JP5987242B2 - 熱電変換素子および熱電変換方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁性体を用いた熱電変換素子及び熱電変換方法に関する。

近年、持続可能な社会に向けた環境・エネルギー問題への取り組みが活発化する中で、熱電変換素子への期待が高まっている。
これは、熱は体温、太陽光、エンジン、工業排熱など様々な媒体から得ることができる最も一般的なエネルギー源であるためである。
そのため、低炭素社会におけるエネルギー利用の高効率化や、ユビキタス端末・センサ等への給電といった用途において、熱電変換素子は今後ますます重要となることが予想される。
熱電変換で発電するには、様々な熱源によって生成される温度差（温度勾配）を適切に利用する必要がある。従来一般的に用いられているのは、熱源面に対して垂直方向（面直方向）の温度勾配である。例えば、高温熱源面に熱電モジュールを貼り付ける場合、高温熱源に接する高温側と、その反対の低温側（空冷や水冷されている側）との間で温度差が生じることで、発電が可能となる。
しかし、今後身の回りの熱をより無駄なく発電に利用するためには、前述の面直方向だけでなく、熱源の面内方向の温度勾配をも有効活用することが不可欠である。実際、建築物やＩＴ機器では、様々な場面で不均一な面内温度分布が生じる。例えばディスプレイでは、煙突効果のために上部が下部に比べ高い温度をもつようになる。また、サーバなどでも発熱が場所によって不均一になる。従って、このように身近なアンビエント熱エネルギーを可能な限り無駄なく有効に利用するためには、面直方向と同時に面内方向の温度勾配をも電力に変換できる、面直・面内両用の熱電変換素子が求められる。
しかしながら、ゼーベック係数の異なる２つの熱電材料の対からなる熱電対ベースの従来型熱電変換素子では、熱電対が配置された方向によって熱電変換可能な温度勾配方向が規定されている。すなわち、熱電対構造に対して平行な方向の温度勾配しか熱起電力に変換されないことから、熱電発電に利用できる温度勾配は一方向に限られていた。従って、熱電対ベースの従来型熱電変換素子では、熱源の面直・面内両方の温度勾配を同時に電力に変換することは不可能であった。
一方、近年、磁性材料に温度勾配を印加して、スピン角運動量の流れを生じさせるスピンゼーベック効果という新しい効果が発見された。特許文献１、非特許文献１、２には、このスピンゼーベック効果に基づく熱電変換素子が記載されており、スピンゼーベック効果によって生じた角運動量の流れ（スピン流）を、逆スピンホール効果によって電流（起電力）として取り出す構造が示されている（特許文献１、非特許文献１、２）。
例えば特許文献１に記載されている熱電変換素子は、スパッタ法により成膜した強磁性体膜と電極とで構成されている。強磁性体膜面に平行な方向の温度勾配を与えると、スピンゼーベック効果によって、温度勾配に沿った方向にスピン流が誘起される。この誘起されたスピン流は、磁性体に接する電極における逆スピンホール効果によって、電流として外部に取り出すことができる。これにより、熱から電力を取り出す温度差発電が可能となる。
また、非特許文献１、２に記載されている熱電変換素子では、磁性体と電極により熱電変換素子が形成されている。非特許文献１では、特許文献１と同じく、磁性体膜面に平行な温度勾配（面内温度勾配）を印加した配置による熱電変換が報告されている。また、非特許文献２では、厚さ１ｍｍの磁性体膜面に垂直な温度勾配（面直温度勾配）を印加した配置によって熱電変換が実証されている。
従来の熱電変換素子が２種類の熱電材料の対（熱電対）を並べることで構成されているのに対し、スピンゼーベック効果では、磁性体中の上向きスピンチャネルと下向きスピンチャネルが２つの異なる熱電チャネル対に相当する。すなわち、磁性体材料中に熱電対の機能が埋め込まれているものと考えることができる。従って、原理的には任意の温度勾配方向に対してスピン流の生成が可能となる。

特開２００９−１３００７０号公報

Ｕｃｈｉｄａ ｅｔ ａｌ．，"Ｓｐｉｎ Ｓｅｅｂｅｃｋ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ"，Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１０，ｖｏｌ．９，ｐ．８９４． Ｕｃｈｉｄａ ｅｔ ａｌ．，"Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｐｉｎ−Ｓｅｅｂｅｃｋ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ"，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１０，ｖｏｌ．９７，ｐ１７２５０５．

特許文献１、および非特許文献１、２のような、スピンゼーベック効果を利用した熱電変換素子は、低コストで大面積化が容易であり、薄膜熱電変換が可能であるという点では優れた構造である。
しかし、面内温度勾配と面直温度勾配の両方を同時に電力に高効率変換できる熱電変換素子は未だに実現されていない。特許文献１、非特許文献１、２に開示されている熱電変換素子はいずれも、面内あるいは面直いずれか一方の温度勾配を電力に変換することに特化して、磁性体、基板、および電極などの、材料、形状、配置、およびその熱伝導特性（例えば熱伝導率）などが選択されている。面内、面直両方の温度勾配を同時に効率よく電力に変換する熱電変換素子を実現するためには、磁性体、基板、電極などの、材料、形状、配置、およびその熱伝導特性などを詳細に検討し、どのような素子構造が効果的であるかを見出すことが課題であり、いまだ未解決であった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、面内温度勾配と面直温度勾配の両方を同時に電力に変換できる熱電変換素子を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明の第１の態様は、基板に設けられ、膜面に平行な成分を有する所定の方向に磁化可能な磁性体により構成される磁性体膜と、前記磁性体膜に設けられ、スピン軌道相互作用を有する材料を有し、前記所定の方向に沿って配列された複数の電極と、を有し、前記磁性体膜表面に垂直な温度勾配を、前記電極のいずれかの表面内の電位差として出力可能に、かつ前記磁性体膜表面に平行な温度勾配を、前記電極のいずれかの表面内の電位差として出力可能に構成したことを特徴とする熱電変換素子である。
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の熱電変換素子の前記磁性体膜に温度勾配を印加することにより、前記磁性体膜から前記電極に向けて流れるスピン流を生成し、前記電極における逆スピンホール効果により、前記所定の方向と垂直方向に電流を生じさせることを特徴とする熱電変換方法である。

本発明によれば、面内温度勾配と面直温度勾配の両方を同時に電力に変換できる熱電変換素子を提供することができる。

図１は、第１の実施形態に係る熱電変換素子１を示す斜視図である。
図２は、熱電変換素子１の面直方向に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図３は、図２のＤ１−Ｄ１断面図である。
図４は、熱電変換素子１の面内方向に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図５は、図４のＤ２−Ｄ２断面図である。
図６は、第２の実施形態に係る熱電変換素子１ａを示す斜視図および基板４ａの部分拡大図である。
図７は、熱電変換素子１ａの面直方向に温度勾配が印加された場合の熱伝導特性を示す断面図である。
図８は、熱電変換素子１ａの面内方向に温度勾配が印加された場合の熱伝導特性を示す断面図である。
図９は、第３の実施形態に係る熱電変換素子１ｂを示す斜視図である。
図１０は、図９の正面図である。
図１１は、図９の裏面図である。
図１２は、熱電変換素子１ｂの面直方向に温度勾配が印加された場合の熱伝導特性を示す断面図である。
図１３は、熱電変換素子１ｂの面内方向に温度勾配が印加された場合の熱伝導特性を示す断面図である。
図１４は、熱電変換素子１ｂの基板４ｂの作成の手順を示す図である。
図１５は、熱電変換素子１ｂの基板４ｂの作成の手順を示す図である。
図１６は、熱電変換素子１ｂの基板４ｂの作成の手順を示す図である。
図１７は、第４の実施形態に係る熱電変換素子１ｃを示す斜視図である。
図１８は、熱電変換素子１ｃの面直方向に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図１９は、図１８のＤ３−Ｄ３断面図である。
図２０は、熱電変換素子１ｃの面内方向に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図２１は、図２０のＤ４−Ｄ４断面図である。
図２２は、第５の実施形態に係る熱電変換素子１ｄを示す斜視図である。
図２３は、熱電変換素子１ｄの面直方向（ｚ方向）に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図２４は、熱電変換素子１ｄの面内方向（ｙ方向）に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図２５は、熱電変換素子１ｄの面直方向（ｚ方向）に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成性を示す斜視図である。
図２６は、熱電変換素子１ｄの面内方向（ｘ方向）に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図２７は、第６の実施形態に係る熱電変換素子１ｅを示す斜視図である。
図２８は、熱電変換素子１ｅの面直方向に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図２９は、熱電変換素子１ｅの面内方向に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図３０は、熱電変換素子１ｅの面直方向に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図３１は、熱電変換素子１ｅの面内方向に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図３２は、第６の実施形態の変形例である熱電変換素子１ｆを示す斜視図である。
図３３は、熱電変換素子１ｆの面直方向に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図３４は、熱電変換素子１ｆの面内方向に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図３５は、第７の実施形態に係る熱電変換素子１ｇを示す斜視図である。
図３６は、熱電変換素子１ｇの面直方向に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図３７は、熱電変換素子１ｇの面内方向に温度勾配が印加された場合の熱起電力の生成を示す斜視図である。
図３８は、第８の実施形態に係る熱電変換素子１ｈを示す斜視図である。
図３９は、第９の実施形態に係る熱電変換素子１ｉを示す斜視図である。

以下、図面に基づいて本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。
まず、本発明の第１の実施形態について図１〜図５を参照して詳細に説明する。
最初に、図１を参照して第１の実施形態に係る熱電変換素子１の概略構成について説明する。
図１に示すように、熱電変換素子１は基板４に保持され、温度勾配によりスピン流を発生する磁性体膜２と、磁性体膜２に設けられ、逆スピンホール効果を用いてスピン流から熱起電力を取り出すための電極３、３ａ、３ｂを有している。なお、磁性体膜２と電極３、３ａ、３ｂで発電部を構成している。また、図１における電極３、３ａ、３ｂと磁性体膜２の位置関係は、上下逆でも構わない。
電極３（中央電極）は後述するように、面直方向のスピン流を起電力として取り出す電極であり、磁性体膜２の上部中心に設けられている。
電極３ａ、３ｂ（端部電極）は後述するように、面内方向のスピン流を起電力として取り出す電極であり、互いに対向するように、かつ電極３を挟み込むようにして磁性体膜２の前後端部に配置されている。
ここで、発明者らは、スピンゼーベック効果に基づいて電極配置を詳細に検討した結果、面内方向の温度勾配によって発現するスピン流から可能な限り大きな電力に変換するためには、磁性体の端部に、電極３ａ、３ｂを配置することが効果的であることを見出した。さらに、面直方向の温度勾配から電力を得るための電極３は、面積が広いほど得られる電力が大きいが、磁性体膜２の表面のどの位置に配置しても得られる電力が同じであることを見出した。これらの検討の結果、図１のように、電極３ａ、３ｂを磁性体膜２の両端に配置し、配置自由度の高い電極３は、電極３ａ、３ｂの間に配置した。さらに、図１のように、面直温度勾配から電力を得るための電極３は、大きな電力を得るために、電極３ａ、３ｂよりも平面上の面積を広く構成することが好ましい。
また、熱電変換素子１は、電極３上の二点に、熱起電力を取り出すための端子７、９が、電極３ａ上の二点に、端子７ａ、９ａが、電極３ｂ上の二点に、端子７ｂ、９ｂがそれぞれ取り付け可能に形成されており、これらの端子で熱起電力出力手段を形成している。
さらに、熱電変換素子１は、必要に応じて、磁性体膜２に温度勾配を与えるための温度勾配印加手段１１を有している。
また、熱電変換素子１は、必要に応じて、磁性体膜２を所定の方向（ここでは図１のＡ方向）に磁化するための磁化手段１３を有している。
次に、熱電変換素子１の各要素について、詳細に説明する。
基板４は、磁性体膜２および電極３、３ａ、３ｂを支持することができるものであれば材料・構造を問わない。例えば、Ｓｉ、ガラス、アルミナ、サファイア、ガドリニウムガリウムガーネット（ＧＧＧ）、ポリイミドなどの材料の基板を用いることができる。また、形状は必ずしも平板状である必要はなく、湾曲や凹凸を有する構造でもよく、さらには建築物などを直接基板４として用いることもできる。また、例えば熱源の上に乗せるといったように、磁性体膜２を熱源に固定できるような構造や状況（即ち、熱源が基板４を兼用できるような構造や状況）であれば、基板４は必ずしも別途必要ではなく、熱源自体を熱電変換素子１を支える基体（基板４）として用いることもできる。
磁性体膜２は、少なくとも１つの磁化方向Ａに磁化可能な多結晶磁性体を有している。第１の実施形態では、膜面に平行な一方向に磁化を有しているものとする（磁化方向Ａは少なくとも、膜面に平行な成分を有している）。磁性体膜２は、熱伝導率の小さな材料ほど効率よく熱電効果を奏するため、磁性絶縁体であることが好ましい。このような材料としては、例えば、ガーネットフェライト（イットリウム鉄ガーネット等）、スピネルフェライトなどの酸化物磁性材料を適用することができる。
なお、磁性体膜２として、ガーネットフェライトのイットリウムサイトをＢｉ等で一部不純物置換した材料を有してもよい。このようにイットリウムサイトを不純物置換することにより、磁性体膜２と電極３との間のエネルギー準位間の整合が向上すると考えられるため、界面でのスピン流の取り出し効率を増大させ、熱電変換効率を向上させることができる可能性がある。
なお、具体的な組成としては、Ｂｉ_ｘＹ_３−ｘＦｅ_５Ｏ_１２（０．５≦ｘ≦１．５）で表されるＢｉをドープしたイットリウム鉄ガーネットが挙げられる。
また、ドープする元素は、磁性体膜２と電極３との間のエネルギー準位間の整合が向上させられるものであればＢｉに限らず、他の不純物でもよい。
ここで、磁性体膜２の形成方法としては、後述するように、液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）や、スパッタ、レーザーアブレーション（ＰＬＤ）、有機金属堆積法（ＭＯＤ法）、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）などの方法が挙げられる。また、引き上げ成長法や焼結などによるバルク磁性体を用いてもよい。
なお、磁性体膜２として保磁力を有する磁性材料を用いれば、一旦外部磁場などで磁化方向を初期化しておけば、ゼロ磁場の下でも動作可能な素子が得られる。
電極３、３ａ、３ｂは、逆スピンホール効果を用いて熱起電力を取り出すために、スピン軌道相互作用を有する材料を有している。このような材料としては、例えばスピン軌道相互作用の比較的大きなＡｕやＰｔ、Ｐｄなどの金属、またはこれらの金属を有する合金が挙げられる。なお、逆スピンホール効果を強めるために、上記した金属・合金にＦｅやＣｕなどの不純物を添加した材料を電極３、３ａ、３ｂの材料として用いてもよい。
電極３、３ａ、３ｂは、スパッタ、蒸着、メッキ法、スクリーン印刷法などで磁性体膜２上に成膜することにより形成される。電極の厚さは、少なくとも電極材料のスピン拡散長以上に設定するのが好ましい。具体的には、例えばＡｕであれば５０ｎｍ以上、Ｐｔであれば１０ｎｍ以上に設定するのが望ましい。
端子７、９、７ａ、９ａ、７ｂ、９ｂは、端子間の電位差を熱起電力として取り出すことができるものであれば、構造、形状、位置は特に問われないが、電位差がなるべく大きくなるようにするため、図１に示すように、磁性体膜２の、磁化方向Ａに垂直（端子７、９を結ぶ線分、端子７ａ、９ａを結ぶ線分、および端子７ｂ、９ｂを結ぶ線分が磁化方向Ａに垂直）な両端二箇所に設けるのが望ましい。
温度勾配印加手段１１は磁性体膜２に温度勾配を与えることが可能なものであれば何でもよく、各種ヒータ、あるいは体温、太陽光、エンジン、工業排熱等の熱を磁性体膜２に伝達する熱伝導体等を用いることができる。
なお、熱源が、熱を直接磁性体膜に伝えるものである場合は、温度勾配印加手段１１は必ずしも必須ではない。
磁化手段１３は磁性体膜２を磁化方向Ａに磁化するための装置であり、磁性体膜２の磁化を保持できるものであれば、構造、材料、種類は問わない。具体的には、例えばコイル等による磁場発生装置のほか、磁石などを近接させて利用することもできる。また、別の強磁性体膜や反強磁性体膜を磁性体膜２に近接して配置し、磁気的相互作用などの手段で磁性体膜２の磁化を保持することもできる。
次に、熱電変換素子１の動作について、図１〜図５を参照して説明する。
まず、図１の熱電変換素子１において、磁性体膜２に磁化手段１３を用いて磁場を印加し、磁性体膜２を磁化方向Ａに磁化した後、温度勾配印加手段１１等を用いて温度勾配を印加する。
すると、磁性体膜２におけるスピンゼーベック効果により、この温度勾配方向に角運動（スピン流）が誘起される。熱電対構造によって熱起電力を生成可能な温度勾配方向が限定される従来熱電モジュールと異なり、磁性体におけるスピンゼーベック効果の場合はそのような構造異方性が無いため、任意の方向の温度勾配によってスピン流を生成可能である。
この任意の方向の温度勾配によって生成されたスピン流を起電力として取り出すために、第１の実施形態では電極３が磁性体膜２の上部中心に、電極３ａ、３ｂが磁性体膜２の図面前後端部にそれぞれ配置されている。これらの電極により、磁性体中の任意の方向のスピン流を起電力として取り出すことができる。
この磁性体膜２において生成されたスピン流は、近接する電極３、３ａ、３ｂへと流れ込み、この電極３、３ａ、３ｂにおける逆スピンホール効果によって電流へと変換される。
この電流は、端子７、９間、端子７ａ、９ａ間、端子７ｂ、９ｂ間のいずれかに電位差を生じさせるため、当該電位差を端子７、９、端子７ａ、９ａ、および端子７ｂ、９ｂから熱起電力として取り出すことができる。
具体的な動作例として、熱電変換素子１の素子面に垂直な方向成分（面直方向）を有する温度勾配が印加された場合、磁性体膜２においてこの面直方向にスピン流が生成され、図２および図３に示すように、主に電極３へと流れる。その後、この電極３における逆スピンホール効果によって、このスピン流は、磁性体膜２の磁化方向に対して垂直方向の電流に変換され、端子７、９間の電位差を熱起電力Ｖ_１１として取り出すことができる。
一方、素子面に平行な方向（面内方向）に温度勾配が印加された場合は、図４および図５に示すように、磁性体膜２においてこの面内方向にスピン流が生成され、主に電極３ａ、３ｂへと流れる。この電極３ａ、３ｂにおける逆スピンホール効果によって、スピン流は、磁性体膜２の磁化方向に対して垂直方向の電流に変換され、端子７ａ、９ａ間、端子７ｂ、９ｂ間の電位差を熱起電力Ｖ_１２、Ｖ_１３として取り出すことができる。電極３ａと電極３ｂとでは、磁性体膜２との界面においてスピン流の流れる向きが異なるため、互いに反平行の向きに起電力が生じる。
なお、図２、図３および図４、図５では面直温度勾配と面内温度勾配の場合をそれぞれ示したが、これらの中間の場合、すなわち、図１のｙｚ面内において、磁性体膜２に対する温度勾配方向の傾きθが０°＜θ＜９０°となるような斜め方向の温度勾配に対しても、熱起電力を高効率に取り出すことができる。この場合、斜めの温度勾配ベクトルを面直方向（θ＝９０°）の成分と面内方向（θ＝０°）の成分とに分解すると、面直成分については電極３において、面内成分については電極３ａ、３ｂにおいて、それぞれ同時に熱起電力が生成される。
このような電極配置により、熱電変換素子１は、面直・面内のいずれの温度勾配に対しても発電可能である。
このように、第１の実施形態によれば、熱電変換素子１は、基板４と、基板４に設けられ、所定の方向に磁化可能な多結晶の磁性絶縁体材料により構成される磁性体膜２と、磁性体膜２に設けられ、スピン軌道相互作用を有する材料を有する電極３、３ａ、３ｂとを有し、磁性体膜２の面直温度勾配を電極３の表面内の電位差として出力可能に、かつ磁性体膜２の面内温度勾配を電極３ａ、３ｂの表面内の電位差として出力可能に構成されている。
そのため、熱電変換素子１は、面内温度勾配と面直温度勾配の両方を同時に電力に変換できる。
次に、第２の実施形態について図６〜８を参照して詳細に説明する。
第２の実施形態は、第１の実施形態において、基板４ａとして、フィラー１５を含むことにより、熱伝導異方性を有する材料としたものを用いたものである。
なお、第２の実施形態において、第１の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。
図６に示すように、熱電変換素子１ａの基板４ａは、板状の基板担体６と、基板担体６中に一方向に配向したフィラー１５が複数充填された構造を有している。
基板担体６としては、例えばエポキシや有機系の樹脂といった、フィラー１５よりも熱伝導率の小さい材料が用いられ、フィラー１５には例えばカーボンファイバやアルミナ、窒化ホウ素といった、基板担体６よりも熱伝導率の大きな材料が用いられる。このような構造により、基板４においてはフィラー１５が配向した方向の熱伝導率が、配向した方向に垂直な方向の熱伝導率よりも大きくなり、熱伝導異方性が生じる。
図６では、フィラー１５は基板４ａ内で面直方向に配向しており、面直方向の熱伝導率が、面内方向の熱伝導率よりも高くなるように構成されている。
このような熱伝導異方性を有する基板４ａを用いると、熱伝導異方性を有しない基板を用いた場合に比べて高効率な熱電変換が可能となる。これは、ある与えられた熱源に対して熱電変換性能を最大化するには、スピンゼーベック効果を発現する磁性体膜２部分でできるだけ大きな温度差を保持することが必要とされるが、異方性を有する基板４を用いれば、この条件が面直・面内のいずれの方向においても同時に達成されるためである。
この理由を、図７および図８を参照して具体的に説明する。
まず図７に示すように、熱電変換素子１の面直方向に温度勾配が生じた場合を考える。この場合、磁性体膜２、基板４のそれぞれに直列に温度差が印加されることになるが、基板４は面直方向の熱伝導率が、面内方向の熱伝導率よりも高い（熱抵抗が小さい）ことから、実効的に磁性体膜２の部分に大きな温度差（図７の複数の白矢印参照）が印加される。これにより、面直方向の温度勾配に対して大きな熱起電力を生成することができる。
次に、図８のように、熱電変換素子１の面内方向に温度勾配が生じた場合は、磁性体膜２、基板４ａのそれぞれに並列に温度差が印加されることになる。ここで、基板４ａの面内方向の熱伝導率は面直方向よりも小さい（熱抵抗が大きい）ことから、基板４ａの面内方向には熱流が流れにくく（図８の点線で示す矢印参照）、結果として磁性体膜２の両端間に大きな温度差を保持することが可能となる。これにより、面内方向の温度勾配に対しても大きな熱起電力を生成することができる。
このような構成により、面直・面内のいずれの温度勾配に対しても高効率な熱電発電が可能な熱電デバイスが構成できる。なお、ここでは基板４として、基板担体６中に、配向したフィラー１５を充填した構造を採用したが、熱伝導異方性を生じさせる方法はこれに限られない。例えば、ヒートパイプなど、熱伝導特性の高い構造などを基板担体６に面直方向に埋め込んだ場合でも、同様の効果を得ることができる。
また、ここでは基板４ａの面直熱伝導率が面内熱伝導率に比べて大きければ効果があるが、特に磁性体膜２に大きな温度差を保持するためには、基板４ａの面直熱伝導率が磁性体膜２の垂直熱伝導率よりも高く、基板４ａの水平熱伝導率が磁性体膜２の水平熱伝導率よりも低いことがより好ましい。
なお、必要に応じて、電極３、３ａ、３ｂの間や、その上部に保護層を設けてもよい。この場合、保護層についても、面直方向の熱伝導率が、面内方向の熱伝導率よりも高くなるように構成されていることが好ましい。
このように、第２の実施形態によれば、熱電変換素子１ａは、基板４ａと、基板４ａに設けられ、所定の方向に磁化可能な多結晶の磁性絶縁体材料により構成される磁性体膜２と、磁性体膜２に設けられ、スピン軌道相互作用を有する材料を有する電極３、３ａ、３ｂとを有し、磁性体膜２の面直温度勾配を電極３の表面内の電位差として、出力可能に、かつ磁性体膜２の面内温度勾配を電極３ａ、３ｂの表面内の電位差として出力可能に構成されている。
従って、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
また、第２の実施形態によれば、熱電変換素子１ａは、基板４ａが基板担体６と、基板担体６中に一方向に配向したフィラー１５が複数充填された構造を有しており、熱伝導異方性を有する。
そのため、第１の実施形態と比較して、高効率な熱電変換が可能となる。
次に、第３の実施形態について図９〜図１６を参照して説明する。
第３の実施形態は、第２の実施形態と同様に、基板に熱伝導異方性を持たせたものであるが、第２の実施形態とは異なり、材料ではなく形状によって基板に熱伝導異方性を持たせている。
なお、第３の実施形態において、第１の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。
図９〜図１１に示すように、第３の実施形態に係る熱電変換素子１ｂは、基板４ｂの少なくとも片面側に、面内方向の熱伝導をブロックするための細長いスリット１７が設けられている。図９ではスリット１７は面直方向に平行に形成されている。
このような構造により、基板４ｂは、基板４ａと同様に面直方向の熱伝導特性の方が、スリット１７に垂直な面内方向の熱伝導特性よりも高くなっており、熱伝導異方性を有している。
このように、熱伝導異方性は、基板の形状を工夫することによっても生じさせることができる。
熱伝導異方性を有する基板４ｂを用いると、第２の実施形態同様、面直・面内方向のいずれに対しても高効率な熱電変換が可能となる。
即ち、図１２に示すように、熱電変換素子１の面直方向（図１２の複数の白矢印の方向）に温度勾配を印加すると、基板４は面直方向に対しては比較的高い熱伝導特性を有する（熱抵抗が小さい）ことから、実効的に磁性体膜２の部分に大きな温度差が印加される。これにより、面直方向の温度勾配に対して大きな熱起電力を生成することができる。
一方、図１３に示すように、熱電変換素子１の面内方向に温度勾配を印加すると、基板４ｂの面内方向の熱伝導は、スリット１７によってブロックされ、基板４ｂの面内方向には熱流が流れにくくなるため（図１３の点線の矢印参照）、結果として磁性体膜２の両端間に大きな温度差を保持することが可能となる。これにより、面内方向の温度勾配に対しても大きな熱起電力を生成することができる。
なお、ここではスリット１７として、線状の細長い切れ込みの配列構造を採用したが、スリット１７はこの形状に限られない。例えば格子状の切れ込みや、複数の穴を形成した構造でもよく、面直方向と面内方向とで熱伝導異方性を生成する構造であれば、パターン形状などの詳細は問わない。また、機械的強度を高めるために、スリット１７に、基板４ｂよりも小さな熱伝導率を有する材料を埋め込んでもよい。
また、スリット１７の形成方法としては、例えばインプリント法が挙げられる。
具体的には、まずスリット１７の形成前に基板４ｂを必要に応じてあらかじめ加熱、超音波照射、紫外線照射等で加工しやすいようにしておき、図１４に示すスリット１７を反転した凸形状２３を有するテンプレート２１を基板４ｂに押し付け、図１５に示すようにスリット１７を成形する。その後、図１６に示すように、テンプレート２１を基板４ｂから引き離すことで、熱伝導特性に異方性を有する基板４ｂが作製される。
このように、第３の実施形態によれば、熱電変換素子１ｂは、基板４ｂと、基板４ｂに設けられ、所定の方向に磁化可能な多結晶の磁性絶縁体材料により構成される磁性体膜２と、磁性体膜２に設けられ、スピン軌道相互作用を有する材料を有する電極３、３ａ、３ｂとを有し、磁性体膜２の面直温度勾配を電極３の表面内の電位差として、出力可能に、かつ磁性体膜２の面内温度勾配を電極３ａ、３ｂの表面内の電位差として出力可能に構成されている。
従って、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
また、第３の実施形態によれば、熱電変換素子１ａは、基板４ｂの少なくとも片面側に、熱伝導をブロックするためのスリット１７が設けられており、熱伝導異方性を有する。
そのため、第１の実施形態と比較して、高効率な熱電変換が可能となる。
次に、第４の実施形態について、図１７〜図２１を参照して説明する。
第４の実施形態は、第１の実施形態において、磁性体膜２の両面に電極を設けたものである。
なお、第４の実施形態において、第１の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。
図１８に示すように、第４の実施形態に係る熱電変換素子１ｃは、基板４と磁性体膜２の間に電極３３、３３ａ、３３ｂが設けられている。
電極３３、３３ａ、３３ｂはそれぞれ電極３、３ａ、３ｂに対応した形状をしており、平面上の位置関係も電極３、３ａ、３ｂに対応するように設けられている。
具体的には、電極３３、３３ａ、３３ｂは磁性体膜２を挟んで電極３、３ａ、３ｂとそれぞれ対向するように基板４上に形成されている。
電極３３の両端には電極３と同様に端子３７、３９が取り付け可能に形成されており、同様に、電極３３ａの両端には端子３７ａ、３９ａが、電極３３ｂの両端には端子３７ｂ、３９ｂがそれぞれ取り付け可能に形成されている。
また、電極３３と電極３３ａの間、および電極３３と電極３３ｂの間にはスペーサ２０が設けられている。
スペーサ２０は、電極−電極間を電気的・磁気的に隔離するためのものであり、例えばＳｉＯ_２などの非磁性絶縁体を用いることができる。また、スペーサ２０として、ポリエチレン、ポリプロピレンのようなポリオレフィン、ＰＥＴやＰＥＮのようなポリエステルを用いれば、印刷プロセスで形成することもできる。
なお、スペーサ２０は熱電変換に直接関わらない部分であるため、薄いほど望ましい。
また、面内・面直熱電変換の最適化の観点からは、スペーサ２０は、垂直方向の熱伝導特性が水平方向の熱伝導特性よりも高いものがより好ましい。特に、磁性体膜２に比べて、垂直方向の熱伝導度が高く、水平方向の熱伝導度が低いほうが、さらに好ましい。
このように、電極は磁性体膜２の片面のみではなく、両面に設けてもよく、これにより片面のみに電極を設ける場合と比べて、より効率的にスピン流から熱起電力を取り出すことができる。
例えば、図１８および図１９に示すように、熱電変換素子１ｃの素子面に垂直な方向に温度勾配が印加された場合、磁性体膜２において面直方向にスピン流が生成され、上部の電極３および下部の電極３３へと流れる。その後、この電極３、３３における逆スピンホール効果によって、このスピン流は、磁性体膜２の磁化方向に対して垂直方向の電流に変換され、それぞれ端子７、９間の電位差を熱起電力Ｖ_１１として、端子３７、３９間の電位差を熱起電力Ｖ_２１として取り出すことができる。電極３と電極３３はスピン流の流れる向きが同じであるため、同じ向きに起電力が生じる。
一方、図２０および図２１に示すように、熱電変換素子１ｃの素子面に平行な方向（図面の前後方向）に温度勾配が印加された場合、磁性体膜２において面内方向にスピン流が生成され、主に電極３ａ、３３ａ、および電極３ｂ、３３ｂへと流れる。この電極３ａ、３３ａ、および電極３ｂ、３３ｂにおける逆スピンホール効果によって、このスピン流は、磁性体膜２の磁化方向に対して垂直方向の電流に変換され、端子７ａ、９ａ間の電位差を熱起電力Ｖ_１２として、端子７ｂ、９ｂ間の電位差を熱起電力Ｖ_１３として、端子３７ａ、３９ａ間の電位差を熱起電力Ｖ_２２として、端子３７ｂ、３９ｂ間の電位差をＶ_２３として取り出すことができる。
このように、第４の実施形態によれば、熱電変換素子１ｃは、基板４と、基板４に設けられ、所定の方向に磁化可能な多結晶の磁性絶縁体材料により構成される磁性体膜２と、磁性体膜２に設けられ、スピン軌道相互作用を有する材料を有する電極３、３ａ、３ｂとを有し、磁性体膜２の面直温度勾配を電極３の表面内の電位差として、出力可能に、かつ磁性体膜２の面内温度勾配を電極３ａ、３ｂの表面内の電位差として出力可能に構成されている。
従って、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
また、第４の実施形態によれば、熱電変換素子１ｃは、磁性体膜２の両面に電極が設けられている。
そのため、第１の実施形態と比べて、より効率的にスピン流から熱起電力を取り出すことができる。
次に、第５の実施形態について、図２２〜図２６を参照して説明する。
第５の実施形態は、第１の実施形態において、磁性体膜２の左右端部に、さらに電極４９、５１（端部電極）を設けたものである。
なお、第５の実施形態において、第１の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。
図２２に示すように、第５の実施形態に係る熱電変換素子１ｄは、磁性体膜２の左右端部に電極３を挟み込むようにして電極５１、４９が設けられている。電極４９、５１の両端にはそれぞれ端子４９ａ、４９ｂおよび端子５１ａ、５１ｂが取り付け可能に形成されている。
電極５１、４９は、電極３ａ、３ｂと対向面が交差（ここでは直交）するように設けられている。
なお、図２２では電極３の上下端にも端子５０、５２が取り付け可能に形成されている。
このように、端部に設ける端部電極は一対のみではなく、２対設けてもよく、これにより、一対のみ設ける場合と比べて、面内温度勾配から効率よく熱起電力を取り出すことができる。
熱電変換素子１ｄに温度勾配を印加した場合の具体的な動作例を図２３〜図２６を参照して説明する。
なお、ｙｚ面内方向の温度勾配で熱電発電する際には磁化は−ｙ方向に（図２３および図２４の白矢印Ａ方向）、ｘｚ面内方向の温度勾配で熱電発電する際には磁化は−ｘ方向に（図２５および図２６の白矢印Ｃ方向）、それぞれあらかじめ固定しておくものとする。
まず、磁化が−ｙ方向に固定された配置において、図２３に示すように、素子面に垂直な方向（図面のｚ方向）に温度勾配が印加されると、磁性体膜２において面直方向に生成されたスピン流は、主に電極３へと流れる。その後、この電極３における逆スピンホール効果によって、このスピン流は、磁性体膜２の磁化方向に対して垂直方向の電流に変換され、端子７、９間の電位差を熱起電力Ｖ_１１として取り出すことができる。
同様に、図２４に示すように、素子面に平行な前後方向（図面のｙ方向）に温度勾配が印加された場合、磁性体膜２において面内方向に生成されたスピン流は、主に電極３ａ、３ｂへと流れる。この電極３ａ、３ｂにおける逆スピンホール効果によって、このスピン流は、磁性体膜２の磁化方向に対して垂直方向の電流に変換され、端子７ａ、９ａ間の電位差を熱起電力Ｖ_１２として、端子７ｂ、９ｂ間の電位差をＶ_１３として取り出すことができる。電極３ａと電極３ｂとでは、磁性体膜２との界面においてスピン流の流れる向きが異なるため、互いに反平行の向きに起電力が生じる。
なお、図２３と図２４ではｚ方向温度勾配とｙ方向温度勾配の場合をそれぞれ示したが、これらの中間の場合、すなわち、ｙｚ面内の任意の温度勾配に対しても、複数の電極３、ａ、３ｂから熱起電力を高効率に取り出すことができる。
次に、図２５に示すように、磁化が−ｘ方向に固定された配置において、素子面に垂直な方向（図面のｚ方向）に温度勾配が印加された場合、磁性体膜２において面直方向に生成されたスピン流は、主に電極３へと流れる。その後、この電極３における逆スピンホール効果によって、このスピン流は、磁性体膜２の磁化方向に対して垂直方向の電流に変換され、端子５０、５２間の電位差を熱起電力Ｖ_１１として取り出すことができる。
一方、図２６に示すように、素子面に平行な左右方向（図面のｘ方向）に温度勾配が印加された場合、磁性体膜２において面内方向に生成されたスピン流は、主に電極４９、５１へと流れる。そして、この電極４９、５１における逆スピンホール効果によって、このスピン流は、磁性体膜２の磁化方向に対して垂直方向の電流に変換され、端子５１ａ、５１ｂ間の電位差を熱起電力Ｖ_１４として、端子４９ａ、４９ｂ間の電位差を熱起電力Ｖ_１５として取り出すことができる。電極４９と電極５１とでは、磁性体膜２との界面においてスピン流の流れる向きが異なるため、互いに反平行の向きに起電力が生じる。
なお、図２５と図２６ではｚ方向温度勾配とｘ方向温度勾配の場合をそれぞれ示したが、これらの中間の場合、すなわち、ｘｚ面内の任意の温度勾配に対しても、複数の電極３、４９、５１から熱起電力を高効率に取り出すことができる。
また、図２３〜図２６では磁化が−ｙまたは−ｘ方向に固定された場合の発電動作を説明したが、その中間の場合、すなわち、例えば磁化がｘｙ面の４５度方向に固定された場合は、ｘ、ｙ、ｚの３方向いずれの温度勾配に対しても、熱電変換が可能となる。
以上のように、印加される温度勾配方向に応じて複数の電極における熱起電力の総和が最大となるように、外部磁場などであらかじめ磁化の向きを最適化しておくことで、任意の温度勾配に対する高効率熱電変換が可能となる。また、磁性体膜２として保磁力を有する磁性材料を用いれば、一旦外部磁場などで磁化方向を初期化しておけば、ゼロ磁場の下でも動作可能であることから、用途に応じて最適初期化された熱電変換素子を提供することができる。
このように、第５の実施形態によれば、熱電変換素子１ｄは、基板４と、基板４に設けられ、所定の方向に磁化可能な多結晶の磁性絶縁体材料により構成される磁性体膜２と、磁性体膜２に設けられ、スピン軌道相互作用を有する材料を有する電極３、３ａ、３ｂとを有し、磁性体膜２の面直温度勾配を電極３の表面内の電位差として、出力可能に、かつ磁性体膜２の面内温度勾配を電極３ａ、３ｂの表面内の電位差として出力可能に構成されている。
従って、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
また、第５の実施形態によれば、熱電変換素子１ｄは、磁性体膜２の左右端部にも、電極４９、５１が設けられている。
そのため、第１の実施形態と比較して面内温度勾配から効率よく熱起電力を取り出すことができる。
次に、第６の実施形態について、図２７〜図３４を参照して説明する。
第６の実施形態は、第１の実施形態において、短冊状の電極を複数設け、温度勾配の向きに応じて電極間を接続することにより熱起電力を得るようにしたものである。
なお、第６の実施形態において、第１の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。
まず、図２７を参照して第６の実施形態に係る熱電変換素子１ｅの構造について説明する。
図２７に示すように、熱電変換素子１ｅは、磁性体膜２の磁化方向Ａに垂直な方向に長手方向を有し、互いに平行になるように配列された、短冊状の電極６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅを有している。
電極６１ａの長手方向の両端には端子６３ａ、６５ａが、電極６１ｂの長手方向の両端には端子６３ｂ、６５ｂが、電極６１ｃの長手方向の両端には端子６３ｃ、６５ｃがそれぞれ取り付け可能に形成されている。
また、電極６１ｄの長手方向の両端には端子６３ｄ、６５ｄが、電極６１ｅの長手方向の両端には端子６３ｅ、６５ｅがそれぞれ取り付け可能に形成されている。
次に、熱電変換素子１ｅに温度勾配を印加した場合の具体的な動作例を図２８〜図３１を参照して説明する。
まず、図２８に示すように、熱電変換素子１ｅの素子面に垂直な方向（面直方向）に温度勾配が印加された場合、磁性体膜２において面直方向に生成されたスピン流は、電極６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅへと流れる。各電極における逆スピンホール効果によって、スピン流が発生し、磁性体膜２の磁化方向に対して垂直方向の電流（起電力）へと変換され、熱起電力として取り出すことができる。
一方、図２９に示すように、熱電変換素子１ｅの素子面に平行な方向（図面の前後方向）に温度勾配が印加された場合、磁性体膜２において面内方向に生成されたスピン流は、電極６１ａ、６１ｂ、６１ｄ、６１ｅへと流れる。そして、この電極における逆スピンホール効果によって、このスピン流は、磁性体膜２の磁化方向に対して垂直方向の電流（起電力）へと変換され、熱起電力として取り出すことができる。ただしこの場合、磁性体膜２においては図面の前後方向にスピン流が生じているために、各電極／磁性体膜２の界面においてスピン流が流れる方向（スピン流の符号）は、磁性体膜２の手前側にある電極６１ａ、６１ｂと、奥側にある電極６１ｄ、６１ｅとでは、反対方向（逆符号）となる。従って、電極６１ａ、６１ｂと電極６１ｄ、６１ｅとでは、熱起電力の発生する向きは逆方向（逆符号）となる。
また、これら複数の電極において生成された熱起電力は、電気的な直列接続によってそれぞれ加算することで、全体として大きな出力電圧を得ることもできる。図３０および図３１にはその一例として、接続線６４によって電極を相互接続した構造を図示した。図３０は面直温度勾配が印加された場合の接続線６４による最適接続構造を、図３１は面内温度勾配が印加された場合の接続線６４による最適接続構造をそれぞれ示している。
図３０および図３１に示すように、面直温度勾配を利用する場合と、面内温度勾配を利用する場合とでは、熱起電力を有効に加算するための電極の接続形態が異なる。従って、接続線６４による電極の直列接続形態は、温度勾配方向に応じて再構成可能であることが望ましい。
以上の構成により、第１の実施形態同様、面直・面内温度勾配での熱電発電機能が実現される。
ここで、図２７のように、電極６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅを短冊形状にした理由を説明する。
前述のように、高効率な熱電発電を行うには、印加される温度差を保持して継続的な発電を行うために、熱電変換素子としては、熱伝導の小さい（熱伝導経路の少ない）素子構造が望ましい。一方、面直方向の温度勾配からより大きな電力を取り出すためには、第１の実施形態の電極３のように電極の面積が広い方が望ましい。しかしながら、第１の実施形態のような広い面積の電極３を配置した構造で面内熱電発電を行う状況下では、特に電極３の膜厚・熱伝導率が大きい場合、電極３の面内に大きな熱流が流れる結果、素子全体としても面内方向の熱伝導が増加する（大きな熱伝導経路が生じる）。この場合、面内温度勾配に対する熱電発電効率が、面直方法に比べて低下する可能性がある。
これに対し、図２７に示すような熱電変換素子１ｄでは、複数の短冊状の電極が互いに分離して配置されており、電極部分での大きな熱伝導経路は生じないことから、上記の問題が解決される。
さらに、複数の電極を図３０および図３１のように接続することで、電極の面積を実効的に広くすることと同等の効果が得られる。つまり、面内の熱伝導を押さえることと、面直温度勾配から大きな電力を得ることを両立できる。
なお、電極の個数は偶数が好ましい。これは、電極の個数が奇数の場合、面内温度勾配を印加したときに中央に配置された電極（図２７の場合は電極６１ｃ）から電力を得られないためである。
また、図２７では５つの電極を平行に配置した構造を図示したが、電極の数は最低２つあればよいため、図３２に示す熱電変換素子１ｆのような、２つの電極（電極３ａ、３ｂ）のみの構造でも、同様の効果が期待できる。
即ち、図３３に示すように、熱電変換素子１ｆの素子面に垂直な方向に温度勾配が印加された場合、磁性体膜２において面直方向に生成されたスピン流は、電極３ａ、３ｂへと流れる。各電極における逆スピンホール効果によって、スピン流が発生し、磁性体膜２の磁化方向に対して垂直方向の電流（起電力）へと変換され、端子７ａ、９ａ間の電位差を熱起電力Ｖ_９として、端子７ｂ、９ｂ間の電位差を熱起電力Ｖ_１０として取り出すことができる。
また、図３４に示すように、熱電変換素子１ｆの素子面に平行な方向（図面の前後方向）に温度勾配が印加された場合、磁性体膜２において面内方向に生成されたスピン流は、電極３ａ、３ｂへと流れる。そして、この電極３ａ、３ｂにおける逆スピンホール効果によって、このスピン流は、磁性体膜２の磁化方向に対して垂直方向の電流（起電力）へと変換され、端子７ａ、９ａ間の電位差を熱起電力Ｖ_９として、端子７ｂ、９ｂ間の電位差を熱起電力Ｖ_１０として取り出すことができる。ただしこの場合、磁性体膜２においては図面の前後方向にスピン流が生じているために、各電極／磁性体膜２の界面においてスピン流が流れる方向（スピン流の符号）は、磁性体膜２の手前側にある電極３ａと、奥側にある電極３ｂとでは、反対方向（逆符号）となる。
このように、第６の実施形態によれば、熱電変換素子１ｅは、基板４と、基板４に設けられ、所定の方向に磁化可能な多結晶の磁性絶縁体材料により構成される磁性体膜２と、磁性体膜２に設けられ、スピン軌道相互作用を有する材料を有する電極６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅとを有し、磁性体膜２の面直温度勾配および面内温度勾配を電極６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅの表面内の電位差として出力可能に構成されている。
従って、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
また、第６の実施形態によれば、熱電変換素子１ｅは、磁性体膜２の磁化方向に垂直な方向に長手方向を有し、互いに平行に配列された、短冊状の電極６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅを有している。
そのため、第１の実施形態と比較して、面内の熱伝導を抑えることと、面直温度勾配から大きな電力を得ることを両立でき、面直温度勾配および面内温度勾配のいずれに対しても高効率な熱電変換が可能である。
次に、第７の実施形態について、図３５〜図３７を参照して説明する。
第７の実施形態は、第６の実施形態において、磁性体膜２と電極３を積層したものである。
なお、第７の実施形態において、第６の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、主に第６の実施形態と異なる部分について説明する。
図３５に示すように、第７の実施形態に係る熱電変換素子１ｆは、磁性体膜２と電極３を交互に積層した構造を有している。なお、磁性体膜２の下面と電極３の上面の間にはスペーサ２０が設けられている。
このような磁性体に対して温度勾配を印加すると、スピンゼーベック効果により、この温度勾配方向にスピン流が誘起される。
熱電変換素子１ｇにおいては、複数積層された磁性体膜２のそれぞれにおいて、温度勾配によるスピン流が生成される。このスピン流を起電力として取り出すために、本実施例では複数の電極３が、複数の磁性体膜２の上に互いに平行になるように配置されている。これらの電極により、磁性体中の任意の方向のスピン流を起電力として取り出すことができる。
熱電変換素子１ｆに温度勾配を印加した場合の具体的な動作例を図３６および図３７を用いて説明する。
まず、図３６に示すように、熱電変換素子１ｇの素子面に垂直な方向（面直方向）に温度勾配が印加された場合、各磁性体膜２において面直方向生成されたスピン流は、それぞれ隣接する電極３へと流れる。この電極３における逆スピンホール効果によって、スピン流は、磁性体膜２の磁化方向に対して垂直方向の電流（起電力）へと変換され、熱起電力Ｖとして取り出すことができる。
一方、図３７に示すように、熱電変換素子１ｇの素子面に平行な方向（面内方向）に温度勾配が印加された場合、各磁性体膜２において面内方向に生成されたスピン流は、それぞれ隣接する電極３へと流れる。この電極３における逆スピンホール効果によって、スピン流は、磁性体膜２の磁化方向に対して垂直方向の電流（起電力）へと変換され、熱起電力Ｖとして取り出すことができる。
このように、熱電変換素子は積層構造にすることもでき、複数積層された電極３によってそれぞれ熱起電力を取り出すことができるため、面直・面内のいずれの温度勾配に対しても、全体として大きな発電効率を有する熱電変換素子が実現できる。
このように、第７の実施形態によれば、熱電変換素子１ｇは、基板４と、基板４に設けられ、所定の方向に磁化可能な多結晶の磁性絶縁体材料により構成される磁性体膜２と、磁性体膜２に設けられ、スピン軌道相互作用を有する材料を有する電極３とを有し、磁性体膜２の面直温度勾配を電極３の表面内の電位差として、出力可能に、かつ磁性体膜２の面内温度勾配を電極３の表面内の電位差として出力可能に構成されている。
従って、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
また、第７の実施形態によれば、熱電変換素子１ｇは、磁性体膜２と電極３を交互に積層した構造を有している。
そのため、単層の場合と比べて大きな熱起電力を得ることができる。
次に、第８の実施形態について、図３８を参照して説明する。
第８の実施形態は、第１の実施形態において、端部電極を１つのみ設けたものである。
なお、第８の実施形態において、第１の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。
図３８に示すように、第８の実施形態に係る熱電変換素子１ｈは、端部電極が１つのみ（電極３ａ）設けられている。
このように、端部電極は必ずしも対になっている必要はなく、磁性体膜２の一方の端部にのみ設けられていてもよい。
このように、第８の実施形態によれば、熱電変換素子１ｈは、基板４と、基板４に設けられ、所定の方向に磁化可能な多結晶の磁性絶縁体材料により構成される磁性体膜２と、磁性体膜２に設けられ、スピン軌道相互作用を有する材料を有する電極３、３ａとを有し、磁性体膜２の面直温度勾配を電極３の表面内の電位差として、出力可能に、かつ磁性体膜２の面内温度勾配を電極３、３ａの表面内の電位差として出力可能に構成されている。
従って、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
次に、第９の実施形態について、図３９を参照して説明する。
第９の実施形態は、第１の実施形態において、電極３ａ、３ｂを接続してを一体にしたものである。
なお、第９の実施形態において、第１の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。
図３９に示すように、第９の実施形態に係る熱電変換素子１ｉは、電極３ａ、３ｂが接続部３ｃで接続されて、コの字形の一体となった端部電極を構成している。
このように、端部電極は必ずしも対になって分離している必要はなく、繋がっていてもよい。
このように、第９の実施形態によれば、熱電変換素子１ｉは、基板４と、基板４に設けられ、所定の方向に磁化可能な多結晶の磁性絶縁体材料により構成される磁性体膜２と、磁性体膜２に設けられ、スピン軌道相互作用を有する材料を有する電極３、３ａ、３ｂとを有し、磁性体膜２の面直温度勾配を電極３の表面内の電位差として、出力可能に、かつ磁性体膜２の面内温度勾配を電極３ａ、３ｂの表面内の電位差として出力可能に構成されている。
従って、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

以下、実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。
〔実施例１〕
第１の実施形態に係る熱電変換素子１を作製した。具体的な手順は以下の通りである。
まず、基板４としてはサンゴバン株式会社製のガドリニウムガリウムガーネット（以降、ＧＧＧ。組成はＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）基板（１１１）面を用い、磁性体膜２としてはＹサイトの一部をＢｉで置換したイットリウム鉄ガーネット（組成はＢｉＹ_２Ｆｅ_５Ｏ_１２であり、以下、Ｂｉ：ＹＩＧと表記する）膜を用いた。電極３、３ａ、３ｂにはＰｔを用いた。ここで、ＧＧＧ基板は厚さ０．７ｍｍ、Ｂｉ：ＹＩＧ膜の厚さは０．３ｍｍ、Ｐｔ電極の厚さは１０ｎｍとした。
Ｂｉ：ＹＩＧ磁性体膜２は、エアロゾルデポジション法により成膜した。Ｂｉ：ＹＩＧ原料には、直径３００ｎｍのＢｉ：ＹＩＧ微粒子を用いた。このＢｉ：ＹＩＧ微粒子をエアロゾル発生容器に詰めておき、ＧＧＧ基板は成膜チャンバ内のホルダに固定した。この状態で成膜チャンバとエアロゾル発生容器との間に圧力差を生じさせることで、Ｂｉ：ＹＩＧ微粒子が成膜チャンバ内へと引き込まれ、ノズルを通してＧＧＧ基板上に吹き付けた。このときの基板での衝突エネルギーによって微粒子が粉砕・再結合し、基板上にＹＩＧ多結晶が形成された。基板ステージを２次元的にスキャンすることで、基板上に均一なＢｉ：ＹＩＧ磁性体膜２を膜厚０．３ｍｍで成膜した。
さらに、成膜後のＢｉ：ＹＩＧ磁性体膜２の表面を研磨後、このＢｉ：ＹＩＧ磁性体膜上にＰｔ電極３、３ａ、３ｂを光リソグラフィとスパッタにより成膜し、熱電変換素子１が完成した。
〔実施例２〕
第２の実施形態に係る熱電変換素子１ａを作製した。具体的な手順は以下の通りである。
基板４ａとしては、エポキシ樹脂中に配向したカーボンファイバをフィラーとして含有する熱伝導異方性基板を用いた。カーボンファイバは基板に対して面直方向に配向しており、この方向に高い熱伝導率を有する。
磁性体膜２としてはＹサイトの一部をＢｉで置換したイットリウム鉄ガーネット（ＢｉＹ_２Ｆｅ_５Ｏ_１２）膜を用いた。電極３、３ａ、３ｂにはＰｔを用いた。ここで、基板４は厚さ０．３ｍｍ、Ｂｉ：ＹＩＧ膜の厚さは０．１ｍｍ、Ｐｔ電極の厚さは１０ｎｍとした。
Ｂｉ：ＹＩＧ磁性体膜２は、エアロゾルデポジション法により成膜した。Ｂｉ：ＹＩＧ原料には、直径３００ｎｍのＢｉ：ＹＩＧ微粒子を用いた。このＢｉ：ＹＩＧ微粒子をエアロゾル発生容器に詰めておき、基板は成膜チャンバ内のホルダに固定した。この状態で成膜チャンバとエアロゾル発生容器との間に圧力差を生じさせることで、Ｂｉ：ＹＩＧ微粒子が成膜チャンバ内へと引き込まれ、ノズルを通して基板上に吹き付けられた。このときの基板での衝突エネルギーによって微粒子が粉砕・再結合し、基板上にＹＩＧ多結晶が形成された。基板ステージを２次元的にスキャンすることで、基板上に均一なＢｉ：ＹＩＧ磁性体膜２を膜厚０．１ｍｍで成膜した。
さらに、成膜後のＢｉ：ＹＩＧ磁性体膜２の表面を研磨後、このＢｉ：ＹＩＧ磁性体膜上にＰｔ電極３、３ａ、３ｂを光リソグラフィとスパッタにより成膜し、熱電変換素子１ａが完成した。
〔実施例３〕
第３の実施形態に係る熱電変換素子１ｂを作製した。具体的な手順は以下の通りである。
異方的な熱伝導特性を有する基板４ｂとしては、厚さ０．３ｍｍのポリイミド基板の裏面に、幅０．１ｍｍ、深さ０．２ｍｍの切れ込みを入れた構造の基板を採用した。
磁性体膜２としてはＢｉ：ＹＩＧ膜を用いた。電極３、３ａ、３ｂにはＰｔを用いた。ここで、Ｂｉ：ＹＩＧ膜の厚さは０．１ｍｍ、Ｐｔ電極の厚さは１０ｎｍとした。
Ｂｉ：ＹＩＧ磁性体膜２は、エアロゾルデポジション法により成膜した。Ｂｉ：ＹＩＧ原料には、直径３００ｎｍのＢｉ：ＹＩＧ微粒子を用いた。このＢｉ：ＹＩＧ微粒子をエアロゾル発生容器に詰めておき、基板４ｂは成膜チャンバ内のホルダに固定した。この状態で成膜チャンバとエアロゾル発生容器との間に圧力差を生じさせることで、Ｂｉ：ＹＩＧ微粒子が成膜チャンバ内へと引き込まれ、ノズルを通して基板４ｂ上に吹き付けられた。このときの基板での衝突エネルギーによって微粒子が粉砕・再結合し、基板４ｂ上にＹＩＧ多結晶が形成された。基板ステージを２次元的にスキャンすることで、基板４ｂ上に均一なＢｉ：ＹＩＧ磁性体膜２を膜厚０．１ｍｍで成膜した。
さらに、成膜後のＢｉ：ＹＩＧ磁性体膜２の表面を研磨後、このＢｉ：ＹＩＧ磁性体膜上にＰｔ電極３、３ａ、３ｂを光リソグラフィとスパッタにより成膜した。
最後に、基板４ｂの裏面の加工を、図１４に示すような、切れ込み作製用のテンプレート２１を用いたインプリント法で行った。ここでは、まず基板をあらかじめ加熱しておき、テンプレート２１を基板に押し付け、切れ込み７を生成した。最後に基板４ｂを冷却することで、熱伝導特性に異方性を有する基板４が作製された。
以上の手順により、熱電変換素子１ｂが完成した。

本発明の利用例として、端末・センサ等への給電用電源が挙げられる。
なお、上記した実施形態では、熱電変換素子を温度勾配から電流・電圧を取り出す熱電発電に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、熱電変換素子は、温度や（吸収膜などを近接配置することで）赤外線などを検知する熱センサなどにも用いることができる。また、これまでの説明した使い方とは逆に、外部から電極に電流を流すことで温度勾配を生成するペルチェ素子としての利用も原理的には可能である。
この出願は、２０１１年５月２３日に出願された日本出願特願第２０１１−１１４３０１号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。

１ 熱電変換素子
１ａ 熱電変換素子
１ｂ 熱電変換素子
１ｃ 熱電変換素子
１ｄ 熱電変換素子
１ｅ 熱電変換素子
１ｆ 熱電変換素子
１ｇ 熱電変換素子
１ｈ 熱電変換素子
１ｉ 熱電変換素子
２ 磁性体膜
３ａ 電極
３ｂ 電極
３ｃ 接続部
４ 基板
４ａ 基板
４ｂ 基板
６ 基板担体
７ 端子
７ａ 端子
７ｂ 端子
１１ 温度勾配印加手段
１３ 磁化手段
１５ フィラー
１７ スリット
２０ スペーサ
２１ テンプレート
２３ 凸形状
３３ 電極
３３ａ 電極
３３ｂ 電極
３７ 端子
３７ａ 端子
３７ｂ 端子
４９ 電極
４９ａ 端子
５０ 端子
５１ 電極
５１ａ 端子
６１ａ 電極
６１ｂ 電極
６１ｃ 電極
６１ｄ 電極
６１ｅ 電極
６３ａ 端子
６３ｂ 端子
６３ｃ 端子
６３ｄ 端子
６３ｅ 端子
６４ 接続線

Claims (16)

1. 基板に設けられ、膜面に平行な成分を有する所定の方向に磁化可能な磁性体により構成される磁性体膜と、
   前記磁性体膜に設けられ、スピン軌道相互作用を有する材料を有し、前記所定の方向に沿って配列され、かつ前記所定の方向と直交する方向に延在する複数の電極と、
   を有し、
   前記磁性体膜表面に垂直な温度勾配を、前記電極のいずれかの表面内の電位差として出力可能に、かつ前記磁性体膜表面に平行な温度勾配を、前記電極のいずれかの表面内の電位差として出力可能に構成したことを特徴とする熱電変換素子。
2. 前記磁性体膜に温度勾配を印加すると、前記磁性体膜から前記電極に向けて流れるスピン流が生成され、前記電極における逆スピンホール効果により、前記所定の方向と垂直方向に電流が生じるように構成したことを特徴とする請求項１記載の熱電変換素子。
3. 前記電極の二点に設けられ、前記電流により生じた熱起電力を、前記電極の前記二点間の電位差として出力する熱起電力出力手段を有することを特徴とする請求項２に記載の熱電変換素子。
4. 前記磁性体膜に温度勾配を印加する温度勾配印加手段を有す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熱電変換素子。
5. 前記複数の電極は、前記磁性体膜の端部に設けられ、前記磁性体膜表面に平行な温度勾配を電位差として出力可能な端部電極と、
   前記磁性体膜表面に垂直な温度勾配を電位差として出力可能な中央電極と、
   を有し、
   前記中央電極は、前記端部電極よりも平面上の面積が大きいことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
6. 前記端部電極は、１以上の対になって設けられていることを特徴とする、請求項５記載の熱電変換素子。
7. 前記複数の電極もしくは前記基板の少なくとも一方は、その表面に垂直な方向の熱伝導率が、表面に平行な方向の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
8. 前記基板は、熱伝導異方性を有するフィラーを含有することを特徴とする、請求項７に記載の熱電変換素子。
9. 前記基板は、前記磁性体の前記所定の方向と交差するように設けられ、前記所定の方向に平行な方向の熱伝導をブロックする、スリットを有することを特徴とする、請求項７に記載の熱電変換素子。
10. 複数の前記電極は、前記磁性体膜の両面に互いに対向するように設けられていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
11. 複数の前記電極は、前記所定の方向に対して垂直になるような方向に長手方向を有する短冊状の電極を有し、前記短冊状の電極は、互いに平行になるように配置されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
12. 前記複数の電極は互いに直列接続されていることを特徴とする、請求項１１に記載の熱電変換素子。
13. 複数の前記電極は、前記温度勾配方向に応じて、加算された熱起電力の総和が最大になるように、接続可能に構成されていることを特徴とする、請求項１２に記載の熱電変換素子。
14. 複数の磁性体膜と前記複数の電極は、積層されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
15. 前記磁性体膜は、保磁力を有することを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の熱電変換素子の前記磁性体膜に温度勾配を印加することにより、前記磁性体膜から前記電極に向けて流れるスピン流を生成し、前記電極における逆スピンホール効果により、前記所定の方向と垂直方向に電流を生じさせることを特徴とする熱電変換方法。

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