JP6611167B2 - 熱電変換デバイス及び熱電変換素子 - Google Patents

Description

本発明は、熱電変換デバイスに関するものである。

近年、異常ネルンスト効果（Anomalous Nernst effect）を利用した熱電変換デバイスが考えられている（例えば、特許文献１参照）。ここで、異常ネルンスト効果とは、磁化した磁性体に熱流を流した際、磁性体の磁化方向と熱流方向とにそれぞれ直交する方向(外積方向)に電圧が生じる現象である。このため、従来の熱電変換デバイスでは、磁性体として所定方向に強い磁化を持つ強磁性体を熱電変換素子として用い、当該熱電変換素子の強磁性体の磁化方向に直交する方向に温度差を与えて電圧を得ている。

特開２０１４−７２２５６号公報

しかしながら、従来の熱電変換デバイスでは、強磁性体からなる熱電変換素子を用いていることから、強磁性体による大きな漏れ磁場が発生してしまうという問題があった。このように、熱電変換素子からの漏れ磁場が大きい場合には、熱電変換デバイス内に複数の熱電変換素子を緻密に設けることができず、また熱電変換デバイス周辺の周辺機器等にも漏れ磁場により何らかの影響を与えてしまう可能性もあるため、漏れ磁場が高度な集積化の妨げとなっていた。そのため、このような熱電変換デバイスでは、漏れ磁場が従来よりも格段的に抑制できる新規な構造を有した新たな熱電変換デバイスの開発が望まれている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、温度差により電圧を発生させることができるとともに、漏れ磁場を従来よりも格段的に抑制できる熱電変換デバイス及び熱電変換素子を提供することを目的とする。

本発明の熱電変換デバイスは、非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなる熱電変換素子を備え、前記熱電変換素子には、異常ネルンスト効果により、面内の微小磁化方向と直交する方向に生じる温度差により電圧が発生することを特徴とする。

本発明によれば、反強磁性体からなる熱電変換素子であっても異常ネルンスト効果により、温度差によって電圧を発生させることができ、また、強磁性体のような強い磁化を持たない反強磁性体により熱電変換素子を形成したことにより、強磁性体を用いた従来の熱電変換デバイスよりも漏れ磁場を格段的に抑制できる。

非共線性の反強磁性体における異常ネルンスト効果の発現する状態を模式的に示す説明図である。 Ｍｎ_３Ｓｎの局在するスピンの方向を示す説明図である。 ＭｎとＮｉの化合物のうち熱電変換素子とすることができる範囲を示す状態図である。 熱電変換デバイスの構成を示す概略図である。 Ｍｎ_３Ｓｎにおける単位温度当りの電圧Ｓ_ｘｙと、外部磁場Ｂとの関係を示すグラフである。 従来の強磁性体と、Ｍｎ_３Ｓｎとについて、単位温度当りの電圧Ｓ_ｘｙと、磁化Ｍ_ｓと、比例係数Ｑ_ｓとをまとめた表である。 他の実施の形態による熱電変換デバイスの構成を示す概略図である。

（１）熱電変換素子に用いる反強磁性体について
先ず初めに、本発明による熱電変換デバイスの熱電変換素子となる反強磁性体について説明する。熱電変換素子となる反強磁性体は、非共線性（non-collinear）の反強磁性体（以下、非共線反強磁性体とも呼ぶ）であり、格子点上の原子の磁気モーメント（局在スピンの方向）が互いに傾いて非平行となったスピン構造を有する。非共線性の反強磁性体としては、スピン構造における磁気モーメントが同一平面で互いに傾いて存在する共面性のものと、磁気モーメントの方向が同一平面になく立体的に傾いている非共面性のものとがある。

共面性および非共面性のいずれの非共線性の反強磁性体においても、磁気モーメントが互い傾いていることに起因して、漏れ磁場が抑制され、さらに当該反強磁性体に対して熱流が与えられた際には、反強磁性体の微小磁化方向と熱流方向とにそれぞれ直交する方向(外積方向)に電圧が生じる現象（異常ネルンスト効果）を発現し得る。

例えば、図１に示すように、非共面性の反強磁性体では、格子点上の原子Ａの各磁気モーメントＭ１が互いに立体的に傾いたスピン構造を有しており、伝導を担う電子（すなわち伝導電子Ｄ）が、当該スピン構造の各サイトを通り抜ける際に、伝導電子ＤのスピンＤａの方向が、磁気モーメントＭ１による影響でその磁気モーメントＭ１の方向に向く。そして、各磁気モーメントＭ１が互いに異なる方向に傾いて非平行になっているため、図中右側に示すように、伝導電子Ｄが最近接の格子点を一周する際に、伝導電子ＤのスピンＤａの方向が回転運動をする。この伝導電子ＤのスピンＤａの回転運動は、伝導電子Ｄの軌道運動の回転運動を誘起する。このように誘起される伝導電子Ｄの軌道運動の回転運動は、熱流が流されて温度差が生じると、その熱流とカップルすることにより熱流方向に垂直な方向の電場を形成し、異常ネルンスト効果を発現する。共面性を有する非共線の反強磁性体についても同様な原理で異常ネルンスト効果を発現する。

このような異常ネルンスト効果によって生じる磁化方向は、スピンＤａの軌道運動の回転方向によって決まる。因みに、非共線性の反強磁性体は、例えばスピントランスファートルク（スピン注入）方式や、磁場印加方式等によって、磁気モーメントＭ１の方向を反転させることが可能であり、このような磁気モーメントＭ２の反転により、スピンＤａの軌道運動の回転方向が変わる。

ここで、非共線性の反強磁性体としては、例えばＭｎ_３Ｓｎがあり、以下、その一例としてＭｎ_３Ｓｎに着目して説明する。Ｍｎ_３Ｓｎは、六方晶であり、５０［Ｋ］〜４３０［Ｋ］の間で、図２に示すように、ａ軸（［２−１−１０］）、ｂ軸（［−１２−１０］）としたａｂ面において、隣接するＭｎ（マンガン）間距離に歪があるカゴメ格子を形成し、このカゴメ格子が積層した構造を有している。Ｍｎの磁気モーメント（局在スピンの向き）Ｍ２は、ゼロ磁場において、ａｂ面に存在し、幾何学的フラストレーションが逆三角形スピン構造として現れる。また、Ｍｎ_３Ｓｎは、通常の１２０°スピン構造に対して逆のベクトルカイラリティを持つカイラルスピン構造を構成している。

Ｍｎ_３Ｓｎは、隣接する３つのＭｎの磁気モーメントＭ２のうち、１つの磁気モーメントＭ２が磁化容易軸に平行となるが、他の２つの磁気モーメントＭ２がそれぞれ磁化容易軸から傾いた状態になり、各磁気モーメントＭ２が互いに傾いている。このようにして、非共線反強磁性体であるＭｎ_３Ｓｎでは、局在する磁気モーメントＭ２が互いに傾き、小さな強磁性モーメントを誘起する。本発明による熱電変換デバイスでは、熱電変換素子となるＭｎ_３ＳｎにおけるＭｎの磁気モーメントＭ２が所定の方向に向いている状態で用いられる。

熱電変換素子となるＭｎ_３Ｓｎは、Ｍｎの磁気モーメントＭ２が２．７８ｘ１０^−２３［Ａ・ｍ^２］（３［μ_Ｂ］）以下である。カイラルスピン構造の３つのＭｎの磁気モーメントＭ２は打ち消し合うが、磁気モーメントは完全には打ち消されない。すなわち、Ｍｎ_３Ｓｎからなる熱電変換素子は、カイラルスピン構造における局所的な磁化容易軸に傾いた２つの磁気モーメントＭ２により、２．７８ｘ１０^−２６［ＪＴ^−１／Ｍｎ］（０．００３［μ_Ｂ／Ｍｎ］）以下の弱い磁気モーメントが残り、その結果、所定の微小磁化方向に磁化された状態になる。このように、Ｍｎ_３Ｓｎにより形成した熱電変換素子は、弱く磁化された状態になるが、それは極めて弱い磁気モーメントによるものであるため、強磁性体に比して漏れ磁場を格段的に抑制し得る。

因みに、このＭｎ_３Ｓｎは、例えばスピントランスファートルク（スピン注入）方式や、磁場印加方式等によって、図２に示すような第１磁化状態にあるＭｎの磁気モーメントＭ２を反転させて、この第１磁化状態とは磁気モーメントＭ２が異なる方向に変化した第２磁化状態とすることもできる。Ｍｎ_３Ｓｎは、第２磁化状態においても、第１磁化状態と同様に、カイラルスピン構造の３つのＭｎの磁気モーメントＭ２が不完全に打ち消し合い、弱い磁気モーメントが残り、その方向（磁化方向）に微小磁化が生じた状態になるが、その微小磁化方向は第１磁化状態とは逆向きになる。

因みに、このＭｎ_３Ｓｎは、例えばスピントランスファートルク（スピン注入）方式や、磁場印加方式などによって、第２磁化状態にある反転した磁気モーメントＭ２を再び第１磁化状態に戻すこともできる。このようにＭｎ_３Ｓｎは、第１磁化状態と第２磁化状態との間で繰り返し磁気モーメントＭ２を変えることができる。

なお、熱電変換素子を形成するＭｎ_３Ｓｎは、Ｍｎ_{（３＋ｘ）}Ｓｎ_{（１−ｘ）}（０≦ｘ≦０．２）としてもよい。

また、この実施の形態の場合においては、熱電変換素子を形成する非共線性の反強磁性体として、Ｍｎ_３Ｓｎについて説明したが、本発明はこれに限らず、Ｍｎ_３Ｓｎ以外の非共線性の六法晶系の反強磁性体を適用してもよい。このような非共線性の六法晶系の反強磁性体としては、例えばＭｎ_３Ｇｅ、Ｍｎ_３Ｇａ等があり、このような反強磁性体であっても、上述したＭｎ_３Ｓｎと同様の効果を得ることができる。る。また、非共面性であって、カイラルスピン構造の磁気モーメントを有した反強磁性体を熱電変換素子として用いてもよい。このような反強磁性体としては、立方晶の物質、化合物を挙げることができる。

立方晶の反強磁性体としては、例えばγ相（ＦＣＣ（face-centered cubic）構造）のＭｎを含む立方晶合金、またはＦｅを含む立方晶合金でもよく、具体的にはγ−（Ｆｅ，Ｍｎ）、Ｍｎ_３Ｉｒ、Ｍｎ_３Ｐｔを熱電変換素子として適用することができる。また、図３の状態図にハッチングで示すように、Ｎｉを一定の比率以上を含み、反強磁性を示す立方晶となり、かつＭｎおよびＮｉの化合物を、熱電変換素子としてもよい。正方晶となる、一部のＭｎおよびＮｉの化合物も用いることができる。

なお、熱電変換素子を形成する反強磁性体として、Ｍｎ_３Ｓｎを用いた場合には、室温以下において、例えばＦｅＰｔや、ＭｎＧａ等の一般的な強磁性体よりも、大きな電圧を得られることが確認できている。

（２）熱電変換デバイスの構成
次に、上述した反強磁性体を利用した熱電変換デバイスについて説明する。図４に示すように、本発明による熱電変換デバイス１は、上記「（１）熱電変換素子に用いる反強磁性体について」で説明した非共線性の反強磁性体からなる熱電変換素子２を備えており、当該熱電変換素子２の対向する端面２ａ，２ｂに配線を介して電圧器３が接続された構成を有する。ここで、熱電変換素子２は、例えば直方体状に形成されており、この場合、配線が接続された端面２ａ，２ｂが矢印ｙ方向に沿って対向配置され、当該矢印ｙ方向と直交する矢印ｚ方向に沿って裏面２ｃおよび表面２ｄが対向配置され、矢印ｙ，ｚ方向と直交する矢印ｘ方向に沿って熱流面２ｅ，２ｆが対向配置され得る。

熱電変換素子２は、矢印ｘ，ｙ方向と直交し、かつ裏面２ｃから表面２ｄに向かう矢印ｚ方向が微小磁化方向Ａｒ２となり、当該微小磁化方向Ａｒ２に向けて面内に微小磁化Ｍ_ｓが発生し得るように構成されている。この場合、熱電変換素子２には、矢印ｙ，ｚ方向と直交する矢印ｘ方向に向けて一の熱流面２ｅから他の熱流面２ｆへ熱流Ｑが流れることで、面内の微小磁化方向Ａｒ２と直交する矢印ｘ方向にて熱流面２ｅ，２ｆで温度差が生じる。その結果、熱電変換素子２は、異常ネルンスト効果によって、温度差が生じた熱流方向Ａｒ１と、面内の微小磁化方向Ａｒ２とにそれぞれ直交する矢印ｙ方向（外積方向）へ向けて端面２ａ，２ｂ間に電圧が発生する。

この際、本発明の熱電変換デバイス１は、強磁性体のような強い磁化を持たない反強磁性体により熱電変換素子２が形成されていることにより、強磁性体を用いた従来の熱電変換デバイスよりも、漏れ磁場の発生を格段的に抑止し得る。

（３）検証試験
次に、Ｍｎ_３Ｓｎにより直方体状の熱電変換素子２を作製して２００［Ｋ］および３００［Ｋ］での異常ネルンスト効果による電圧値について調べた。ここで、Ｍｎ_３Ｓｎの試料は、次のようにして作製した。先ず始めに、ＭｎとＳｎの混合物を清浄なアルゴン雰囲気中でアーク溶解することにより、複数の多結晶質サンプルを準備した。Ｍｎは、アーク溶解中の損失と結晶の成長とを考慮して、正規組成量を超えた過剰量（１０モル％）を加えた。得られた多結晶質材料は、ブリッジマン法での結晶成長に用いた。得られた単結晶および粉末のＸ線回折測定では、格子定数ａ＝５．６６（１）Å、ｃ＝４．５３（１）Åの六方晶のＭｎ_３Ｓｎの単相を示唆した。

また、走査型電子顕微鏡およびエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＳＥＭ−ＥＤＸ，Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Detector）による分析では、Ｍｎ_３Ｓｎがバルク相であることが確認された。誘導結合プラズマ（ＩＣＰ，inductively coupled plasma）分光法によると、複数の単結晶の組成は、Ｍｎ_３．０２Ｓｎ_０．９８であった。すなわち、結晶格子当たりのＭｎが３．０２個、Ｓｎが０．９８個であり、Ｍｎが過剰になっていた。抵抗率と磁化の測定のために、成長した状態の複数の単結晶を、ラウエ回折計を用いて配列した後、直方体状の試料を作製した。

次いで、この試料を実施例１の熱電変換素子２とし、当該熱電変換素子２をチャンバ内にセットし、当該チャンバ内を２００［Ｋ］または３００［Ｋ］とした。次いで、２００［Ｋ］または３００［Ｋ］のチャンバ内で、熱電変換素子２の一方の熱流面２ｅに向けて所定温度（６［Ｋ］、または、９［Ｋ］）の熱流を流し、熱電変換素子２の対向する熱流面２ｅ，２ｆに温度差を与えた。ここでは、Ｍｎ_３Ｓｎの［０１−１０］と平行に熱流を流し、さらにＭｎ_３Ｓｎのａ軸（［２−１−１０］）と平行に外部磁場（Ｂ［Ｏｅ］）を印加した。なお、ミラー指数に表記した“−”はその直後の指数につくバーを意味している。そして、Ｍｎ_３Ｓｎの単位温度当りの電圧（Ｓ_ｘｙ［μＶ／Ｋ］）と、外部磁場（Ｂ［Ｏｅ］）との関係について調べたところ、図５に示すような結果が得られた。

図５の結果から、２００［Ｋ］のときのＭｎ_３Ｓｎは、印加される外部磁場の変化に対して、単位温度当りの電圧Ｓ_ｘｙが、約１．５［μＶ／Ｋ］の幅（＋０．７５［μＶ／Ｋ］〜−０．７５［μＶ／Ｋ］）で変化するヒステリシスが得られた。また、３００［Ｋ］のときのＭｎ_３Ｓｎは、印加される外部磁場の変化に対して、単位温度当りの電圧Ｓ_ｘｙが、約０．９２［μＶ／Ｋ］の幅（＋０．４６［μＶ／Ｋ］〜−０．４６［μＶ／Ｋ］）で変化するヒステリシスが得られた。この結果から、Ｍｎ_３Ｓｎは、室温等の通常の使用環境の温度において、外部磁場がゼロでも異常ネルンスト効果が発現し、電圧が発生することが確認できた。

また、３００ＫのときのＭｎ_３Ｓｎの面内の磁化Ｍ_ｓを磁気特性測定装置で測定したところ、図６に示すように、微小な０．７２［ｅｍｕ／ｃｃ］であった（図６中、「Ｍ_ｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）」）。さらに、Ｍｎ_３Ｓｎの比例係数Ｑ_ｓは５１０［μＶ／ＴＫ］であった。ここで、２００［Ｋ］のときの単位温度当りの電圧Ｓ_ｘｙと、３００［Ｋ］のときの単位温度当りの電圧Ｓ_ｘｙと、磁化Ｍ_ｓと、比例係数Ｑ_ｓとについて、Ｍｎ_３Ｓｎ（実施例１）と、強磁性体（比較例１〜５）との各数値を、図６にまとめた。

なお、強磁性体（表中、「ＦＭ」と表記）であるＦｅＰｔ（比較例１）、ＦｅＰｄ（比較例２）、ＭｎＧａ（比較例３）、Ｍｎ_２Ｇａ（比較例４）、およびＣｏ／Ｎｉ（比較例５）の各数値については、「Hasegawa et al., Appl. Phys. Lett. 106, 252405 (2015)」に基づく数値である。図６の結果から、３００［Ｋ］では、Ｍｎ_３Ｓｎの試料における磁化Ｍ_ｓが極めて弱いことが分かる。

このＭｎ_３Ｓｎの試料における磁化Ｍ_ｓは、図６に示した強磁性体の１／２３６〜１／１３８９程度であることが確認できた。これにより、Ｍｎ_３Ｓｎは、従来の熱電変換素子に用いられる強磁性体よりも漏れ磁場が格段的に小さいことが分かる。

また、図６において、実施例１となるＭｎ_３Ｓｎは、２００［Ｋ］のとき、単位温度当りの電圧Ｓ_ｘｙが０．７５［μＶ／Ｋ］と最も高く、３００［Ｋ］のときも、単位温度当りの電圧Ｓ_ｘｙが０．４６［μＶ／Ｋ］となり比較例２（強磁性体のＦｅＰｄ）と同程度で、比較例１（ＦｅＰｔ）、比較例２（ＦｅＰｄ）に次いで高い値であることが確認できた。

実施例１により得られた単位温度当りの電圧Ｓ_ｘｙの値は、磁性体としては極めて大きく、比較例のうち少なくともＭｎＧａ、Ｍｎ_２Ｇａ、およびＣｏ／Ｎｉの強磁性体で見られる単位温度当りの電圧Ｓ_ｘｙの値よりも大きいことが確認できた。また、単位温度当りの電圧Ｓ_ｘｙは、通常、磁化Ｍ_ｓに比例すると考えられ、その比例係数Ｑ_ｓが強磁性体では約０．１〜１［μＶ／ＴＫ］の間の値をとる。しなしながら、実施例１であるＭｎ_３Ｓｎは、微小な自発磁化に影響により、強磁性体よりも３桁程度大きな値をとることが確認できた。

このようにＭｎ_３Ｓｎを熱電変換素子２として用いた場合には、強磁性体と同程度かそれ以上の単位温度当りの電圧Ｓ_ｘｙを得られ、かつ従来の熱電変換素子に用いられる強磁性体よりも漏れ磁場が格段的に小さくできることが確認できた。

（４）作用および効果
以上の構成において、熱電変換デバイス１は、非共線性のスピン構造を有する非共線性の反強磁性体からなる熱電変換素子２を備え、当該熱電変換素子に対して面内の微小磁化方向Ａｒ２と直交する方向に熱流を流して温度差を与える。これにより、熱電変換デバイス１では、異常ネルンスト効果によって、熱電変換素子２の面内の微小磁化方向Ａｒ２と直交する熱流方向Ａｒ１に生じる温度差を基に、微小磁化方向Ａｒ２および熱流方向Ａｒ１とそれぞれ直交する方向に電圧を発生させることができる。

また、熱電変換デバイス１では、強磁性体のような強い磁化を持たない反強磁性体により熱電変換素子２を形成したことにより、強磁性体を用いた従来の熱電変換デバイスよりも、漏れ磁場の発生を格段的に抑止し得る。このように、熱電変換デバイス１では、強磁性体を用いた従来の熱電変換デバイスよりも漏れ磁場を格段的に抑制できることから、複数の熱電変換素子２を高集積化させたり、或いは、他の周辺機器を近接させても、隣接する熱電変換素子２や周辺機器で漏れ磁場による影響が生じることを防止できる。

従って、熱電変換デバイス１では、隣接する熱電変換素子２同士の漏れ磁場による影響を考慮することなく、熱流が流れる限られた面積内に、熱電変換素子２同士の隙間を小さくして緻密に配置させることができるので、単位面積当りにより多くの熱電変換素子２を実装でき、かくして、強磁性体を用いた従来の熱電変換デバイスよりも、単位面積当りの発電効率を向上させることができる。

また、熱電変換デバイス１は、周辺機器に漏れ磁場による影響を与え難いことから、磁気の影響を受け易く、強磁性体を用いた従来の熱電変換デバイスを近接させることができなかった周辺機器に対しても近接して配置させることができるので、周辺機器とともに緻密な配置が可能となり、さらには周辺機器から発する熱流を利用して電圧を発生させることもできる。

（５）他の実施の形態による熱電変換デバイス
上述した実施の形態においては、図４に示したように、直方体状の熱電変換素子２を備えた熱電変換デバイス１について説明したが、本発明はこれに限らず、図４との対応部分に同一符号を付して示す図７のように、熱電変換素子２４と接続素子２５とを交互に並列して配置し、複数の熱電変換素子２４と複数の接続素子２５とを電気的に直列接続させた熱電変換デバイス２１であってもよい。

この場合、熱電変換デバイス２１は、蛇行状に形成された発電体２３が基板２２上に設置された構成を有しており、基板２２の裏面から発電体２３に向けて熱流が流されることにより、基板２２の面直方向に温度差が与えられ得る。これにより熱電変換デバイス２１は、発電体２３で異常ネルンスト効果が発現し、当該発電体２３で電圧を発生させ得る。ここで、基板２２は、例えばＭｇＯ単層や、Ａｕ層の上にＭｇＯ層が積層された構成でなり、熱流が当てられる裏面と対向した設置面２３ａに沿って蛇行状に延びた発電体２３が設置されている。

発電体２３は、長手方向を有した複数の熱電変換素子２４と、長手方向を有した複数の接続素子２５とが交互に並列配置され、かつ熱電変換素子２４および接続素子２５が電気的に直列接続された構成を有する。熱電変換素子２４は、「（１）熱電変換素子に用いる反強磁性体について」にて上述した反強磁性体からなり、基板２２の裏面側に当てられた熱流を基に温度差が生じると、異常ネルンスト効果により、面内の微小磁化方向Ａｒ２および熱流方向Ａｒ１と直交する方向（矢印ｘ１方向）に電圧が発生し得る。

ここで、熱電変換素子２４は、長手方向（矢印ｘ１，ｘ２方向）と熱流方向Ａｒ１と直交した方向（矢印ｚ２方向）に向けて面内の微小磁化が向けられている。これにより、熱電変換素子２４では、微小磁化方向Ａｒ２が矢印ｚ２方向であることから、基板２２の裏面側から流れる熱流により温度差が生じると、長手方向に沿って矢印ｘ１方向に電圧が発生し得る。

また、この実施の形態の場合、接続素子２５も、熱電変換素子２４と同様に、「（１）熱電変換素子に用いる反強磁性体について」にて上述した反強磁性体からなり、基板２２の裏面側に当てられた熱流を基に温度差が生じると、異常ネルンスト効果により、面内の微小磁化方向Ａｒ２および熱流方向Ａｒ１と直交し、かつ熱電変換素子２４とは逆方向（矢印ｘ２方向）に電圧が発生し得る。接続素子２５は、長手方向（矢印ｘ１，ｘ２方向）と熱流方向Ａｒ１と直交し、かつ熱電変換素子２４とは逆方向（矢印ｚ１方向）に向けて面内の微小磁化Ｍ_ｓが向けられている。これにより、接続素子２５では、微小磁化方向Ａｒ２が熱電変換素子２４とは逆の矢印ｚ１方向であることから、基板２２の裏面側から流れる熱流により温度差が生じると、長手方向に沿って熱電変換素子２４とは逆の矢印ｘ２方向に電圧が発生し得る。

ここで、隣接する熱電変換素子２４間に配置された接続素子２５は、一の熱電変換素子２４の一端側と、この一の熱電変換素子２４と隣接した他の熱電変換素子２４の他端とを電気的に直列接続しており、一の熱電変換素子２４で発生した電圧を、他の熱電変換素子２４に印加し得る。このようにして発電体２３は、熱電変換素子２４および接続素子２５でそれぞれ電圧が発生し、出力電圧を増大し得る。

かかる構成に加えて、発電体２３は、強磁性体のような強い磁化を持たない反強磁性体により熱電変換素子２４および接続素子２５を形成していることから、熱電変換素子２４および接続素子２５が互いの漏れ磁場の影響を受け難い。そのため、発電体２３では、熱電変換素子２４および接続素子２５間の隙間が極めて小さく、基板２２上に緻密に配置されている。

なお、このような熱電変換デバイス２１は、フォトリソグラフィ技術等を利用して、蛇行状に延びた発電体２３を基板２２上に作製した後、当該発電体２３の形状に合わせてＮ極およびＳ極が予め配置された外部磁場を、作製した発電体２３の表面に近づけることにより、熱電変換素子２４および接続素子２５の面内の微小磁化方向Ａｒ２を制御することで製造できる。

以上の構成において、熱電変換デバイス２１でも、非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなる熱電変換素子２４および接続素子２５を備え、当該熱電変換素子２４および接続素子２５に対して面内の微小磁化方向Ａｒ２と直交する方向に熱流を流して温度差を与える。これにより、熱電変換デバイス１では、異常ネルンスト効果によって、熱電変換素子２４および接続素子２５の面内の微小磁化方向Ａｒ２と直交する熱流方向Ａｒ１に生じる温度差を基に、微小磁化方向Ａｒ２および熱流方向Ａｒ１とそれぞれ直交する方向に電圧を発生させることができる。

熱電変換デバイス２１では、特に、強磁性体のような強い磁化を持たない反強磁性体により熱電変換素子２４および接続素子２５を形成したことにより、強磁性体を用いた従来の熱電変換デバイスよりも、漏れ磁場の発生を格段的に抑止でき、熱電変換素子２４および接続素子２５間の隙間を小さくして高集積化させても、隣接する熱電変換素子２４および接続素子２５へ漏れ磁場による影響が生じることを防止できる。

従って、熱電変換デバイス２１では、隣接する熱電変換素子２４および接続素子２５の漏れ磁場による影響を考慮することなく、熱流が流れる限られた面積内に、熱電変換素子２４および接続素子２５間の隙間を小さくして緻密に配置させることができるので、単位面積当りに、より多くの熱電変換素子２４および接続素子２５を実装でき、かくして、強磁性体を用いた従来の熱電変換デバイスよりも、単位面積当りの発電効率を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態においては、熱電変換素子２４に加えて、接続素子２５も反強磁性体で形成した発電体２３について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば接続素子２５を強磁性体で形成し、熱電変換素子２４だけを反強磁性体で形成した発電体としてもよい。また、発電体２３では、熱電変換素子２４と接続素子２５とを、異なる反強磁性体により形成したり、磁化を持たない導電材料で接続素子２５を形成してもよい。

１、２１ 熱電変換デバイス
２、２４ 熱電変換素子
２２ 基板
２３ 発電体
２５ 接続素子

Claims (6)

1. 非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなる熱電変換素子を備え、
   前記熱電変換素子には、異常ネルンスト効果により、面内の微小磁化方向と直交する方向に生じる温度差により電圧が発生する
   ことを特徴とする熱電変換デバイス。
2. 前記反強磁性体は、Ｍｎ_３Ｓｎ、Ｍｎ_３Ｇｅ，Ｍｎ_３Ｇａのいずれかである
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換デバイス。
3. 前記反強磁性体は、
   立方晶または正方晶になり、かつＭｎおよびＮｉの化合物、
   γ相のＭｎを含む立方晶合金、
   Ｆｅを含む立方晶合金
   の３つのうちいずれかである
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換デバイス。
4. 長手方向を有した前記熱電変換素子と、長手方向を有した接続素子とが交互に並列して配置された発電体を基板上に備えており、
   前記発電体は、
   一の前記熱電変換素子の一端と、前記一の熱電変換素子と隣接した他の前記熱電変換素子の他端とが前記接続素子により電気的に直列接続されており、前記基板上に蛇行状に配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
5. 前記接続素子は、非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなり、
   前記熱電変換素子と前記接続素子とでは、面内の微小磁化方向が逆向きで、温度差により生じる電圧が逆向きに生じる
   ことを特徴とする請求項４に記載の熱電変換デバイス。
6. 非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなり、面内の微小磁化方向と直交する方向に温度差が生じると、異常ネルンスト効果により電圧が発生する、熱電変換素子。

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