap layer were further provided. This resulted in a total of two mixed layers including the alloy layer and the cap layer. The obtained laminate was heat-treated under conditions of a heat treatment temperature of 500° C., a heat treatment time of 3 hours, and a heat treatment pressure of 10 −4 Pa or less.

合金層の厚さを変化させることで、複数の積層体を作成した。実施例1の合金層の厚さは、2.5nmであった。実施例2の合金層の厚さは、5.0nmであった。実施例3の合金層の厚さは、12.5nmであった。実施例4の合金層の厚さは、25.0nmであった。実施例1~4のキャップ層の厚さは5nmであった。実施例1~4の緩衝層の厚さは10nm以上であった。 A plurality of laminates were produced by varying the thickness of the alloy layer. The thickness of the alloy layer of Example 1 was 2.5 nm. The thickness of the alloy layer of Example 2 was 5.0 nm. The thickness of the alloy layer of Example 3 was 12.5 nm. The thickness of the alloy layer of Example 4 was 25.0 nm. The thickness of the cap layer in Examples 1-4 was 5 nm. The thickness of the buffer layer in Examples 1-4 was 10 nm or more.

得られた積層体の厚さ方向と水平な断面を透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope;SEM)で観察した。図6は、本発明の実施例に係る積層体のTEM写真を示す。図6に示すように、本実施例に係る積層体は、熱酸化Siの基材と、AlNの緩衝層とを有し、さらに、CoMnGaの合金層とAlNのキャップ層とを有する混合層を合計2層有する。各層の界面は急峻な界面を有していた。各層間で目立った相互拡散が無いことが観察された。また、CoMnGa(CMG)合金層は多結晶を有していたことが観察された。 A cross section in the thickness direction and horizontal direction of the obtained laminate was observed with a transmission electron microscope (SEM). FIG. 6 shows a TEM photograph of a laminate according to an example of the present invention. As shown in FIG. 6, the laminate according to this example has a base material of thermally oxidized Si, a buffer layer of AlN, and a mixed layer having an alloy layer of Co 2 MnGa and a cap layer of AlN. It has two layers in total. The interface of each layer had a sharp interface. No significant interdiffusion between layers was observed. It was also observed that the Co 2 MnGa (CMG) alloy layer had polycrystallinity.

積層体の各層の結晶構造をX線回折法(X‐ray diffraction;XRD)で調べた。図7は、本発明の実施例に係る積層体のX線回折の測定結果を示す。図7に示すように、CMGの(220)面で強い回折ピークが見られた。つまり、CoMnGa(CMG)合金層は、非晶質ではなく結晶構造を有していたことが観察された。また、CoMnGa(CMG)合金の(110)面が積層体の厚さ方法と垂直に配向していることが観察された。さらに、合金層の厚さが12.5nmである実施例3が最も鋭い(220)面の回折ピークを有していた。 The crystal structure of each layer of the laminate was examined by X-ray diffraction (XRD). FIG. 7 shows the measurement results of X-ray diffraction of the laminate according to the example of the present invention. As shown in FIG. 7, a strong diffraction peak was observed on the (220) plane of CMG. That is, it was observed that the Co 2 MnGa (CMG) alloy layer had a crystalline structure rather than being amorphous. It was also observed that the (110) plane of the Co 2 MnGa (CMG) alloy was oriented perpendicular to the thickness direction of the laminate. Furthermore, Example 3 with an alloy layer thickness of 12.5 nm had the sharpest (220) plane diffraction peak.

図7に示すように、AlNの(002)面で強い回折ピークが見られた。つまり、AlNの緩衝層及びキャップ層は、AlNの(001)面が積層体の厚さ方法と垂直に配向していることが観察された。また、AlNの(001)面がCoMnGa(CMG)合金の(110)面と平行となる結晶方位関係を有していた。 As shown in FIG. 7, a strong diffraction peak was observed on the (002) plane of AlN. That is, in the AlN buffer layer and the cap layer, it was observed that the (001) plane of AlN was oriented perpendicular to the thickness direction of the laminate. Also, the AlN had a crystal orientation relationship in which the (001) plane was parallel to the (110) plane of the Co 2 MnGa (CMG) alloy.

得られた積層体の合金層の表面粗さをX線反射率法(X-Ray Reflectometry;XRR)で測定した。図8には、本発明の実施例の積層体に係るX線反射率の測定結果を示す。また、比較として、積層体を熱処理する前にX線反射率法で測定した測定結果を示す。図8に示すように、本発明の実施例の積層体の合金層の表面粗さはRa 0.31nmであった。これにより、本実施例の積層体の合金層の表面粗さが低いことが観察された。また、積層体を熱処理する前の合金層の表面粗さはRa 0.85nmであった。つまり、熱処理により、しっかりした積層構造が形成されたことが観察された。 The surface roughness of the alloy layer of the obtained laminate was measured by X-ray reflectometry (XRR). FIG. 8 shows the measurement results of the X-ray reflectance of the laminate of the example of the present invention. For comparison, the measurement results obtained by the X-ray reflectance method before heat-treating the laminate are shown. As shown in FIG. 8, the surface roughness of the alloy layer of the laminate of the example of the present invention was Ra 0.31 nm. As a result, it was observed that the surface roughness of the alloy layer of the laminate of this example was low. Moreover, the surface roughness of the alloy layer before heat treatment of the laminate was Ra 0.85 nm. That is, it was observed that a firm laminated structure was formed by the heat treatment.

得られた積層体の異常ネルンスト効果を評価した。異常ネルンスト効果を測定する方法として、積層体の膜面内方向に温度勾配を付与した状態で、積層体の面直方向の磁場を掃引し、温度勾配と磁場の両方向に直交する方向に発生する異常ネルンスト電圧を測定する方法を用いた。図9には、本発明の実施例に係る積層体の異常ネルンスト効果の測定結果を示す。図9に示すように、本実施例では2.5μV/K以上の異常ネルンスト係数が測定された。また、最大で5μV/Kの異常ネルンスト係数が測定された。つまり、本実施例は高い熱電変換効率を有することが分かった。 The anomalous Nernst effect of the obtained laminate was evaluated. As a method for measuring the anomalous Nernst effect, a magnetic field in the direction perpendicular to the plane of the laminate is swept while a temperature gradient is applied in the in-plane direction of the laminate. A method of measuring anomalous Nernst voltage was used. FIG. 9 shows measurement results of the anomalous Nernst effect of the laminate according to the example of the present invention. As shown in FIG. 9, in this example, an anomalous Nernst coefficient of 2.5 μV/K or more was measured. Also, an anomalous Nernst coefficient of 5 μV/K at maximum was measured. That is, it was found that the present example had high thermoelectric conversion efficiency.

得られた積層体の異常ホール効果を評価した。異常ホール効果を測定する方法として、積層体に電流を流し、電流と垂直な方向に磁界を作用させ、電流及び磁界と垂直な方向のホール起電力を測定する方法を用いた。図10には、本発明の実施例に係る積層体の異常ホール効果の測定結果を示す。図10に示すように、本実施例に係る積層体は、5%以上の大きな異常ホール効果を示した。さらに、最大で7.5%の大きな異常ホール効果を示した。つまり、本実施例は高い磁気感度を有する。 The anomalous Hall effect of the resulting laminate was evaluated. As a method for measuring the anomalous Hall effect, a method was used in which a current was passed through the laminate, a magnetic field was applied in the direction perpendicular to the current, and the Hall electromotive force in the direction perpendicular to the current and the magnetic field was measured. FIG. 10 shows measurement results of the anomalous Hall effect of the laminate according to the example of the present invention. As shown in FIG. 10, the laminate according to this example exhibited a large anomalous Hall effect of 5% or more. Furthermore, a large anomalous Hall effect of up to 7.5% was exhibited. That is, this embodiment has high magnetic sensitivity.

得られた積層体の厚さに平行な断面を透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope;TEM)で観察した。図11は、本発明の実施例に係る積層体のTEM写真を示す。図11に示すように、CoMnGa(CMG)合金層の結晶方位は、積層体の厚さ方向に配向していることが観察された。また、CoMnGa(CMG)合金層は多結晶であることが観察された。 A cross section parallel to the thickness of the obtained laminate was observed with a transmission electron microscope (TEM). FIG. 11 shows a TEM photograph of a laminate according to an example of the present invention. As shown in FIG. 11, it was observed that the crystal orientation of the Co 2 MnGa (CMG) alloy layer was oriented in the thickness direction of the laminate. It was also observed that the Co 2 MnGa (CMG) alloy layer was polycrystalline.

従って、本実施例に係る積層体は、多結晶であるので、単結晶薄膜と比較して高い変形性を有する。また、CoMnGa(CMG)合金層の非晶質ではなく結晶構造を有した。これにより、CoMnGa(CMG)合金がトポロジカルな電子バンド構造を有する。また、CoMnGa(CMG)合金層の結晶方位は、積層体の厚さ方向に配向していた。そのため、本実施例に係る積層体は、高い異常ネルンスト係数及び高い異常ホール角を示した。つまり、本実施例に係る積層体は、高い熱電変換効率及び高い磁気感度を有することが確認された。 Therefore, since the laminate according to this example is polycrystalline, it has higher deformability than a single-crystal thin film. It also had a crystalline structure rather than the amorphous of the Co 2 MnGa (CMG) alloy layer. As a result, the Co 2 MnGa (CMG) alloy has a topological electronic band structure. Also, the crystal orientation of the Co 2 MnGa (CMG) alloy layer was oriented in the thickness direction of the laminate. Therefore, the laminate according to this example exhibited a high anomalous Nernst coefficient and a high anomalous Hall angle. That is, it was confirmed that the laminate according to this example has high thermoelectric conversion efficiency and high magnetic sensitivity.

図12は、フレキシブル基板上に本発明の実施例に係る磁性材料を形成した場合の異常ネルンスト電圧の測定結果を示す。図12に示すように、フレキシブル基板上に本発明の実施例に係る磁性材料は、4μV/K程度の大きな異常ネルンスト係数を有する。フレキシブル基板として、ポリイミド基板を使用した。 FIG. 12 shows measurement results of anomalous Nernst voltage when the magnetic material according to the example of the present invention is formed on a flexible substrate. As shown in FIG. 12, the magnetic material according to the embodiment of the present invention on the flexible substrate has a large anomalous Nernst coefficient of about 4 μV/K. A polyimide substrate was used as the flexible substrate.

図13は、ポリイミド基板上に本発明の実施例に係る磁性材料を形成した積層体の写真である。図13に示すように、本発明の実施例に係る積層体は、高い可撓性を有する。 FIG. 13 is a photograph of a laminate in which a magnetic material according to an example of the present invention is formed on a polyimide substrate. As shown in FIG. 13, laminates according to embodiments of the present invention have high flexibility.

明細書の全体において、ある部分がある構成要素を「有する」や「備える」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができるということを意味する。 Throughout the specification, when a part is referred to as "having" or "comprising" an element, this does not exclude other elements, unless specifically stated to the contrary. It means that it can contain more.

また、明細書に記載の「…部」、「…工程」の用語は、少なくとも1つの機能や動作を処理する単位を意味し、これは、ハードウェアまたはソフトウェアとして具現されてもよいし、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせで具現されてもよい。 In addition, the terms "... part" and "... process" described in the specification mean a unit for processing at least one function or operation, which may be embodied as hardware or software, or may be implemented as hardware or software. It may be embodied in a combination of hardware and software.

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。 In addition, it is possible to appropriately replace the constituent elements in the above-described embodiment with well-known constituent elements without departing from the spirit of the present invention, and the modifications described above may be combined as appropriate.

以上のことから、本発明によれば、非単結晶基板あるいはフレキシブル基板に作製することができかつ熱電変換効率に優れる磁性材料、積層体及び積層体の製造方法並びに前記積層体を有する熱電変換素子及び磁気センサを提供することができるので、産業上の利用価値が高い。 From the above, according to the present invention, a magnetic material that can be produced on a non-single-crystal substrate or a flexible substrate and has excellent thermoelectric conversion efficiency, a laminate, a method for producing a laminate, and a thermoelectric conversion element having the laminate and a magnetic sensor, the industrial utility value is high.

10 積層体
10a 熱電変換素子
10b 磁気センサ
12 電極材料
13 検出部
20 基材
30 緩衝層
40a、40b 混合層
41a、41b 合金層
42a、42b キャップ層
10 Laminate 10a Thermoelectric conversion element 10b Magnetic sensor 12 Electrode material 13 Detector 20 Base material 30 Buffer layers 40a, 40b Mixed layers 41a, 41b Alloy layers 42a, 42b Cap layer

Claims (11)

多結晶であるCo基ホイスラー合金を有し、かつ膜形状であり、
前記Co基ホイスラー合金の結晶構造は、L2規則構造及びB2構造からなる群の中の少なくとも1種以上であり、
膜の厚さ方向に前記Co基ホイスラー合金の結晶方位が配向する
ことを特徴とする磁性材料。
Having a polycrystalline Co-based Heusler alloy and having a film shape,
The crystal structure of the Co-based Heusler alloy is at least one selected from the group consisting of an L21 ordered structure and a B2 structure,
A magnetic material, wherein the crystal orientation of the Co-based Heusler alloy is oriented in the thickness direction of the film.
化学組成は、組成式で、CoαMnβγで表され、
Xは、Ga、Al、Si及びGeからなる群の中の少なくとも1種以上であり、
αは1.8以上2.2以下の範囲で、βは0.8以上1.2以下の範囲で、γは0.8以上1.2以下の範囲である
ことを特徴とする請求項1に記載の磁性材料。
The chemical composition is represented by a compositional formula Co α Mn β X γ ,
X is at least one selected from the group consisting of Ga, Al, Si and Ge;
α is in the range of 1.8 to 2.2, β is in the range of 0.8 to 1.2, and γ is in the range of 0.8 to 1.2. The magnetic material described in .
前記膜の厚さ方向に配向する前記Co基ホイスラー合金の結晶方位のX線回折ピークの半値幅が1°以下である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の磁性材料。
3. The magnetic material according to claim 1, wherein the half width of the X-ray diffraction peak of the crystal orientation of the Co-based Heusler alloy oriented in the thickness direction of the film is 1[deg.] or less.
前記膜の厚さが、2nm以上50nm以下である
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の磁性材料。
4. The magnetic material according to claim 1, wherein the film has a thickness of 2 nm or more and 50 nm or less.
基材と、
前記基材の上に設けられ、AlNを有し、かつAlNの結晶構造は、立方晶及び六方晶からなる群の中の少なくとも一種以上である緩衝層と、
前記緩衝層の上に設けられ、前記緩衝層に近い側から、
請求項1~4のいずれか一項に記載の磁性材料を含む合金層と、
AlNを有し、かつAlNの結晶構造は、立方晶及び六方晶からなる群の中の少なくとも一種以上であるキャップ層と、を有する混合層と、を有する
ことを特徴とする積層体。
a substrate;
a buffer layer provided on the base material and containing AlN, wherein the crystal structure of AlN is at least one or more selected from the group consisting of cubic and hexagonal;
Provided on the buffer layer, from the side close to the buffer layer,
An alloy layer containing the magnetic material according to any one of claims 1 to 4;
A mixed layer comprising AlN and a cap layer in which the crystal structure of AlN is at least one selected from the group consisting of cubic and hexagonal crystals.
前記混合層の上に、さらに1層以上の前記混合層を有する
ことを特徴とする請求項5に記載の積層体。
6. The laminate according to claim 5, further comprising one or more layers of the mixed layer on the mixed layer.
前記緩衝層の厚さが10nm以上50nm以下であり、前記キャップ層の厚さが1nm以上50nm以下である
ことを特徴とする請求項5又は6に記載の積層体。
7. The laminate according to claim 5, wherein the buffer layer has a thickness of 10 nm or more and 50 nm or less, and the cap layer has a thickness of 1 nm or more and 50 nm or less.
請求項5~7のいずれか一項に記載の積層体を有する熱電変換材料と、電極材料と、を有する
ことを特徴とする熱電変換素子。
A thermoelectric conversion element comprising: a thermoelectric conversion material having the laminate according to any one of claims 5 to 7; and an electrode material.
請求項5~7のいずれか一項に記載の積層体を含む磁気を検出する検出部を有する
ことを特徴とする磁気センサ。
A magnetic sensor comprising a detection unit that detects magnetism including the laminate according to any one of claims 5 to 7.
請求項5~7のいずれか一項に記載の積層体の製造方法であって、
基材の上にAlN層を設ける工程と、
前記AlN層の上にCo基ホイスラー合金を有する合金層を設ける工程と、
前記合金層の上にAlNを有するキャップ層を設ける工程と、
前記キャップ層が設けられた前記基材を400℃以上800℃以下で熱処理する工程と、を有する
ことを特徴とする積層体の製造方法。
A method for producing a laminate according to any one of claims 5 to 7,
providing an AlN layer on the substrate;
providing an alloy layer having a Co-based Heusler alloy on the AlN layer;
providing a cap layer comprising AlN on the alloy layer;
and heat-treating the substrate provided with the cap layer at a temperature of 400° C. or higher and 800° C. or lower.
前記熱処理する工程で、圧力が10-4Pa以下であり、熱処理時間が2時間以上である
ことを特徴とする請求項10に記載の積層体の製造方法。
11. The method for producing a laminate according to claim 10, wherein in the heat treatment step, the pressure is 10 −4 Pa or less and the heat treatment time is 2 hours or more.
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