JP6349863B2 - Spin current thermoelectric conversion element, manufacturing method thereof, and thermoelectric conversion device - Google Patents

Spin current thermoelectric conversion element, manufacturing method thereof, and thermoelectric conversion device Download PDF

Info

Publication number
JP6349863B2
JP6349863B2 JP2014067878A JP2014067878A JP6349863B2 JP 6349863 B2 JP6349863 B2 JP 6349863B2 JP 2014067878 A JP2014067878 A JP 2014067878A JP 2014067878 A JP2014067878 A JP 2014067878A JP 6349863 B2 JP6349863 B2 JP 6349863B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thermoelectric conversion
spin
magnetic
electromotive
conversion element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2014067878A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2015192013A (en
Inventor
石田 真彦
真彦 石田
和紀 井原
和紀 井原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
Priority to JP2014067878A priority Critical patent/JP6349863B2/en
Publication of JP2015192013A publication Critical patent/JP2015192013A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6349863B2 publication Critical patent/JP6349863B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Description

本発明は、スピンゼーベック効果及び逆スピンホール効果に基づく熱電変換素子に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion element based on a spin Seebeck effect and an inverse spin Hall effect.

近年、「スピントロニクス(spintronics)」と呼ばれる電子技術が脚光を浴びている。既存のエレクトロニクスは、電子の1つの性質である「電荷」だけを利用してきたが、スピントロニクスは、それに加えて、電子の他の性質である「スピン」をも積極的に利用する。特に、電子のスピン角運動量の流れである「スピン流(spin−current)」は重要な概念である。スピン流のエネルギー散逸は少ないため、スピン流を利用することによって高効率な情報伝達を実現できる可能性がある。従って、スピン流の生成、検出、制御は重要なテーマである。   In recent years, an electronic technology called “spintronics” has attracted attention. Existing electronics have used only one property of electrons, “charge”, while spintronics also actively uses other properties of electrons, “spin”. In particular, “spin-current”, which is a flow of spin angular momentum of electrons, is an important concept. Since the energy dissipation of the spin current is small, there is a possibility that highly efficient information transmission can be realized by using the spin current. Therefore, generation, detection and control of spin current are important themes.

例えば、電流が流れるとスピン流が生成される現象が知られている。これは、「スピンホール効果(spin−Hall effect)」と呼ばれている。また、その逆の現象として、スピン流が流れると起電力が発生することも知られている。これは、「逆スピンホール効果(inverse spin−Hall effect)」と呼ばれている。逆スピンホール効果を利用することによって、スピン流の発生を起電力や電流のかたちで検出することができる。尚、スピンホール効果も逆スピンホール効果も、「スピン軌道相互作用(spin orbit coupling)」が大きな物質(例:Pt、Pd)において発現する。   For example, a phenomenon is known in which a spin current is generated when a current flows. This is called the “spin-hall effect”. It is also known as an opposite phenomenon that an electromotive force is generated when a spin current flows. This is called the “inverse spin-Hall effect”. By using the inverse spin Hall effect, the generation of spin current can be detected in the form of electromotive force or current. It should be noted that both the spin Hall effect and the reverse spin Hall effect are manifested in a substance (eg, Pt, Pd) having a large “spin orbit coupling”.

また、最近の研究により、磁性体における「スピンゼーベック効果(spin−Seebeck effect)」の存在も明らかになっている。スピンゼーベック効果とは、磁性体に温度勾配が印加されると、温度勾配と平行方向にスピン流が誘起される現象である(例えば、特許文献1、特許文献2を参照)。すなわち、スピンゼーベック効果により、熱がスピン流に変換される(熱スピン流変換)。特許文献1では、強磁性金属であるNiFe膜におけるスピンゼーベック効果が報告されている。非特許文献1、2では、イットリウム鉄ガーネット(YIG、YFe12)といった磁性絶縁体と起電体膜との界面におけるスピンゼーベック効果が報告されている。 Recent research has also revealed the existence of the “spin-Seebeck effect” in magnetic materials. The spin Seebeck effect is a phenomenon in which, when a temperature gradient is applied to a magnetic material, a spin current is induced in a direction parallel to the temperature gradient (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). That is, heat is converted into a spin current by the spin Seebeck effect (thermal spin current conversion). In patent document 1, the spin Seebeck effect in the NiFe film | membrane which is a ferromagnetic metal is reported. Non-Patent Documents 1 and 2 report the spin Seebeck effect at the interface between a magnetic insulator such as yttrium iron garnet (YIG, Y 3 Fe 5 O 12 ) and an electromotive film.

尚、温度勾配によって誘起されたスピン流は、上述の逆スピンホール効果を利用して電界(電流、電圧)に変換することが可能である。つまり、スピンゼーベック効果と逆スピンホール効果を併せて利用することによって、温度勾配を電気に変換する「熱電変換」が可能となる。   The spin current induced by the temperature gradient can be converted into an electric field (current, voltage) using the above-described inverse spin Hall effect. That is, by using the spin Seebeck effect and the inverse spin Hall effect in combination, “thermoelectric conversion” that converts a temperature gradient into electricity becomes possible.

まず図1を参照して、非特許文献2に記載の縦型と呼ばれるスピン流熱電変換素子の、熱電変換の機構を説明する。縦型スピン流熱電変換素子は、互いに接する磁性体101と起電体102によって構成される。磁性体101が図中+x方向に磁化103を有し、さらに、−z方向に温度勾配104を印加すると、熱スピン流105が+z方向、すなわち温度の高い方から低い方へ流れる。この熱スピン流105は、さらに磁性体101と起電体102で、スピン注入と呼ばれる過程を経て、起電体102へ純スピン流106を発生させる。   First, a mechanism of thermoelectric conversion of a spin-flow thermoelectric conversion element called a vertical type described in Non-Patent Document 2 will be described with reference to FIG. The vertical spin current thermoelectric conversion element is composed of a magnetic body 101 and an electromotive body 102 that are in contact with each other. When the magnetic body 101 has a magnetization 103 in the + x direction in the drawing and a temperature gradient 104 is applied in the −z direction, the thermal spin current 105 flows in the + z direction, that is, from a higher temperature to a lower temperature. The thermal spin current 105 further generates a pure spin current 106 in the electromotive body 102 through a process called spin injection between the magnetic body 101 and the electromotive body 102.

スピン注入とは、磁性体101と起電体102の界面近傍で磁化方向を中心に歳差運動するスピンが、起電体102中のスピンを持たない伝導電子と相互作用し、スピン角運動量を受け渡したり、受け取ったりする現象である。   In spin injection, a spin that precesses around the magnetization direction in the vicinity of the interface between the magnetic body 101 and the electromotive body 102 interacts with conduction electrons having no spin in the electromotive body 102, and the spin angular momentum is reduced. It is a phenomenon of passing or receiving.

その結果、起電体102中のスピン注入界面付近には、スピンを持った伝導電子が移動し純スピン流が生成する。この純スピン流は、アップスピンとダウンスピンを持った伝導電子が互いに逆方向に同量流れる。その結果、電荷移動は存在しないが、スピンの符号は互いに異なるためスピン角運動量だけが流れる現象である。   As a result, conduction electrons with spin move near the spin injection interface in the electromotive body 102 and a pure spin current is generated. In this pure spin current, conduction electrons having up spin and down spin flow in the same amount in opposite directions. As a result, there is no charge transfer, but since the signs of spins are different from each other, only the spin angular momentum flows.

本明細書では、このスピン注入現象が起こりうる状態を磁気的に結合していると表現する。このスピン注入現象は、磁性体101と起電体102が直接接触している場合、もしくは直接接触はしていなくても、スピン角運動量が伝達しうる程度に接近している場合に生じるものである。すなわち、磁性体101と起電体102の間に空隙が存在する場合や、中間層が挿入されている場合であっても、スピン注入現象が起こり得る場合は、磁気的な結合があると考える。   In this specification, a state where this spin injection phenomenon can occur is expressed as being magnetically coupled. This spin injection phenomenon occurs when the magnetic body 101 and the electromotive body 102 are in direct contact, or when the spin angular momentum is close enough to be transmitted even though they are not in direct contact. is there. That is, even if there is a gap between the magnetic body 101 and the electromotive body 102 or an intermediate layer is inserted, if a spin injection phenomenon can occur, it is considered that there is magnetic coupling. .

この時、起電体102が大きなスピン軌道相互作用を持つ材料であった場合、スピン流方向と磁化方向とに直交する方向への逆スピンホール効果による伝導電子の動き107が生じ、結果として−y方向の電流108を生成する。   At this time, if the electromotive body 102 is a material having a large spin-orbit interaction, a conduction electron movement 107 occurs due to the reverse spin Hall effect in a direction perpendicular to the spin current direction and the magnetization direction. A current 108 in the y direction is generated.

これらスピン流熱電変換素子において、得られる起電力の大きさは、磁性体101で発生するスピン流の大きさに、磁性体101と起電体102との界面におけるスピン流の注入効率、さらに起電体102における逆スピンホール効果によって起電力に変換される効率の二つの効率を掛け合わせて得ることが出来る。従って、スピン流そのものの大きさ、スピン流注入効率、起電体102のスピン流−電流変換効率の3つの指標を同時に大きくすることが、スピン流熱電変換素子の基本性能を高めるために必要である。   In these spin current thermoelectric conversion elements, the magnitude of the electromotive force obtained is similar to the magnitude of the spin current generated in the magnetic body 101, the injection efficiency of the spin current at the interface between the magnetic body 101 and the electromotive body 102, and the electromotive force. It can be obtained by multiplying two efficiencies that are converted into electromotive force by the reverse spin Hall effect in the electric body 102. Therefore, it is necessary to simultaneously increase the three indices of the magnitude of the spin current itself, the spin current injection efficiency, and the spin current-current conversion efficiency of the electromotive body 102 in order to improve the basic performance of the spin current thermoelectric conversion element. is there.

加えて、ある基本性能の素子を効率良く活用するため、すなわち実用の観点で備えるべき要素が二つある。その一つは、熱源への実装の容易さである。   In addition, there are two elements that should be provided in order to efficiently use a device having a certain basic performance, that is, from a practical viewpoint. One of them is the ease of mounting on a heat source.

既存の半導体熱電変換素子は、p型、n型の半導体のブロックを複雑に接続した構造を持つため、素子の構造を自由に変更しにくい。そのため、通常は平坦な熱接触面を持つタイル型の形状を有する。そのため、熱源側も平坦な熱接触面を備えておく必要がある。加えて、熱接触面の大きさに比例して熱電出力が向上するため、できるだけ広く、平坦な熱接触面をあらかじめ備えておくことが好ましい。   Since the existing semiconductor thermoelectric conversion element has a structure in which p-type and n-type semiconductor blocks are connected in a complicated manner, it is difficult to freely change the structure of the element. Therefore, it usually has a tile shape with a flat thermal contact surface. For this reason, the heat source side must also have a flat thermal contact surface. In addition, since the thermoelectric output is improved in proportion to the size of the thermal contact surface, it is preferable to provide a thermal contact surface that is as wide and flat as possible.

しかしながら、実際に廃熱が発生している部分は、熱水が通る配管や、フィン型の放熱構造を持つ熱交換機など、複雑な表面を有していることがむしろ一般的である。すなわち、複雑な形状や、様々な広さを持つ表面への実装を行うためには、熱電変換素子自身を、特定の熱源向けに設計するところから行わなくてはならない。その結果、素子を低価格にすることが非常に難しい。   However, the portion where the waste heat is actually generated generally has a complicated surface such as a pipe through which hot water passes or a heat exchanger having a fin-type heat dissipation structure. That is, in order to mount on a surface having a complicated shape or various widths, the thermoelectric conversion element itself must be designed from the point of design for a specific heat source. As a result, it is very difficult to reduce the cost of the device.

もう一つの要素は、実装したデバイス全体の保磁力である。スピンゼーベック効果が発現するためには、磁性体が磁化している必要がある。そのために、外部磁場により強制的に磁化することも可能であるが、実用上は、ある一定の保磁力を持つ磁性体を用い、その磁化によってスピンゼーベック効果を得ることが想定される。   Another factor is the coercivity of the entire mounted device. In order for the spin Seebeck effect to appear, the magnetic material needs to be magnetized. For this purpose, it is possible to forcibly magnetize with an external magnetic field, but in practice, it is assumed that a magnetic material having a certain coercive force is used and the spin Seebeck effect is obtained by the magnetization.

しかしながら、磁性体の磁化は、キュリー温度以上の高温状態にさらされたり、保磁力以上の外部磁場にさらされたりすることによって、損なわれる可能性がある。その結果、素子全体や、素子の一部分の磁化方向が変わってしまった場合、素子に発生する電流の向きも部分的に変わってしまう。これにより、素子にあらかじめ備えられている端子間に、効率よく電流を発生できなくなってしまうことが予想される。   However, the magnetization of the magnetic substance may be impaired by being exposed to a high temperature state higher than the Curie temperature or being exposed to an external magnetic field higher than the coercive force. As a result, when the magnetization direction of the entire element or a part of the element is changed, the direction of the current generated in the element is also partially changed. As a result, it is expected that current cannot be efficiently generated between terminals provided in advance in the element.

改めて、磁性体の磁化を揃える着磁処理を行えば、素子の動作は回復するが、一般的に着磁するには、大型のコイルに大電流を流して行う必要があるため、熱電変換装置などに実装されている素子に対して行うことは、実質的には困難である。   If the magnetizing process that aligns the magnetization of the magnetic material is performed again, the operation of the element is recovered, but in general, in order to magnetize, it is necessary to flow a large current through a large coil. It is practically difficult to carry out with respect to the elements mounted in the above.

特開2009−130070号公報JP 2009-130070 A 特開2011−249746号公報JP 2011-249746 A 特開平7−188934号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-188934 特開平9−20980号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-20980

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

上記のとおり、実用的なスピン流熱電変換素子を作製する上では、熱源のサイズに合わせて、容易に素子の大きさを調整できることが必要である。また、平坦ではない熱交換面を持つ熱源に適用できることが必要である。   As described above, in producing a practical spin current thermoelectric conversion element, it is necessary that the element size can be easily adjusted in accordance with the size of the heat source. Moreover, it must be applicable to a heat source having a non-flat heat exchange surface.

加えて、磁化の安定性に優れた磁性体を用いる必要がある。これを実現する方法の一つに、磁性体の形状磁気異方性の利用が挙げられる。磁化が反転しにくい形状の磁性体を用いれば、より磁化の反転や消失する可能性を低減できるため効果的である。この時、磁化が反転しにくい形状とは、球形ではない形状であり、特に、より一次元的な形状がそれに相当する。   In addition, it is necessary to use a magnetic material having excellent magnetization stability. One way to achieve this is to use the shape magnetic anisotropy of the magnetic material. Use of a magnetic material having a shape in which magnetization is difficult to reverse is effective because it can reduce the possibility of magnetization reversal and disappearance. At this time, the shape in which the magnetization is difficult to reverse is a shape that is not a sphere, and in particular, a more one-dimensional shape corresponds to it.

しかしながら、熱電変換素子として用いる場合には、素子をある一定の面積を覆うように設置し、その面を垂直に横切る熱流を電力に変換する必要がある。すなわち、磁性体が一次元的な形状を持つ場合、その磁性体を二次元的に実装する方法に課題が残る。   However, when used as a thermoelectric conversion element, it is necessary to install the element so as to cover a certain area, and to convert a heat flow perpendicularly across the surface into electric power. That is, when the magnetic body has a one-dimensional shape, there remains a problem in the method of mounting the magnetic body in two dimensions.

また、磁性体がより大きくなるにしたがって、磁性体が単一の磁化方向を持つのではなく、異なる磁化方向を持つ磁区が、磁壁を隔てて複数共存する状態が安定的になる場合がある。スピン流熱電変換素子を使用している間に、磁性体の磁化の安定状態が、磁区の再配置などによって変化してしまう場合があり、出力を安定に保つ上で大きな課題である。   In addition, as the magnetic material becomes larger, the magnetic material may not have a single magnetization direction, but a state in which a plurality of magnetic domains having different magnetization directions coexist across the domain wall may become stable. While using the spin-flow thermoelectric conversion element, the stable state of magnetization of the magnetic material may change due to rearrangement of magnetic domains, which is a big problem in keeping the output stable.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱電変換による出力を安定化し、かつ熱源への実装の自由度を有するスピン流熱電変換素子とその製造方法および熱電変換装置を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a spin-flow thermoelectric conversion element that stabilizes output by thermoelectric conversion and has a degree of freedom of mounting on a heat source, a manufacturing method thereof, and thermoelectric conversion. Is to provide a device.

本発明によるスピン流熱電変換素子は、磁性体と、前記磁性体に磁気的に結合した起電体と、を有し、前記磁性体は、形状磁気異方性による少なくとも一つの磁化容易軸を有し、前記磁化容易軸の少なくとも一方向に磁化し、前記起電体は、前記磁性体の前記磁化容易軸に平行な面に設けられている。   A spin-flow thermoelectric conversion element according to the present invention includes a magnetic body and an electromotive body magnetically coupled to the magnetic body, and the magnetic body has at least one easy axis of magnetization due to shape magnetic anisotropy. And magnetizing in at least one direction of the easy magnetization axis, and the electromotive body is provided on a plane parallel to the easy magnetization axis of the magnetic body.

本発明によるスピン流熱電変換素子の製造方法は、前記スピン流熱電変換素子の製造方法において、前記磁性体を、焼結法、溶融法、結晶引き上げ法、線引き炉を用いた磁性絶縁体ファイバー作製法から選択される少なくとも一つで形成し、前記起電体を、スパッタ法、蒸着法、メッキ法、スクリーン印刷法、インクジェット法、スプレー法、スピンコート法、ナノコロイド溶液の塗布・焼結法から選択される少なくとも一つで形成し、前記磁性体を、外部磁界を印加して磁化する。   The method of manufacturing a spin current thermoelectric conversion element according to the present invention is the method of manufacturing a spin current thermoelectric conversion element, wherein the magnetic body is made of a magnetic insulator fiber using a sintering method, a melting method, a crystal pulling method, or a drawing furnace. The electromotive body is formed by at least one method selected from a sputtering method, a vapor deposition method, a plating method, a screen printing method, an ink jet method, a spray method, a spin coating method, and a nanocolloid solution coating / sintering method. The magnetic material is magnetized by applying an external magnetic field.

本発明による熱電変換装置は、前記スピン流熱電変換素子と、前記スピン流熱電変換素子の起電体に接続し、前記起電体の逆スピンホール効果により発生する電流を取り出す出力端子とを有する。   The thermoelectric conversion device according to the present invention includes the spin-flow thermoelectric conversion element and an output terminal that is connected to the electromotive body of the spin-flow thermoelectric conversion element and extracts a current generated by the reverse spin Hall effect of the electromotive body. .

本発明によれば、熱電変換による出力を安定化し、かつ熱源への実装の自由度を有するスピン流熱電変換素子とその製造方法および熱電変換装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the spin-flow thermoelectric conversion element which stabilizes the output by thermoelectric conversion, and has the freedom degree of mounting to a heat source, its manufacturing method, and a thermoelectric conversion apparatus can be provided.

縦型のスピン流熱電変換素子が機能するメカニズムを概略的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows roughly the mechanism in which a vertical spin-flow thermoelectric conversion element functions. 本発明の第1の実施形態に係るスピン流熱電変換素子の構造を概略的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing a structure of a spin current thermoelectric conversion element according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係るスピン流熱電変換素子が機能するメカニズムを概略的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows roughly the mechanism in which the spin-flow thermoelectric conversion element which concerns on the 1st Embodiment of this invention functions. 本発明の第1の実施形態に係るモジュール構造を模式的に表した図である。It is the figure which represented typically the module structure which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る実施例1のモジュール構造を模式的に表した図である。It is the figure which represented typically the module structure of Example 1 which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る実施例1の熱電変換装置を模式的に表した図である。It is the figure which represented typically the thermoelectric conversion apparatus of Example 1 which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る実施例2のモジュール構造を模式的に表した図である。It is the figure which represented typically the module structure of Example 2 which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るスピン流熱電変換素子の構造を模式的に表した図である。It is the figure which represented typically the structure of the spin-flow thermoelectric conversion element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るスピン流熱電変換素子のモジュール構造を模式的に表した図である。It is the figure which represented typically the module structure of the spin-flow thermoelectric conversion element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るスピン流熱電変換素子のモジュール構造を模式的に表した図である。It is the figure which represented typically the module structure of the spin-flow thermoelectric conversion element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る熱電変換装置の構造を模式的に表した図である。It is the figure which represented typically the structure of the thermoelectric conversion apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態に係るスピン流熱電変換素子とその製造方法および熱電変換装置について、図を参照しながら詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
(第1の実施形態)
(スピン流熱電変換素子の構造)
まず、第1の実施形態のスピン流熱電変換素子の構造を、図2を参照して説明する。
Hereinafter, a spin-flow thermoelectric conversion element, a manufacturing method thereof, and a thermoelectric conversion device according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the preferred embodiments described below are technically preferable for carrying out the present invention, but the scope of the invention is not limited to the following.
(First embodiment)
(Structure of spin current thermoelectric conversion element)
First, the structure of the spin-flow thermoelectric conversion element of the first embodiment will be described with reference to FIG.

図2は、本実施形態のスピン流熱電変換素子の構造を概略的に示す斜視図である。スピン流熱電変換素子201は、x方向に延伸した磁性体202を有する。磁性体202は、中空でない円や楕円、多角形のy−z断面を有し、x方向の長さは、yもしくはz方向の長さの大きな方と比較して2倍以上大きいことを特徴とし、さらに10倍以上とすることが好ましい。さらに、磁性体202の六つの側面の内、y−z面に平行な二つの側面を除いた周囲に、磁性体202に磁気的に結合した起電体203を備えている。   FIG. 2 is a perspective view schematically showing the structure of the spin current thermoelectric conversion element of this embodiment. The spin current thermoelectric conversion element 201 includes a magnetic body 202 that extends in the x direction. The magnetic body 202 has a non-hollow circle, ellipse, or polygonal yz cross section, and the length in the x direction is at least twice as large as the larger length in the y or z direction. Furthermore, it is preferable to make it 10 times or more. Furthermore, an electromotive body 203 that is magnetically coupled to the magnetic body 202 is provided around the six side faces of the magnetic body 202 except for two side faces parallel to the yz plane.

磁性体202は、x方向に沿って磁化204を有している。磁性体202のx方向の長さが、y方向とz方向のどちらか大きい方の長さに対して100倍以上に長い場合、磁性体が全体にわたって一方向の磁化を持つのではなく、例えば、細長い磁性体の場合は長軸方向を区切るように複数の磁区に分かれ、隣り合う磁区では磁化が反転した状態で安定化することがある。この場合、磁化が異なる領域では、熱電変換によって生じる電流の方向が反転してしまうために、素子内部に短絡経路が発生し、素子の出力が低下してしまう。このため、必要以上にx方向を長くすることはむしろ好ましくない。
(スピン流熱電変換素子の動作)
次に、本実施形態のスピン流熱電変換素子の動作を、図3と図4を参照して説明する。
The magnetic body 202 has a magnetization 204 along the x direction. If the length of the magnetic body 202 in the x direction is 100 times longer than the larger one of the y direction and the z direction, the magnetic body does not have magnetization in one direction over the whole, for example, In the case of an elongated magnetic body, it may be divided into a plurality of magnetic domains so as to divide the major axis direction, and the adjacent magnetic domains may be stabilized in a state where magnetization is reversed. In this case, in the region where the magnetization is different, the direction of the current generated by thermoelectric conversion is reversed, so that a short circuit path is generated inside the element, and the output of the element is lowered. For this reason, it is rather undesirable to make the x direction longer than necessary.
(Operation of spin-flow thermoelectric transducer)
Next, the operation of the spin current thermoelectric conversion element of this embodiment will be described with reference to FIGS.

図3は、本実施形態のスピン流熱電変換素子が機能するメカニズムを概略的に示す斜視図であり、スピン流熱電変換素子の内部に発生するスピン流や電流の向きを模式的に表している。スピン流熱電変換素子は、磁性体301と起電体302で構成され、磁性体301は磁化303を有し、素子に温度勾配304を印加した場合を説明する。   FIG. 3 is a perspective view schematically showing the mechanism of the function of the spin current thermoelectric conversion element of this embodiment, and schematically shows the direction of the spin current and current generated inside the spin current thermoelectric conversion element. . The spin-flow thermoelectric conversion element includes a magnetic body 301 and an electromotive body 302. The magnetic body 301 has a magnetization 303, and a case where a temperature gradient 304 is applied to the element will be described.

素子の上部では、図1で説明した場合と同じ構成であり、図中の向きの通り、上部電流305が生じる。一方、素子の下部で発生する下部電流306も、結果として上部電流305と同じ向きに発生する。   The upper part of the element has the same configuration as that described with reference to FIG. 1, and an upper current 305 is generated as shown in the direction in the figure. On the other hand, the lower current 306 generated at the lower portion of the element is also generated in the same direction as the upper current 305 as a result.

ここで下部電流が発生する方向を、図1の構成に照らし合わせて詳しく確認するため、図1のxyz軸をx軸中心に180度回転した、図3中のxyz軸を参照して説明する。   Here, the direction in which the lower current is generated will be described with reference to the xyz axis in FIG. 3, in which the xyz axis in FIG. 1 is rotated by 180 degrees about the x axis in order to confirm in detail in light of the configuration in FIG. 1. .

図3を図1と比較すると、磁化303の方向は両者とも+x方向で同じであることが確認できる。一方、温度勾配は−zから+zに反転しており、下部スピン流307は磁性体と起電体の界面から流れ出す方向に生じている。その結果、起電体302の下部で生じる純スピン流中のアップ/ダウンスピンを持つ伝導電子の動きが反転する点だけが、図1の構成との相違である。その結果、下部電流307は、図1と逆の+y方向に発生する。すなわち上部電流305と同じ向きに電流が発生する。   Comparing FIG. 3 with FIG. 1, it can be confirmed that the directions of the magnetization 303 are the same in the + x direction. On the other hand, the temperature gradient is reversed from −z to + z, and the lower spin current 307 is generated in the direction of flowing out from the interface between the magnetic body and the electromotive body. As a result, the only difference from the configuration of FIG. 1 is that the movement of conduction electrons having up / down spins in the pure spin current generated below the electromotive body 302 is reversed. As a result, the lower current 307 is generated in the + y direction opposite to that in FIG. That is, current is generated in the same direction as the upper current 305.

このように、素子全体に温度勾配304がある場合、図3の素子の上部と下部とで同じ方向に電流が生じるため、図3の素子の側面にあたるx−z面に平行な対向する二つの面では、おのおのの面内ではほぼ等電位となり、二つの面間には起電力が発生する。すなわち、x−z面に平行な二つの側面に出力端子を設けることにより、起電体302の逆スピンホール効果により発生する電流を取り出すことができる。   As described above, when the temperature gradient 304 is present in the entire element, current is generated in the same direction in the upper part and the lower part of the element in FIG. 3, and therefore, two opposing elements parallel to the xz plane corresponding to the side of the element in FIG. In each plane, the potential is almost equipotential in each plane, and an electromotive force is generated between the two planes. That is, by providing output terminals on two side surfaces parallel to the xz plane, current generated by the reverse spin Hall effect of the electromotive body 302 can be extracted.

この時、素子の断面に相当するy−z面に平行な二つの面にも起電体302が存在した場合、この面にはスピン流の流出入がなく、起電力は発生しない。すなわち、導電性の起電体は、素子のx−z側面間に発生した起電力の短絡パスとなってしまう。従って、素子のy−z面に平行な二つの面には起電体が存在しないことが好ましい。   At this time, when the electromotive body 302 exists also on two surfaces parallel to the yz plane corresponding to the cross section of the element, no spin current flows in and out of this surface, and no electromotive force is generated. That is, the conductive electromotive body becomes a short-circuit path for the electromotive force generated between the xz side surfaces of the element. Therefore, it is preferable that no electromotive body exists on the two surfaces parallel to the yz plane of the element.

図4は、二つ以上のスピン流熱電変換素子401を、互いのx−z面が接するように集積したスピン流熱電変換モジュール402を構成した模式図である。このようにすれば、x−y面を広範囲に覆うことが可能となり、より大きな熱流403がモジュールのz軸方向に通過する。その結果、−y方向に覆った面積に比例した出力電流404を取り出すことができ、電力出力も面積に比例して大きくなる。すなわち、スピン流熱電変換モジュール402のx−z面に平行な両端の二つの側面に出力端子を設けることにより、起電体の逆スピンホール効果により発生する出力電流404を取り出すことができる。
(スピン流熱電変換素子の材料)
次に、本実施形態のスピン流熱電変換素子に用いる材料を、図2を参照して説明する。
FIG. 4 is a schematic diagram of a spin-flow thermoelectric conversion module 402 in which two or more spin-flow thermoelectric conversion elements 401 are integrated so that their xz planes are in contact with each other. In this way, the xy plane can be covered over a wide range, and a larger heat flow 403 passes in the z-axis direction of the module. As a result, the output current 404 proportional to the area covered in the −y direction can be taken out, and the power output also increases in proportion to the area. That is, by providing output terminals on the two side surfaces at both ends parallel to the xz plane of the spin-flow thermoelectric conversion module 402, the output current 404 generated by the reverse spin Hall effect of the electromotive body can be taken out.
(Material of spin current thermoelectric conversion element)
Next, materials used for the spin-flow thermoelectric conversion element of this embodiment will be described with reference to FIG.

磁性体201は、スピンゼーベック効果を発現する材料で形成される。磁性体は、強磁性やフェリ磁性、反強磁性などの磁性を有する材料で、金属であってもよいし、半導体や絶縁体であってもよい。例えば、強磁性金属であれば、NiFe、CoFe、CoFeBなどの、Fe、Co、Niから選択される少なくとも一つを含む金属が挙げられる。   The magnetic body 201 is formed of a material that exhibits a spin Seebeck effect. The magnetic material is a material having magnetism such as ferromagnetism, ferrimagnetism, and antiferromagnetism, and may be a metal, a semiconductor, or an insulator. For example, in the case of a ferromagnetic metal, a metal including at least one selected from Fe, Co, and Ni, such as NiFe, CoFe, and CoFeB, can be used.

また、磁性絶縁体であれば、イットリウム鉄ガーネット(YIG,YFe12)、ビスマス(Bi)をドープしたYIG(Bi:YIG)、ランタン(La)を添加したYIG(LaYFe12)、イットリウムガリウム鉄ガーネット(YFe5−xGa12)が挙げられる。また、組成MFe(Mは金属元素で、Ni、Zn、Coのいずれかを含む)からなるスピネルフェライト材料が挙げられる。 In the case of a magnetic insulator, yttrium iron garnet (YIG, Y 3 Fe 5 O 12 ), bismuth (Bi) doped YIG (Bi: YIG), lanthanum (La) added YIG (LaY 2 Fe 5). O 12), yttrium gallium iron garnet (Y 3 Fe 5-x Ga x O 12) can be mentioned. Further, the composition MFe 2 O 4 (M is a metal element, Ni, Zn, including any of Co) spinel ferrite material and the like made of.

また、磁性半導体であれば、組成CuMOやSrMO(Mは金属元素で、Mn、Ni、Co、Feのいずれかを含む)、Feなどの、Fe、Co、Niから選択される少なくとも一つを含む半導体的性質を持つ磁性酸化物(磁性酸化物半導体)が挙げられる。尚、電子による熱伝導を抑えるという観点から言えば、絶縁体や半導体を用いることが望ましい。 Further, in the case of a magnetic semiconductor, the composition is selected from Fe, Co, and Ni such as CuMO 2 and SrMO 3 (M is a metal element and includes any of Mn, Ni, Co, and Fe), Fe 3 O 4, and the like. A magnetic oxide (semiconductor oxide semiconductor) having semiconducting properties including at least one of the above. From the viewpoint of suppressing heat conduction by electrons, it is desirable to use an insulator or a semiconductor.

起電体202は、逆スピンホール効果(スピン軌道相互作用)を発現する導電体を用いることができる。例えば、スピン軌道相互作用の比較的大きなAuやPt、Pd、Ni、Fe、Biその他d軌道やf軌道を有する遷移金属、またはそれらを含有する合金材料を用いる。また、Cuなどの一般的な金属膜材料に、Feや、Irなどの材料を0.5〜10mol%程度ドープするだけでも、同様の効果を得ることができる。   As the electromotive body 202, a conductor that exhibits the reverse spin Hall effect (spin orbit interaction) can be used. For example, Au, Pt, Pd, Ni, Fe, Bi and other transition metals having a d or f orbital having a relatively large spin orbit interaction or an alloy material containing them are used. Further, the same effect can be obtained by simply doping a general metal film material such as Cu with a material such as Fe or Ir at about 0.5 to 10 mol%.

また、遷移金属の中でもW、Ta、Mo、Nb、Cr、V、Tiを用いると、AuやPt、Pd、これらを含有する合金とは、逆符号の電圧を得ることが出来る。すなわち、逆スピンホール効果によって発生する電流の向きが反対になる。また、起電体は、ITO(酸化インジウムスズ)などの酸化物伝導体や、組成CuMOやSrMO(Mは金属元素で、Mn、Ni、Co、Feのいずれかを含む)などの磁性酸化物半導体であってもよい。
(スピン流熱電変換素子の製造方法)
次に、本実施形態のスピン流熱電変換素子の製造方法を、同じく図2を参照して説明する。
Moreover, when W, Ta, Mo, Nb, Cr, V, and Ti are used among the transition metals, a voltage having a reverse sign can be obtained from Au, Pt, Pd, or an alloy containing these. That is, the direction of the current generated by the reverse spin Hall effect is reversed. In addition, the electromotive body is an oxide conductor such as ITO (indium tin oxide) or a composition such as CuMO 2 or SrMO 3 (M is a metal element and includes any of Mn, Ni, Co, and Fe). It may be an oxide semiconductor.
(Method for producing spin-flow thermoelectric conversion element)
Next, the manufacturing method of the spin-flow thermoelectric conversion element of this embodiment will be described with reference to FIG.

まず、磁性体201の形成方法としては、焼結法、溶融法、結晶引き上げ法、線引き炉を用いた磁性絶縁体ファイバー作成法等を用いて、バルク体を磁性体として用いることが出来る。   First, as a method for forming the magnetic body 201, a bulk body can be used as the magnetic body by using a sintering method, a melting method, a crystal pulling method, a magnetic insulator fiber forming method using a drawing furnace, or the like.

起電体202の形成方法は、スパッタ法、蒸着法、メッキ法、スクリーン印刷法、インクジェット法、スプレー法及びスピンコート法などのいずれかの方法で成膜する方法が挙げられる。また、ナノコロイド溶液の塗布・焼結(特許文献3、特許文献4)などを用いることができる。   Examples of the method for forming the electromotive body 202 include a film forming method such as a sputtering method, a vapor deposition method, a plating method, a screen printing method, an ink jet method, a spray method, and a spin coating method. Moreover, application | coating and sintering of a nano colloid solution (patent document 3, patent document 4) etc. can be used.

以下、第1の実施形態について、実施例を用いてさらに具体的に説明する。
(実施例1)
本実施形態の具体的な例として実施例1を、図5乃至6を参照して説明する。
Hereinafter, the first embodiment will be described more specifically using examples.
Example 1
Example 1 will be described with reference to FIGS. 5 to 6 as a specific example of the present embodiment.

まず、焼結法を用いてスピン流熱電変換素子501に用いる磁性体502を作製した。平均粒径約5μmに破砕したイットリウム鉄ガーネット(YIG、組成はYFe12)の粉末を、100%の酸素雰囲気中で800℃、24時間熱処理を施したあとで、直径5cm厚さ3mmの円形基板状に200kgf/cmの圧力をかけて成形した。続いて100%の酸素雰囲気中で1200℃、24時間の焼成処理を行って、磁性体502の母材となる焼結YIG基板を作製した。 First, the magnetic body 502 used for the spin-flow thermoelectric conversion element 501 was produced using a sintering method. After a yttrium iron garnet (YIG, composition Y 3 Fe 5 O 12 ) powder crushed to an average particle size of about 5 μm is heat treated in a 100% oxygen atmosphere at 800 ° C. for 24 hours, the thickness is 5 cm. Molding was performed by applying a pressure of 200 kgf / cm 2 to a 3 mm circular substrate. Subsequently, a firing process was performed at 1200 ° C. for 24 hours in a 100% oxygen atmosphere, and a sintered YIG substrate serving as a base material of the magnetic body 502 was produced.

焼結YIG基板は、切断加工によって長さ3cm、断面が1mm×1mmの正方形となる角柱状に切り出し、さらに全表面の研磨処理を施して磁性体502を得た。   The sintered YIG substrate was cut into a prismatic shape having a length of 3 cm and a cross section of 1 mm × 1 mm by cutting, and the entire surface was polished to obtain a magnetic body 502.

続いて、起電体503を、マグネトロンスパッタ装置を用いて形成した。研磨後の磁性体502は、HPM洗浄(塩酸過酸化水素水洗浄)と10分間の流水洗浄後に大気中に取出し、乾燥窒素を吹き付けて水分を除去した直後に、スパッタ真空室に導入し、十分に真空引きを行った。   Subsequently, the electromotive member 503 was formed using a magnetron sputtering apparatus. The magnetic body 502 after polishing is taken out into the atmosphere after HPM cleaning (hydrochloric acid hydrogen peroxide cleaning) and running water cleaning for 10 minutes, and immediately after removing moisture by blowing dry nitrogen, it is introduced into the sputter vacuum chamber. Was evacuated.

スパッタ真空室中で、磁性体502は角柱の長軸方向がスパッタターゲットと並行になるように保持してあり、また磁性体502は、真空中で長軸方向を軸として360°回転できるようになっている。起電体503には、4インチ径の白金ターゲットからスパッタ蒸着される白金膜を用いた。白金膜の厚さが平均して10nmになるように、磁性体502の回転速度とスパッタ蒸着の時間、プラズマの出力を調整して起電体503を得た。   In the sputtering vacuum chamber, the magnetic body 502 is held so that the major axis direction of the prism is parallel to the sputtering target, and the magnetic body 502 can be rotated 360 ° around the major axis direction in vacuum. It has become. As the electromotive body 503, a platinum film sputter-deposited from a 4-inch diameter platinum target was used. An electromotive body 503 was obtained by adjusting the rotational speed of the magnetic body 502, the sputtering deposition time, and the plasma output so that the thickness of the platinum film averaged to 10 nm.

最後に、1mm×1mmサイズの二つの端面に蒸着された白金膜を軽く研磨して除去することでスピン流熱電変換素子501を得た。   Finally, the platinum film deposited on the two end faces of 1 mm × 1 mm size was lightly polished and removed to obtain a spin current thermoelectric conversion element 501.

このスピン流熱電変換素子501を、y方向に6本、z方向に3本集積してスピン流熱電変換モジュール504を組み立てた。   A spin current thermoelectric conversion module 504 was assembled by integrating six spin current thermoelectric conversion elements 501 in the y direction and three in the z direction.

図6は、スピン流熱電変換モジュール504(601)の実装構造体である熱電変換装置600を模式的に表した図である。あらかじめ必要なモジュールサイズに合わせて作成しておいたアルミナ製の型枠602に、スピン流熱電変換素子を並べることで、スピン流熱電変換モジュール601に集積する。アルミナ製の型枠602は、素子が隙間なく収まるように精度よく作製し、y軸方向に対抗する二つの辺には、型枠602の内側と外側が一続きになるよう、それぞれ銅めっきを施した電極である出力端子603と出力端子604を形成した。   FIG. 6 is a diagram schematically showing a thermoelectric conversion device 600 which is a mounting structure of the spin current thermoelectric conversion module 504 (601). The spin-flow thermoelectric conversion modules 601 are integrated in the spin-flow thermoelectric conversion module 601 by arranging the spin-flow thermoelectric conversion elements in an alumina mold 602 that has been prepared according to the required module size in advance. The alumina mold 602 is accurately manufactured so that the elements can be accommodated without gaps, and the two sides facing the y-axis direction are respectively plated with copper so that the inside and outside of the mold 602 are continuous. An output terminal 603 and an output terminal 604 which are applied electrodes were formed.

以上の工程を経て、スピン流熱電変換モジュール601の実装構造体である熱電変換装置600を得た。出力端子603と604の内部抵抗は、2.1オームだった。モジュールの磁性体をx方向に磁化させた。z方向には低温側の熱浴温度を23℃とし、高温側から10kW/mの熱流を与えると、高温側と低温側の温度差は5.5℃となった。このとき、出力端子603と604間には、55μVの解放電圧が観測された。 Through the above steps, a thermoelectric conversion device 600 that is a mounting structure of the spin current thermoelectric conversion module 601 was obtained. The internal resistance of the output terminals 603 and 604 was 2.1 ohms. The magnetic body of the module was magnetized in the x direction. When the heat bath temperature on the low temperature side was 23 ° C. in the z direction and a heat flow of 10 kW / m 2 was applied from the high temperature side, the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side was 5.5 ° C. At this time, a release voltage of 55 μV was observed between the output terminals 603 and 604.

スピン流熱電変換素子501単体の出力を同様の条件で測定した結果、内部抵抗は1.0オーム、出力電圧は10μVであったため、積層によって14.4倍の出力電力増加の効果を得ることができた。また、出力電力は、素子の集積数に応じて容易に増減できることを確認した。
(実施例1の変形例1)
実施例1の起電体503の形成に、市販の白金コロイドを用いた変形例1の説明を行う。
As a result of measuring the output of the spin current thermoelectric conversion element 501 alone under the same conditions, the internal resistance was 1.0 ohm and the output voltage was 10 μV. Therefore, the effect of increasing the output power by 14.4 times can be obtained by stacking. did it. It was also confirmed that the output power can be easily increased or decreased according to the number of integrated elements.
(Modification 1 of Example 1)
Modification 1 using a commercially available platinum colloid for forming the electromotive body 503 of Example 1 will be described.

磁性体502の作製は、実施例1と同様に行った。研磨処理後の磁性体502は、O.D.(光学濃度)0.5程度に希釈し、1%のポリエチレングリコール(平均分子量300kDa)を加えて濃度調整した白金コロイド液に浸漬し、1cm/秒の速度で引き上げ乾燥させた。   The magnetic body 502 was produced in the same manner as in Example 1. The magnetic body 502 after the polishing treatment is O.D. D. (Optical density) Dilute to about 0.5, add 1% polyethylene glycol (average molecular weight 300 kDa), adjust the concentration and immerse in a colloidal platinum solution, and lift and dry at a rate of 1 cm / sec.

乾燥後の素子は、それぞれ450℃の大気中で1時間熱処理を行った後、図5の様に18本の素子を集積し、y−z方向に圧力をかけた状態で、真空中で900℃1時間の熱利処理を行った。最後に、素子を集積した状態で、y−z面を軽く研磨した後で、熱電変換モジュールとして組み立てた。   The dried elements were each heat treated in an atmosphere of 450 ° C. for 1 hour, and then 18 elements were integrated as shown in FIG. A heat treatment at 1 ° C. for 1 hour was performed. Finally, with the elements integrated, the yz plane was lightly polished and then assembled as a thermoelectric conversion module.

以上の工程を経て製造したスピン流熱電変換モジュール601は、電極である出力端子603と出力端子604の内部抵抗は、12オームだった。モジュールの磁性体をx方向に磁化させた。z方向には低温側の熱浴温度を23℃とし、高温側から10kW/mの熱流を与えると、高温側と低温側の温度差は5.7℃となった。このとき、出力端子603と出力端子604間には、28μVの解放電圧が観測された。 In the spin current thermoelectric conversion module 601 manufactured through the above steps, the internal resistances of the output terminal 603 and the output terminal 604, which are electrodes, were 12 ohms. The magnetic body of the module was magnetized in the x direction. When the heat bath temperature on the low temperature side was 23 ° C. in the z direction and a heat flow of 10 kW / m 2 was applied from the high temperature side, the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side was 5.7 ° C. At this time, a release voltage of 28 μV was observed between the output terminal 603 and the output terminal 604.

スピン流熱電変換素子501単体の出力を同様の条件で測定した結果と比較して、集積によって15.9倍の出力電力増加の効果を得ることができた。また、出力電力は、素子の集積数に応じて容易に増減できることを確認した。
(実施例1の変形例2)
実施例1の起電体503の形成に、ニッケルメッキを用いた変形例2の説明を行う。
Compared with the result of measuring the output of the spin-flow thermoelectric conversion element 501 alone under the same conditions, the effect of increasing the output power by 15.9 times was obtained by integration. It was also confirmed that the output power can be easily increased or decreased according to the number of integrated elements.
(Modification 2 of Example 1)
Modification 2 in which nickel plating is used to form the electromotive body 503 of Embodiment 1 will be described.

磁性体502の作製は、実施例1と同様に行った。研磨処理後の磁性体502を、HPM洗浄と10分間の流水洗浄後に、市販の無電解ニッケルメッキ液を用いて膜厚50nmとなるようにメッキ処理を行った。   The magnetic body 502 was produced in the same manner as in Example 1. The magnetic body 502 after the polishing treatment was subjected to a plating treatment so as to have a film thickness of 50 nm using a commercially available electroless nickel plating solution after washing with HPM and running water for 10 minutes.

さらに、図5の様に18本の素子を集積し、y−z方向に圧力をかけた状態で、真空中で900℃1時間の熱利処理を行い、各素子を固着させスピン流熱電変換モジュール504を得た。   Furthermore, 18 elements are integrated as shown in FIG. 5, and heat treatment is performed in a vacuum at 900 ° C. for 1 hour in a state where pressure is applied in the yz direction to fix each element and spin current thermoelectric conversion. Module 504 was obtained.

以上の工程を経て製造した、スピン流熱電変換モジュール504は、出力端子間の内部抵抗は、1.3オームだった。モジュールの磁性体をx方向に磁化させた。z方向には低温側の熱浴温度を23℃とし、高温側から10kW/mの熱流を与えると、高温側と低温側の温度差は5.5℃となった。このとき、出力端子間には、7.7μVの解放電圧が観測された。 The spin-flow thermoelectric conversion module 504 manufactured through the above steps had an internal resistance between output terminals of 1.3 ohms. The magnetic body of the module was magnetized in the x direction. When the heat bath temperature on the low temperature side was 23 ° C. in the z direction and a heat flow of 10 kW / m 2 was applied from the high temperature side, the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side was 5.5 ° C. At this time, a release voltage of 7.7 μV was observed between the output terminals.

スピン流熱電変換素子501単体の出力を同様の条件で測定した結果と比較して、集積によって13.8倍の出力電力増加の効果を得ることができた。また、出力電力は、素子の集積数に応じて容易に増減できることを確認した。
(実施例2)
本実施形態の具体的な例として実施例2を、図7を参照して説明する。図7は、実施例2のスピン流熱電変換モジュール704の構造を模式的に表した図である。
Compared with the result of measuring the output of the spin-flow thermoelectric conversion element 501 alone under the same conditions, the effect of increasing the output power by 13.8 times was obtained by integration. It was also confirmed that the output power can be easily increased or decreased according to the number of integrated elements.
(Example 2)
Example 2 will be described with reference to FIG. 7 as a specific example of the present embodiment. FIG. 7 is a diagram schematically illustrating the structure of the spin-flow thermoelectric conversion module 704 according to the second embodiment.

まず、光ファイバーなどのセラミックス細線を作製する方法として確立している線引き炉や、ゾルゲル法を用いてスピン流熱電変換素子701に用いるファイバー状磁性体702を作製した。ファイバー状磁性体702は円筒形の側面を有する。原料には、ビスマス置換イットリウム鉄ガーネット(BYIG、組成はBiFe12)を用いた。 First, a fiber-like magnetic body 702 used for the spin-flow thermoelectric conversion element 701 was produced using a drawing furnace established as a method for producing a ceramic thin wire such as an optical fiber or a sol-gel method. The fiber-like magnetic body 702 has a cylindrical side surface. Bismuth-substituted yttrium iron garnet (BYIG, composition is Bi 1 Y 2 Fe 5 O 12 ) was used as a raw material.

起電体703は、ファイバー状磁性体702の円筒形の側面に設けられる。起電体703には、メッキ法を用いて作製したニッケル薄膜や、有機白金化合物を吹き付けながら焼成する化学基相堆積法による白金膜を用いることができる。   The electromotive body 703 is provided on the cylindrical side surface of the fiber-like magnetic body 702. As the electromotive body 703, a nickel thin film manufactured using a plating method or a platinum film formed by a chemical base phase deposition method in which an organic platinum compound is baked while being sprayed can be used.

ファイバー線引き炉や、ゾルゲルファイバー製造装置などで磁性体702を作製し、またメッキや焼成プロセスにより起電体703を作製すれば、製造工程のほとんどを連続プロセスにすることができるため、素子作製のスループットが向上し、コストを低減できる。   If the magnetic body 702 is manufactured by a fiber drawing furnace or a sol-gel fiber manufacturing apparatus, and the electromotive body 703 is manufactured by a plating or firing process, most of the manufacturing process can be made a continuous process. Throughput is improved and costs can be reduced.

さらに、一つながりの非常に長い素子を、所望の長さに切断して利用することができるため、用途に応じて様々な長さの素子を容易に作成することができる。加えて、切断した断面に相当する部分は、必然的に起電体が存在しないため、個別に一部の起電体を除去するプロセスを経る必要がない。この点でも、素子作製のスループットを向上し、コストを低減する。   Further, since a very long element connected to each other can be cut to a desired length and used, elements having various lengths can be easily created depending on the application. In addition, the portion corresponding to the cut cross section does not necessarily have an electromotive member, and therefore, it is not necessary to go through a process of removing some of the electromotive members individually. In this respect also, the throughput of device fabrication is improved and the cost is reduced.

すなわち、本実施例を用いれば、スピン流熱電変換素子701を低コストで作製することができ、スピン流熱電変換モジュール704をより大面積、低コストで作製できる。   That is, by using this embodiment, the spin-flow thermoelectric conversion element 701 can be manufactured at a low cost, and the spin-flow thermoelectric conversion module 704 can be manufactured at a larger area and at a lower cost.

さらに、スピン流熱電変換素子701は、湾曲させて集積することが容易である。すなわち、熱源が配管のように円筒形の側面を有していても、円筒形の側面に沿ってスピン流熱電変換素子701を湾曲させて集積したモジュールとすることができる。   Further, the spin current thermoelectric conversion element 701 can be easily bent and integrated. That is, even if the heat source has a cylindrical side surface like piping, a module in which the spin-flow thermoelectric conversion elements 701 are curved and integrated along the cylindrical side surface can be obtained.

以上、本実施形態および実施例に係るスピン流熱電変換素子によれば、集積する素子の数や長さおよび集積形状を変えることができるため、平面や湾曲した面を持つ熱源にも実装することが可能である。さらに、磁性体の磁化状態が安定化するため、熱電変換における出力の変動が長期に亘って抑制されたスピン流熱電変換素子を提供することができる。   As described above, according to the spin-flow thermoelectric conversion elements according to the present embodiment and examples, the number and length of elements to be integrated and the integrated shape can be changed, so that they can be mounted on a heat source having a flat surface or a curved surface. Is possible. Furthermore, since the magnetization state of the magnetic substance is stabilized, it is possible to provide a spin current thermoelectric conversion element in which output fluctuations in thermoelectric conversion are suppressed over a long period of time.

すなわち、本実施形態および実施例によれば、熱電変換による出力を安定化し、かつ熱源への実装の自由度を有するスピン流熱電変換素子とその製造方法および熱電変換装置を提供することができる。
(第2の実施形態)
図8を参照して、本発明の第2の実施形態のスピン流熱電変換素子の構造を説明する。
That is, according to the present embodiment and examples, it is possible to provide a spin-flow thermoelectric conversion element that stabilizes output by thermoelectric conversion and has a degree of freedom of mounting on a heat source, a manufacturing method thereof, and a thermoelectric conversion device.
(Second Embodiment)
With reference to FIG. 8, the structure of the spin-flow thermoelectric conversion element of the 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.

図8は、本実施形態のスピン流熱電変換素子の構造を概略的に示す図である。スピン流熱電変換素子801は、x方向に延伸した磁性体802を有する。磁性体802は、中空でない円や楕円、多角形のy−z断面を有する。磁性体802は、x方向に磁化容易軸を有し、磁化容易軸の一方向に平行な磁化808を有する第1の磁区806と、第1の磁区806の磁化808と反平行な磁化809を有する第2の磁区807とを有する。磁性体802の材料は、第1の実施形態の磁性体材料と同様とすることができる。   FIG. 8 is a diagram schematically showing the structure of the spin-flow thermoelectric conversion element of this embodiment. The spin current thermoelectric conversion element 801 includes a magnetic body 802 that extends in the x direction. The magnetic body 802 has a non-hollow circle, ellipse, or polygonal yz cross section. The magnetic body 802 has a first magnetic domain 806 having a magnetization easy axis 808 in the x direction and parallel to one direction of the easy magnetization axis, and a magnetization 809 antiparallel to the magnetization 808 of the first magnetic domain 806. And having a second magnetic domain 807. The material of the magnetic body 802 can be the same as the magnetic material of the first embodiment.

さらに、スピン流熱電変換素子801は、第1の磁区806と磁気的に結合した第1の起電体804と、第2の磁区807と磁気的に結合した第2の起電体805とを有する。第1と第2の起電体には、逆スピンホール効果によって発生する電流の向きが互いに反対である材料を用いる。   Further, the spin current thermoelectric conversion element 801 includes a first electromotive body 804 that is magnetically coupled to the first magnetic domain 806 and a second electromotive body 805 that is magnetically coupled to the second magnetic domain 807. Have. For the first and second electromotive bodies, materials in which the directions of currents generated by the reverse spin Hall effect are opposite to each other are used.

例えば、第1の起電体804に、Au、Pt、Pd、Ir、Ni、Fe、Co、Biから選択される少なくとも一つを含む金属を用いた場合、第2の起電体805に、W、Ta、Mo、Nb、Cr、V、Tiから選択される少なくとも一つを含む金属を用いることができる。また、第1の起電体804と第2の起電体805の材料は、上記の逆であっても良い。   For example, when a metal including at least one selected from Au, Pt, Pd, Ir, Ni, Fe, Co, and Bi is used for the first electromotive body 804, the second electromotive body 805 includes A metal containing at least one selected from W, Ta, Mo, Nb, Cr, V, and Ti can be used. Moreover, the material of the 1st electromotive body 804 and the 2nd electromotive body 805 may be said reverse.

さらに、スピン流熱電変換素子801は、第1と第2の磁区の間に磁壁固定部803を有する。これにより、第1の磁区806と第2の磁区807との境界を固定することができ、磁性体の磁化状態がより安定化する。   Further, the spin current thermoelectric conversion element 801 has a domain wall fixing portion 803 between the first and second magnetic domains. Thereby, the boundary of the 1st magnetic domain 806 and the 2nd magnetic domain 807 can be fixed, and the magnetization state of a magnetic body is stabilized more.

図9Aおよび図9Bに、複数のスピン流熱電変換素子901を集積したスピン流熱電変換モジュールの構造を示す。スピン流熱電変換モジュール900の構造では、第1の起電体904と第2の起電体905とが交互に接続する構造(図9A)と、第1の起電体904同志、第2の起電体905同志が接続する構造(図9B)とが可能である。これは第1の起電体904と第2の起電体905とで、同一方向の起電力を発生するためである。   9A and 9B show the structure of a spin-flow thermoelectric conversion module in which a plurality of spin-flow thermoelectric conversion elements 901 are integrated. In the structure of the spin current thermoelectric conversion module 900, the structure in which the first electromotive bodies 904 and the second electromotive bodies 905 are alternately connected (FIG. 9A), the first electromotive bodies 904, the second A structure in which the electromotive members 905 are connected to each other (FIG. 9B) is possible. This is because the first electromotive body 904 and the second electromotive body 905 generate electromotive forces in the same direction.

すなわち、スピン流熱電変換モジュール900のx−z面に平行な両端の対向する二つの側面に出力端子を設けることにより、起電体の逆スピンホール効果により発生する電流を取り出すことができる。   That is, by providing output terminals on two opposing side surfaces parallel to the xz plane of the spin-flow thermoelectric conversion module 900, the current generated by the reverse spin Hall effect of the electromotive body can be taken out.

以下、第2の実施形態について、実施例を用いてさらに具体的に説明する。
(実施例3)
本実施形態の具体的な例として実施例3を、図8を参照して説明する。
Hereinafter, the second embodiment will be described more specifically using examples.
(Example 3)
Example 3 will be described with reference to FIG. 8 as a specific example of the present embodiment.

本実施例のスピン流熱電変換素子801では、意図的に磁区と磁区との境界である磁壁を導入することで磁化を安定する。磁性体802としては、実施例2で用いたファイバー型素子作製方法を用いて、断面が0.1mmφ、長さが10cmの円柱状の磁性体を作製した後に、周囲にV字の切り込みを入れる加工を行ったものを使用した。   In the spin-flow thermoelectric conversion element 801 of this embodiment, magnetization is stabilized by intentionally introducing a domain wall that is a boundary between magnetic domains. As the magnetic body 802, a cylindrical magnetic body having a cross-section of 0.1 mmφ and a length of 10 cm is manufactured using the fiber-type element manufacturing method used in Example 2, and then a V-shaped cut is made around the column. What was processed was used.

V字の切り込みの幅は約0.03mmで深さは0.01mmとし、長さ10cmの磁性体802のほぼ中央に1か所加工を施し、磁壁固定部803とした。さらに、磁壁固定部803を境界として、磁性体802を二つの領域に分け、一方に第1の起電体804として厚さ10nmの白金膜を作製し、もう一方に第2の起電体805として厚さ7nmのタングステン膜を作製した。   The V-shaped notch has a width of about 0.03 mm and a depth of 0.01 mm, and a magnetic wall 802 having a length of 10 cm is machined at one location to form a domain wall fixing portion 803. Further, with the domain wall fixing portion 803 as a boundary, the magnetic body 802 is divided into two regions, a platinum film having a thickness of 10 nm is produced as the first electromotive body 804 on one side, and the second electromotive body 805 is formed on the other side. As a result, a 7 nm thick tungsten film was produced.

さらに、二つの端面を研磨して起電体の金属膜を除去した。最後に、第1の起電体804を備えている領域と、第2の起電体805を備えている領域に、それぞれ角柱形状の長軸に並行かつ互いに反並行となる向きの磁化808、809を与えるため、各起電体の長さに合わせた複数のコイルが連続していて、逆向きの磁場を発生する専用の着磁装置を用いて磁化した。   Further, the two end faces were polished to remove the metal film of the electromotive body. Finally, magnetization 808 in the region provided with the first electromotive body 804 and the region provided with the second electromotive body 805 are oriented in parallel to the long axis of the prismatic shape and in antiparallel to each other, In order to give 809, a plurality of coils corresponding to the length of each electromotive body are continuous, and magnetized using a dedicated magnetizing device that generates a magnetic field in the opposite direction.

以上の工程を経て、第1の磁区806と第2の磁区807とを有するスピン流熱電変換素子801を得た。白金とタングステンでは、逆スピンホール効果によって発生する電流の向きが互いに反対になる性質があるため、温度勾配が同じ向きの場合、それぞれの起電体を備えている領域が互いに反並行の磁化を持つことで、結果として両方の起電体において同じ方向に起電力が生じる。   Through the above steps, a spin current thermoelectric conversion element 801 having a first magnetic domain 806 and a second magnetic domain 807 was obtained. Since platinum and tungsten have the property that the directions of the currents generated by the reverse spin Hall effect are opposite to each other, when the temperature gradient is the same direction, the regions equipped with the respective electromotive bodies exhibit antiparallel magnetization to each other. As a result, an electromotive force is generated in the same direction in both electromotive bodies.

また、第1の起電体804と第2の起電体805には異なる材料を用いるため、しばしば逆スピンホール効果によるスピン流−電流変換の効率が異なることがある。その場合は、それぞれの起電体の膜厚を調整し、内部抵抗に応じて発生する起電力の大きさを揃えることが好ましい。これにより、局所的な起電力の不均一性に伴う渦電流の発生を低減し、素子出力を最大化することが可能となる。   In addition, since different materials are used for the first electromotive body 804 and the second electromotive body 805, the efficiency of spin current-current conversion due to the reverse spin Hall effect is often different. In that case, it is preferable to adjust the film thickness of each electromotive body so that the magnitude of the electromotive force generated according to the internal resistance is made uniform. As a result, the generation of eddy currents accompanying local electromotive force nonuniformity can be reduced, and the element output can be maximized.

以上、本実施形態および実施例に係るスピン流熱電変換素子によれば、第1の実施形態と同様に、集積する素子の数や長さおよび集積形状を変えることができるため、平面や湾曲した面を持つ熱源にも実装することが可能である。さらに、磁性体の磁化状態が安定化するため、熱電変換における出力の変動が長期に亘って抑制されたスピン流熱電変換素子を提供することができる。   As described above, according to the spin-flow thermoelectric conversion element according to the present embodiment and the example, the number and length of elements to be integrated and the integrated shape can be changed as in the first embodiment. It can also be mounted on a heat source with a surface. Furthermore, since the magnetization state of the magnetic substance is stabilized, it is possible to provide a spin current thermoelectric conversion element in which output fluctuations in thermoelectric conversion are suppressed over a long period of time.

すなわち、本実施形態および実施例によれば、熱電変換による出力を安定化し、かつ熱源への実装の自由度を有するスピン流熱電変換素子とその製造方法および熱電変換装置を提供することができる。
(第3の実施形態)
図10を参照して、本発明の第3の実施形態のスピン流熱電変換装置の構造を説明する。
That is, according to the present embodiment and examples, it is possible to provide a spin-flow thermoelectric conversion element that stabilizes output by thermoelectric conversion and has a degree of freedom of mounting on a heat source, a manufacturing method thereof, and a thermoelectric conversion device.
(Third embodiment)
With reference to FIG. 10, the structure of the spin-flow thermoelectric converter of the 3rd Embodiment of this invention is demonstrated.

本発明のスピン流熱電変換素子は、熱電変換の機能をするためには磁性体が磁化している必要がある。しかしながら、保磁力の小さい磁性体を用いる場合、外部の磁場や熱的不安定性のために、磁化方向が反転してしまう可能性がある。磁化が反転した素子は、起電力が逆向きに発生するため、素子を単体で用いている場合は出力の符号が反転し、多数組み合わせて用いる場合は個々の素子同志で出力を相殺してしまう。したがって、磁化の反転を抑制することが重要である。   In the spin-flow thermoelectric conversion element of the present invention, the magnetic material needs to be magnetized in order to perform the thermoelectric conversion function. However, when using a magnetic material having a small coercive force, the magnetization direction may be reversed due to an external magnetic field or thermal instability. An element whose magnetization has been reversed generates an electromotive force in the opposite direction, so that the sign of the output is reversed when the element is used alone, and the output is canceled by each element when used in combination. . Therefore, it is important to suppress magnetization reversal.

図10は、スピン流熱電変換素子1001と、素子の磁性体の磁化を固定するための磁化固定素子1002とを備えた熱電変換装置1003の模式図である。さらに、磁化固定素子1002は、永久磁石1004と伝導層1005とを有する。永久磁石1004からの磁力線によって、スピン流熱電変換素子1001の磁性体1006の磁化を、より安定化することができる。   FIG. 10 is a schematic diagram of a thermoelectric conversion device 1003 including a spin current thermoelectric conversion element 1001 and a magnetization fixed element 1002 for fixing the magnetization of the magnetic material of the element. Further, the magnetization fixed element 1002 includes a permanent magnet 1004 and a conductive layer 1005. The magnetic lines of force from the permanent magnet 1004 can further stabilize the magnetization of the magnetic body 1006 of the spin-flow thermoelectric conversion element 1001.

永久磁石1004は、スピン流熱電変換素子1001の磁性体よりも大きな磁化を有する。材料として、強磁性体、フェリ磁性体、反強磁性体のうち少なくとも一つ、もしくは複数組み合わせることによって、より強い磁化を保持していることが好ましい。また、z方向の熱伝導性については、スピン流熱電変換素子1001と比較して、同等以下であることが好ましい。そのため、熱伝導率の高い金属よりも、磁性絶縁体であることが好ましい。例えば、Fe(マグネタイト)などのバルク材料を使用することができる。 The permanent magnet 1004 has a larger magnetization than the magnetic body of the spin current thermoelectric conversion element 1001. As a material, it is preferable to maintain stronger magnetization by combining at least one of a ferromagnetic material, a ferrimagnetic material, and an antiferromagnetic material, or a combination thereof. In addition, the thermal conductivity in the z direction is preferably equal to or less than that of the spin-flow thermoelectric conversion element 1001. For this reason, a magnetic insulator is preferable to a metal having a high thermal conductivity. For example, a bulk material such as Fe 3 O 4 (magnetite) can be used.

また、伝導層1005は、磁化固定素子1002の両脇のスピン流熱電変換素子1001を電気的に接続する必要がある。例えば、x軸に直行する側面全体をCu膜で覆い伝導層とすることができる。   In addition, the conductive layer 1005 needs to electrically connect the spin current thermoelectric conversion elements 1001 on both sides of the magnetization fixed element 1002. For example, the entire side surface perpendicular to the x-axis can be covered with a Cu film to form a conductive layer.

また、Cu膜の代わりに、W、Ta、Mo、Nb、Cr、V、Tiから選択される少なくとも一つを含む金属を用いることも可能である。その場合、第2の実施形態にある通り、磁化固定素子1002においても熱電変換の出力を得ることができる。
以上、本実施形態に係るスピン流熱電変換素子によれば、第1の実施形態と同様に、集積する素子の数や長さおよび集積形状を変えることができるため、平面や湾曲した面を持つ熱源にも実装することが可能である。さらに、スピン流熱電変換素子の磁性体の磁化状態がより安定化するため、熱電変換における出力の変動が長期に亘って抑制されたスピン流熱電変換素子を提供することができる。
Instead of the Cu film, a metal containing at least one selected from W, Ta, Mo, Nb, Cr, V, and Ti can be used. In that case, as in the second embodiment, an output of thermoelectric conversion can be obtained also in the magnetization fixed element 1002.
As described above, according to the spin-flow thermoelectric conversion element according to the present embodiment, the number and length of elements to be integrated and the integrated shape can be changed as in the first embodiment, and thus have a flat surface or a curved surface. It can also be mounted on a heat source. Furthermore, since the magnetization state of the magnetic material of the spin-flow thermoelectric conversion element is further stabilized, it is possible to provide a spin-flow thermoelectric conversion element in which fluctuations in output in thermoelectric conversion are suppressed over a long period of time.

すなわち、本実施形態によれば、熱電変換による出力を安定化し、かつ熱源への実装の自由度を有するスピン流熱電変換素子とその製造方法および熱電変換装置を提供することができる。   That is, according to the present embodiment, it is possible to provide a spin-flow thermoelectric conversion element that stabilizes output by thermoelectric conversion and has a degree of freedom of mounting on a heat source, a manufacturing method thereof, and a thermoelectric conversion device.

本発明は上記実施形態および実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。   The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and these are also included in the scope of the present invention. Needless to say.

また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。   Moreover, although a part or all of said embodiment may be described also as the following additional remarks, it is not restricted to the following.

付記
(付記1)
磁性体と、前記磁性体に磁気的に結合した起電体と、を有し、
前記磁性体は、形状磁気異方性による少なくとも一つの磁化容易軸を有し、前記磁化容易軸の少なくとも一方向に磁化し、
前記起電体は、前記磁性体の前記磁化容易軸に平行な面に設けられた、スピン流熱電変換素子。
(付記2)
前記磁性体は、円、楕円、多角形から選択される断面を有する柱状構造を有し、前記断面の垂直方向に前記磁化容易軸を有する、付記1記載のスピン流熱電変換素子。
(付記3)
前記起電体は、前記磁性体の前記磁化容易軸に略平行な略全面に設けられた、付記1または2記載のスピン流熱電変換素子。
(付記4)
前記磁性体は、前記磁化容易軸の一方向に平行な磁化を有する第1の磁区と、前記第1の磁区の磁化と反平行な磁化を有する第2の磁区とを有し、
前記起電体は、前記第1の磁区と磁気的に結合した第1の起電体と、前記第2の磁区と磁気的に結合した第2の起電体とを有し、
前記第1と第2の起電体は、逆スピンホール効果によって発生する電流の向きが互いに反対である、付記1から3の内の1項記載のスピン流熱電変換素子。
(付記5)
前記磁性体は、前記第1と第2の磁区の間に磁壁固定部を有する、付記4記載のスピン流熱電変換素子。
(付記6)
前記磁性体は、Fe、Co、Niから選択される少なくとも一つを含む金属、
もしくは、イットリウム鉄ガーネット(YIG,Y3Fe5O12)、ビスマス(Bi)をドープしたYIG(Bi:YIG)、ランタン(La)を添加したYIG(LaY2Fe5O12)、イットリウムガリウム鉄ガーネット(Y3Fe5−xGaxO12)、MFe2O4(Mは金属元素で、Ni、Zn、Coのいずれかを含む)からなるスピネルフェライトから選択される少なくとも一つを含む絶縁体、
もしくは、Fe、Co、Niから選択される少なくとも一つを含む半導体、を有する、付記1から5の内の1項記載のスピン流熱電変換素子。
(付記7)
前記起電体は、Au、Pt、Pd、Ir、Ni、Fe、Co、Bi、W、Ta、Mo、Nb、Cr、V、Tiから選択される少なくとも一つを含む金属、
もしくは、ITO(酸化インジウムスズ)を含む酸化物、
もしくは、Fe、Co、Niから選択される少なくとも一つを含む半導体、を有する、付記1から6の内の1項記載のスピン流熱電変換素子。
(付記8)
前記第1の起電体は、Au、Pt、Pd、Ir、Ni、Fe、Co、Biから選択される少なくとも一つを含む金属を有し、
前記第2の起電体は、W、Ta、Mo、Nb、Cr、V、Tiから選択される少なくとも一つを含む金属を有する、付記4または5記載のスピン流熱電変換素子。
(付記9)
付記1から8の内の1項記載のスピン流熱電変換素子の製造方法において、
前記磁性体を、焼結法、溶融法、結晶引き上げ法、線引き炉を用いた磁性絶縁体ファイバー作製法から選択される少なくとも一つで形成し、
前記起電体を、スパッタ法、蒸着法、メッキ法、スクリーン印刷法、インクジェット法、スプレー法、スピンコート法、ナノコロイド溶液の塗布・焼結法から選択される少なくとも一つで形成し、
前記磁性体を、外部磁界を印加して磁化する、スピン流熱電変換素子の製造方法。
(付記10)
付記1から8の内の1項記載のスピン流熱電変換素子と、
前記スピン流熱電変換素子の起電体に接続し、前記起電体の逆スピンホール効果により発生する電流を取り出す出力端子と、を有する、熱電変換装置。
(付記11)
前記スピン流熱電変換素子を複数集積した、付記10記載の熱電変換装置。
(付記12)
永久磁石を有する磁化固定素子を有し、前記永久磁石からの磁力線が前記スピン流熱電変換素子の磁性体に及ぶ、付記10または11記載の熱電変換装置。
(付記13)
前記永久磁石の磁化は前記スピン流熱電変換素子の磁性体の磁化よりも大きい、付記12記載の熱電変換装置。
Appendix (Appendix 1)
A magnetic body, and an electromotive body magnetically coupled to the magnetic body,
The magnetic body has at least one easy axis due to shape magnetic anisotropy, is magnetized in at least one direction of the easy axis,
The electromotive element is a spin current thermoelectric conversion element provided on a plane parallel to the easy magnetization axis of the magnetic body.
(Appendix 2)
The spin current thermoelectric conversion element according to appendix 1, wherein the magnetic body has a columnar structure having a cross section selected from a circle, an ellipse, and a polygon, and has the easy axis of magnetization in a direction perpendicular to the cross section.
(Appendix 3)
The spin current thermoelectric conversion element according to appendix 1 or 2, wherein the electromotive body is provided on a substantially entire surface substantially parallel to the easy magnetization axis of the magnetic body.
(Appendix 4)
The magnetic body has a first magnetic domain having magnetization parallel to one direction of the easy axis, and a second magnetic domain having magnetization antiparallel to the magnetization of the first magnetic domain,
The electromotive body includes a first electromotive body magnetically coupled to the first magnetic domain, and a second electromotive body magnetically coupled to the second magnetic domain,
4. The spin-flow thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the first and second electromotive bodies have opposite directions of currents generated by the reverse spin Hall effect.
(Appendix 5)
The spin current thermoelectric conversion element according to appendix 4, wherein the magnetic body has a domain wall fixing portion between the first and second magnetic domains.
(Appendix 6)
The magnetic body includes a metal including at least one selected from Fe, Co, and Ni,
Alternatively, yttrium iron garnet (YIG, Y3Fe5O12), YIG doped with bismuth (Bi) (Bi: YIG), lanthanum (La) added YIG (LaY2Fe5O12), yttrium gallium iron garnet (Y3Fe5-xGaxO12), MFe2O4 (M Is a metal element and includes at least one selected from spinel ferrite made of Ni, Zn, or Co),
Alternatively, the spin-flow thermoelectric conversion element according to one of appendices 1 to 5, comprising a semiconductor including at least one selected from Fe, Co, and Ni.
(Appendix 7)
The electromotive body is a metal including at least one selected from Au, Pt, Pd, Ir, Ni, Fe, Co, Bi, W, Ta, Mo, Nb, Cr, V, and Ti,
Or an oxide containing ITO (indium tin oxide),
Alternatively, the spin current thermoelectric conversion element according to one of appendices 1 to 6, comprising a semiconductor including at least one selected from Fe, Co, and Ni.
(Appendix 8)
The first electromotive body has a metal including at least one selected from Au, Pt, Pd, Ir, Ni, Fe, Co, Bi,
The spin current thermoelectric conversion element according to appendix 4 or 5, wherein the second electromotive body includes a metal including at least one selected from W, Ta, Mo, Nb, Cr, V, and Ti.
(Appendix 9)
In the method for manufacturing a spin-flow thermoelectric conversion element according to one of appendices 1 to 8,
The magnetic body is formed by at least one selected from a sintering method, a melting method, a crystal pulling method, and a magnetic insulator fiber manufacturing method using a drawing furnace,
The electromotive body is formed by at least one selected from a sputtering method, a vapor deposition method, a plating method, a screen printing method, an ink jet method, a spray method, a spin coating method, and a nanocolloid solution coating / sintering method,
A method of manufacturing a spin current thermoelectric conversion element, wherein the magnetic material is magnetized by applying an external magnetic field.
(Appendix 10)
The spin-flow thermoelectric conversion element according to any one of appendices 1 to 8,
A thermoelectric conversion device comprising: an output terminal connected to an electromotive body of the spin-flow thermoelectric conversion element and taking out a current generated by a reverse spin Hall effect of the electromotive body.
(Appendix 11)
The thermoelectric conversion device according to appendix 10, wherein a plurality of the spin current thermoelectric conversion elements are integrated.
(Appendix 12)
The thermoelectric conversion device according to appendix 10 or 11, further comprising a magnetization fixed element having a permanent magnet, wherein magnetic lines of force from the permanent magnet reach the magnetic body of the spin current thermoelectric conversion element.
(Appendix 13)
The thermoelectric conversion device according to appendix 12, wherein the magnetization of the permanent magnet is larger than the magnetization of the magnetic body of the spin current thermoelectric conversion element.

101、202、301、502、802、1006 磁性体
102、203、302、503、703 起電体
103、204、303、808、809 磁化
104、304 温度勾配
105 熱スピン流
106 純スピン流
107 逆スピンホール効果による伝導電子の動き
108 電流
201、401、501、701、801、901、1001 スピン流熱電変換素子
305 上部電流
306 下部電流
307 下部スピン流
402、504、601、704、900 スピン流熱電変換モジュール
403 熱流
404 出力電流
600、1003 熱電変換装置
602 型枠
603、604 出力端子
702 ファイバー状磁性体
803 磁壁固定部
804、904 第1の起電体
805、905 第2の起電体
806 第1の磁区
807 第2の磁区
1002 磁化固定素子
1004 永久磁石
1005 伝導層
101, 202, 301, 502, 802, 1006 Magnetic body 102, 203, 302, 503, 703 Electromotive body 103, 204, 303, 808, 809 Magnetization 104, 304 Temperature gradient 105 Thermal spin current 106 Pure spin current 107 Reverse Movement of conduction electrons by spin Hall effect 108 Current 201, 401, 501, 701, 801, 901, 1001 Spin current thermoelectric conversion element 305 Upper current 306 Lower current 307 Lower spin current 402, 504, 601, 704, 900 Spin current thermoelectric Conversion module 403 Heat flow 404 Output current 600, 1003 Thermoelectric conversion device 602 Form 603, 604 Output terminal 702 Fiber-like magnetic body 803 Domain wall fixing part 804, 904 First electromotive body 805, 905 Second electromotive body 806 First 1 magnetic domain 807 Magnetic domain 1002 magnetization fixed element 1004 permanent magnet 1005 conductive layer

Claims (10)

磁性体と、前記磁性体に磁気的に結合した起電体と、を有し、
前記磁性体は、形状磁気異方性による少なくとも一つの磁化容易軸を有し、前記磁化容易軸の少なくとも一方向に磁化し、
前記起電体は、前記磁性体の前記磁化容易軸に平行な全ての面に設けられた、スピン流熱電変換素子。
A magnetic body, and an electromotive body magnetically coupled to the magnetic body,
The magnetic body has at least one easy axis due to shape magnetic anisotropy, is magnetized in at least one direction of the easy axis,
The electromotive element is a spin current thermoelectric conversion element provided on all surfaces substantially parallel to the easy magnetization axis of the magnetic body.
前記磁性体は、円、楕円、多角形から選択される断面を有する柱状構造を有し、前記断面の垂直方向に前記磁化容易軸を有する、請求項1記載のスピン流熱電変換素子。   The spin current thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the magnetic body has a columnar structure having a cross section selected from a circle, an ellipse, and a polygon, and has the easy axis of magnetization in a direction perpendicular to the cross section. 前記磁性体は、前記磁化容易軸の一方向に平行な磁化を有する第1の磁区と、前記第1の磁区の磁化と反平行な磁化を有する第2の磁区とを有し、  The magnetic body has a first magnetic domain having magnetization parallel to one direction of the easy axis, and a second magnetic domain having magnetization antiparallel to the magnetization of the first magnetic domain,
前記起電体は、前記第1の磁区と磁気的に結合した第1の起電体と、前記第2の磁区と磁気的に結合した第2の起電体とを有し、  The electromotive body includes a first electromotive body magnetically coupled to the first magnetic domain, and a second electromotive body magnetically coupled to the second magnetic domain,
前記第1と第2の起電体は、逆スピンホール効果によって発生する電流の向きが互いに反対である、請求項1または2記載のスピン流熱電変換素子。  3. The spin current thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the first and second electromotive bodies have opposite directions of currents generated by an inverse spin Hall effect.
前記磁性体は、Fe、Co、Niから選択される少なくとも一つを含む金属、  The magnetic body includes a metal including at least one selected from Fe, Co, and Ni,
もしくは、イットリウム鉄ガーネット(YIG,Y  Or yttrium iron garnet (YIG, Y 3 FeFe 5 O 1212 )、ビスマス(Bi)をドープしたYIG(Bi:YIG)、ランタン(La)を添加したYIG(LaY), YIG doped with bismuth (Bi) (Bi: YIG), YIG with added lanthanum (La) (LaY) 2 FeFe 5 O 1212 )、イットリウムガリウム鉄ガーネット(Y), Yttrium gallium iron garnet (Y 3 FeFe 5−x5-x GaGa x O 1212 )、MFe), MFe 2 O 4 (Mは金属元素で、Ni、Zn、Coのいずれかを含む)からなるスピネルフェライトから選択される少なくとも一つを含む絶縁体、An insulator including at least one selected from spinel ferrites (M is a metal element and includes any one of Ni, Zn, and Co);
もしくは、Fe、Co、Niから選択される少なくとも一つを含む半導体、を有する、請求項1から3の内の1項記載のスピン流熱電変換素子。  The spin-flow thermoelectric conversion element according to claim 1, further comprising a semiconductor containing at least one selected from Fe, Co, and Ni.
前記起電体は、Au、Pt、Pd、Ir、Ni、Fe、Co、Bi、W、Ta、Mo、Nb、Cr、V、Tiから選択される少なくとも一つを含む金属、  The electromotive body is a metal including at least one selected from Au, Pt, Pd, Ir, Ni, Fe, Co, Bi, W, Ta, Mo, Nb, Cr, V, and Ti,
もしくは、ITO(酸化インジウムスズ)を含む酸化物、  Or an oxide containing ITO (indium tin oxide),
もしくは、Fe、Co、Niから選択される少なくとも一つを含む半導体、を有する、請求項1から4の内の1項記載のスピン流熱電変換素子。  5. The spin-flow thermoelectric conversion element according to claim 1, further comprising a semiconductor including at least one selected from Fe, Co, and Ni.
磁性体と、前記磁性体に磁気的に結合した起電体と、を有し、  A magnetic body, and an electromotive body magnetically coupled to the magnetic body,
前記磁性体は、形状磁気異方性による少なくとも一つの磁化容易軸を有し、前記磁化容易軸の少なくとも一方向に磁化し、  The magnetic body has at least one easy axis due to shape magnetic anisotropy, is magnetized in at least one direction of the easy axis,
前記磁化容易軸の一方向に平行な磁化を有する第1の磁区と、前記第1の磁区の磁化と反平行な磁化を有する第2の磁区とを有し、  A first magnetic domain having a magnetization parallel to one direction of the easy axis, and a second magnetic domain having a magnetization antiparallel to the magnetization of the first magnetic domain;
前記起電体は、前記磁性体の前記磁化容易軸に平行な面に設けられ、  The electromotive body is provided on a plane parallel to the easy magnetization axis of the magnetic body,
前記第1の磁区と磁気的に結合した第1の起電体と、前記第2の磁区と磁気的に結合した第2の起電体とを有し、  A first electromotive body magnetically coupled to the first magnetic domain; and a second electromotive body magnetically coupled to the second magnetic domain;
前記第1と第2の起電体は、逆スピンホール効果によって発生する電流の向きが互いに反対である、スピン流熱電変換素子。  The first and second electromotive elements are spin current thermoelectric conversion elements in which directions of currents generated by an inverse spin Hall effect are opposite to each other.
請求項1から6の内の1項記載のスピン流熱電変換素子の製造方法において、  In the manufacturing method of the spin-flow thermoelectric conversion element according to claim 1,
前記磁性体を、焼結法、溶融法、結晶引き上げ法、線引き炉を用いた磁性絶縁体ファイバー作製法から選択される少なくとも一つで形成し、  The magnetic body is formed by at least one selected from a sintering method, a melting method, a crystal pulling method, and a magnetic insulator fiber manufacturing method using a drawing furnace,
前記起電体を、スパッタ法、蒸着法、メッキ法、スクリーン印刷法、インクジェット法、スプレー法、スピンコート法、ナノコロイド溶液の塗布・焼結法から選択される少なくとも一つで形成し、  The electromotive body is formed by at least one selected from a sputtering method, a vapor deposition method, a plating method, a screen printing method, an ink jet method, a spray method, a spin coating method, and a nanocolloid solution coating / sintering method,
前記磁性体を、外部磁界を印加して磁化する、スピン流熱電変換素子の製造方法。  A method of manufacturing a spin current thermoelectric conversion element, wherein the magnetic material is magnetized by applying an external magnetic field.
請求項1から6の内の1項記載のスピン流熱電変換素子と、  The spin-flow thermoelectric conversion element according to claim 1,
前記スピン流熱電変換素子の起電体に接続し、前記起電体の逆スピンホール効果により発生する電流を取り出す出力端子と、を有する、熱電変換装置。  A thermoelectric conversion device comprising: an output terminal connected to an electromotive body of the spin-flow thermoelectric conversion element and taking out a current generated by a reverse spin Hall effect of the electromotive body.
永久磁石を有する磁化固定素子を有し、前記永久磁石からの磁力線が前記スピン流熱電変換素子の磁性体に及ぶ、請求項8記載の熱電変換装置。  The thermoelectric conversion device according to claim 8, further comprising a magnetization fixed element having a permanent magnet, wherein magnetic lines of force from the permanent magnet reach the magnetic body of the spin current thermoelectric conversion element. 前記永久磁石の磁化は前記スピン流熱電変換素子の磁性体の磁化よりも大きい、請求項9記載の熱電変換装置。  The thermoelectric conversion device according to claim 9, wherein the magnetization of the permanent magnet is larger than the magnetization of the magnetic body of the spin-flow thermoelectric conversion element.
JP2014067878A 2014-03-28 2014-03-28 Spin current thermoelectric conversion element, manufacturing method thereof, and thermoelectric conversion device Active JP6349863B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014067878A JP6349863B2 (en) 2014-03-28 2014-03-28 Spin current thermoelectric conversion element, manufacturing method thereof, and thermoelectric conversion device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014067878A JP6349863B2 (en) 2014-03-28 2014-03-28 Spin current thermoelectric conversion element, manufacturing method thereof, and thermoelectric conversion device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015192013A JP2015192013A (en) 2015-11-02
JP6349863B2 true JP6349863B2 (en) 2018-07-04

Family

ID=54426286

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014067878A Active JP6349863B2 (en) 2014-03-28 2014-03-28 Spin current thermoelectric conversion element, manufacturing method thereof, and thermoelectric conversion device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6349863B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015226007A (en) * 2014-05-29 2015-12-14 株式会社デンソー Method of manufacturing thermoelectric conversion element
JPWO2017082266A1 (en) * 2015-11-13 2018-09-13 日本電気株式会社 Electromotive film for thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion element
JPWO2019124257A1 (en) * 2017-12-20 2020-12-17 日本電気株式会社 Thermoelectric conversion element

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5585314B2 (en) * 2010-04-30 2014-09-10 国立大学法人東北大学 Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion device
JP6241618B2 (en) * 2012-04-04 2017-12-06 日本電気株式会社 Thermoelectric conversion element, thermoelectric conversion system, and method of manufacturing thermoelectric conversion element
WO2013153949A1 (en) * 2012-04-11 2013-10-17 日本電気株式会社 Magnetic field measurement device and magnetic field measurement method
CN104521001A (en) * 2012-07-19 2015-04-15 日本电气株式会社 Thermoelectric conversion element and manufacturing method for same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2015192013A (en) 2015-11-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8254163B2 (en) Spintronic device and information transmitting method
US9991436B2 (en) Thermoelectric converter element, method of manufacturing thermoelectric converter element, and thermoelectric conversion method
US10461238B2 (en) Thermoelectric conversion structure and method for making the same
EP2876687B1 (en) Thermoelectric conversion element and manufacturing method for same
JP6233320B2 (en) Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof
JP6349863B2 (en) Spin current thermoelectric conversion element, manufacturing method thereof, and thermoelectric conversion device
JP6241618B2 (en) Thermoelectric conversion element, thermoelectric conversion system, and method of manufacturing thermoelectric conversion element
US9306153B2 (en) Thermoelectric conversion element and method for manufacturing the same
US20140224294A1 (en) Thermoelectric conversion element and method of manufacturing the same
JP7314958B2 (en) Thermoelectric conversion element
Asada et al. Longitudinal spin Seebeck effect in Nd2BiFe5− xGaxO12 prepared on gadolinium gallium garnet (001) by metal organic decomposition method
JP2014072250A (en) Thermoelectric transducer and method for manufacturing the same
WO2018146713A1 (en) Thermoelectric conversion element and method for manufacturing same
JP6172439B2 (en) Spin current thermoelectric transducer
US20230270009A1 (en) Thermoelectric conversion element
JP2021039996A (en) Magnetic alloy material
JP6413466B2 (en) Thermoelectric conversion element
WO2023054583A1 (en) Thermoelectric body, thermoelectric generation element, multilayer thermoelectric body, multilayer thermoelectric generation element, thermoelectric generator, and heat flow sensor
JP2022024463A (en) Thermoelectric conversion material
WO2015087408A1 (en) Thermoelectric conversion element and thermoelectric module using same
JP2006049494A (en) Material and device for thermoelectric conversion
JP2024006646A (en) Magnetic alloy material, thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170215

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20171220

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180109

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180309

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180508

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180521

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6349863

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150