JP6948229B2 - 熱電変換装置および熱輸送システム - Google Patents

Description

本発明は、熱電変換装置および熱輸送システムに関する。

近年、熱の有効利用が注目を集めている。特に、半導体装置を含むコンピュータやパワーデバイスは多くの熱を発しており、これらの熱は利用されることなく放出されているため、排熱とよばれる。このような排熱のエネルギー総量は多いにもかかわらず、有効なエネルギー回収技術は確立されていない。

特許文献１（特開２０１２−１８５８９７号公報）には、例えば、半導体チップから発生した熱を、熱電変換素子により電気エネルギーに変換し、電源配線に供給することが記載されている。

特開２０１２−１８５８９７号公報

本願発明者は、熱電変換装置において、熱ゆらぎによって生じる磁気エネルギーを電気エネルギーに変換することを検討している。熱電変換装置の構造を工夫することにより、前記熱電変換装置の性能の向上が望まれる。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態による熱電変換装置は、磁性材料部と、前記磁性材料部の磁化状態の変化を観測する観測部と、前記磁性材料部の磁化状態を制御する制御部と、前記磁性材料部内の磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部と、を備えている。前記磁性材料部は、第１非磁性体層と、前記第１非磁性体層上に形成された第１磁性体層と、前記第１磁性体層上に形成され、前記第１非磁性体層と異なる材料からなる第２非磁性体層とからなり、前記第１磁性体層の膜厚は、第１の方向に向かうに従って厚くなっている。

一実施の形態によれば、熱電変換装置の性能を向上させることができる。

一実施の形態の熱電変換装置の構造を示す平面図である。 一実施の形態の熱電変換装置を図１のＡ−Ａ線に沿って切断した構造を示す断面図である。 （ａ）は、一実施の形態の熱電変換装置を図１のＢ−Ｂ線に沿って切断した構造を示す断面図、（ｂ）は、図３（ａ）に対応するポテンシャル図である。 一実施の形態の磁性材料部に発生するスキルミオンの模式図である。 （ａ）は、一実施の形態の熱電変換装置の動作原理図、（ｂ）は、図５（ａ）に対応するポテンシャル図である。 （ａ）は、図５（ａ）に続く熱電変換装置の動作原理図、（ｂ）は、図６（ａ）に対応するポテンシャル図、（ｃ）は、図６（ｂ）において制御部の電極間に電圧を印加した状態を示すポテンシャル図である。 （ａ）は、図６（ａ）に続く熱電変換装置の動作原理図、（ｂ）は、図７（ａ）に対応するポテンシャル図、（ｃ）は、図７（ｂ）においてさらに制御部の電極間に電圧を印加した状態を示すポテンシャル図、（ｄ）は、図７（ｃ）においてさらにスキルミオンが発生した状態を示すポテンシャル図である。 変形例の熱電変換装置を図１のＡ−Ａ線に相当する位置で切断した構造を示す断面図である。 一実施の形態の熱輸送システムの構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

（実施の形態）
［検討の経緯について］
まず、実施の形態を説明する前に、本発明者が検討した事項について説明する。

前述のように、半導体装置を含むコンピュータやパワーデバイスから発生した排熱の有効なエネルギー回収技術は確立されていない。

例えば、従来から用いられている熱電変換素子に、ゼーベック効果を用いたものが知られている。ゼーベック効果とは、物体の温度差が電圧に直接変換される効果をいう。温度差を利用した熱電変換素子は、温度差を制御する必要があり、放熱構造の工夫など検討する課題も多く、汎用性の高い排熱利用技術としては実用化に至っていない。

そこで、別のアプローチとして、熱により運動する粒子または準粒子を熱のキャリアとして用いて、これらの粒子または準粒子から効率よく電気エネルギーとして取り出すという試みも考えられる。これらの粒子または準粒子を制御することができれば、温度差は必要なくなる。

これらの粒子または準粒子の例として、電子、フォノン（格子振動）やマグノン（スピン波）などが挙げられる。しかし、電子、フォノンやマグノンなどの粒子または準粒子は、熱によって常にランダムに運動しているため制御が難しく、エネルギーを生成する資源としては利用されてこなかった。具体的には、電子やマグノンは、粒子または準粒子としての大きさが小さすぎて、観測するのが難しいという問題がある。また、フォノンでは、電場や磁場による制御が難しいという問題がある。また、磁気構造体である磁区は、その大きさが大きすぎて、系全体と相互作用してしまい、熱ゆらぎ程度のエネルギーでは構造が変化せず、熱のキャリアとしては適していないという問題がある。

以上より、粒子または準粒子をキャリアとして用いて、温度差がない状態で排熱をエネルギーとして回収する熱電変換装置および熱輸送システムが望まれる。

［熱電変換装置の構造について］
図１は、本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１の構造を示す平面図、図２は、本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１を図１のＡ−Ａ線に沿って切断した構造を示す断面図、図３（ａ）は、本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１を図１のＢ−Ｂ線に沿って切断した構造を示す断面図、図３（ｂ）は、本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１の図３（ａ）に対応するポテンシャル図である。

図１では、本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１において、後述する磁性材料部ＭＭ１の上面および変換部ＣＶの上面を示しており、磁性材料部ＭＭ１上の観測部ＯＢおよび制御部ＧＴも併せて示している。一方、観測部ＯＢ、制御部ＧＴおよび変換部ＣＶに接続するための配線、層間絶縁膜、コンタクトプラグおよびパッドなどの図示を省略している。図１に示すように、本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１は、平面視において略長方形状に形成されている。すなわち、熱電変換装置ＨＤ１に含まれる磁性材料部ＭＭ１も、平面視において略長方形状に形成されている。

図２は、本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１を図１のＡ−Ａ線、すなわち磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に沿って切断した構造を示すものである。図２に示すように、本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１は、主面上に絶縁膜ＩＬ１が形成された基板ＳＵＢを備えている。基板ＳＵＢは、例えばシリコンからなる。絶縁膜ＩＬ１は、例えば酸化シリコン膜からなり、基板ＳＵＢを構成するシリコンの熱酸化により形成することができる。基板ＳＵＢは、領域ＡＲ１と領域ＡＲ２とを有している。領域ＡＲ１と領域ＡＲ２とは、同一のＳＵＢの主面の互いに異なる平面領域に対応している。本実施の形態において、領域ＡＲ１には、磁性材料部ＭＭ１が形成されている。また、領域ＡＲ１には、後述する観測部ＯＢと、制御部ＧＴとが形成されている。領域ＡＲ２には、磁性材料部ＭＭ１内の磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部ＣＶが形成されている。領域ＡＲ１において、磁性材料部ＭＭ１上には、観測部ＯＢおよび制御部ＧＴを覆うように絶縁膜ＩＬ２が形成されている。同様に、領域ＡＲ２において、変換部ＣＶ上には、絶縁膜ＩＬ２が形成されている。絶縁膜ＩＬ２は、例えば酸化シリコン膜からなる。

まず、領域ＡＲ１に形成された本実施の形態の磁性材料部ＭＭ１の構造について説明する。磁性材料部ＭＭ１は、第１非磁性体層ＮＭ１と、第１非磁性体層ＮＭ１上に形成された第１磁性体層ＭＧ１と、第１磁性体層ＭＧ１上に形成された第２非磁性体層ＮＭ２とからなる。本実施の形態の第１磁性体層ＭＧ１の膜厚は、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向（第１の方向）に向かうに従って厚くなっている。

第１非磁性体層ＮＭ１は、他の軌道（ｓ軌道、ｐ軌道、ｄ軌道）よりもスピン軌道相互作用が大きいｆ軌道に電子を有する非磁性金属からなり、例えば、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）または金（Ａｕ）からなり、好ましくは白金（Ｐｔ）またはタンタル（Ｔａ）からなる。後述するように、第１非磁性体層ＮＭ１は、観測部ＯＢの電極および制御部の電極も兼ねている。第１磁性体層ＭＧ１は、強い磁気交換相互作用を有する材料、すなわち強磁性体材料からなり、好ましくは鉄（Ｆｅ）やコバルト（Ｃｏ）などの金属またはその合金からなり、より好ましくはＣｏＦｅＢからなる。第２非磁性体層ＮＭ２は、非磁性絶縁体からなり、好ましくは非磁性金属酸化物からなり、より好ましくは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる。

なお、第１非磁性体層ＮＭ１は、非磁性金属からなり、第２非磁性体層ＮＭ２は、非磁性絶縁体からなる場合を例に説明したが、これに限定されず、第１非磁性体層ＮＭ１および第２非磁性体層ＮＭ２は、互いに異なる非磁性体材料から構成すればよい。また、本実施の形態では、磁性材料部ＭＭ１が絶縁膜ＩＬ１上に形成されているが、これに限定されない。

磁性材料部ＭＭ１の長さ寸法は、例えば１μｍ程度であり、磁性材料部ＭＭ１の幅寸法は、例えば５００ｎｍ程度である。第１非磁性体層ＮＭ１の膜厚は、例えば１〜１０ｎｍ程度であり、好ましくは４．５ｎｍ程度である。第２非磁性体層ＮＭ２の膜厚は、例えば１〜１０ｎｍ程度であり、好ましくは１．４ｎｍ程度である。また、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚は、最も薄いところで１〜２ｎｍ程度、最も厚いところで１０ｎｍ程度であり、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚は、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に沿って一定の割合で厚くなっている。

図３（ａ）は、本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１を図１のＢ−Ｂ線、すなわち幅方向に沿って切断した構造を示すものである。図３（ａ）に示すように、本実施の形態の第１磁性体層ＭＧ１の幅方向両端部に、障壁部ＢＡ１，ＢＡ２が形成されている。そして、第１磁性体層ＭＧ１の幅方向中央部に、障壁部ＢＡ１，ＢＡ２に挟まれるように、スキルミオン生成部ＳＰが形成されている。なお、前述の図２は、スキルミオン生成部ＳＰを縦断するように切断した断面図に相当する。

障壁部ＢＡ１，ＢＡ２およびスキルミオン生成部ＳＰは、いずれも第１非磁性体層ＮＭ１と、第１非磁性体層ＮＭ１上に形成された第１磁性体層ＭＧ１と、第１磁性体層ＭＧ１上に形成された第２非磁性体層ＮＭ２とからなる。ただし、障壁部ＢＡ１，ＢＡ２に含まれる第１磁性体層ＭＧ１の膜厚は、スキルミオン生成部ＳＰに含まれる第１磁性体層ＭＧ１の膜厚よりも大きい。本実施の形態では、第２非磁性体層ＮＭ２の上面を障壁部ＢＡ１，ＢＡ２と、スキルミオン生成部ＳＰとで面一、すなわち同じ高さにするために、スキルミオン生成部ＳＰに含まれる第２非磁性体層ＮＭ２の膜厚は、障壁部ＢＡ１，ＢＡ２に含まれる第２非磁性体層ＮＭ２の膜厚よりも大きい。そして、スキルミオン生成部ＳＰに含まれる第１磁性体層ＭＧ１の膜厚と、スキルミオン生成部ＳＰに含まれる第２非磁性体層ＮＭ２の膜厚との合計が、障壁部ＢＡ１，ＢＡ２に含まれる第１磁性体層ＭＧ１の膜厚と、障壁部ＢＡ１，ＢＡ２に含まれる第２非磁性体層ＮＭ２の膜厚との合計と同じである。

スキルミオン生成部ＳＰに含まれる第１磁性体層ＭＧ１の膜厚は、前述したように、最も薄いところで１〜２ｎｍ程度、最も厚いところで１０ｎｍ程度である。図３（ａ）に示すスキルミオン生成部ＳＰに含まれる第１磁性体層ＭＧ１の膜厚は、２〜３ｎｍ程度である。障壁部ＢＡ１，ＢＡ２に含まれる第１磁性体層ＭＧ１の膜厚は、例えば１０〜２０ｎｍ程度である。磁性材料部ＭＭ１の幅寸法に対するスキルミオン生成部ＳＰの占める長さ（スキルミオン生成部ＳＰの幅寸法）は、例えば、１０〜１００ｎｍ程度である。磁性材料部ＭＭ１の幅寸法に対する障壁部ＢＡ１，ＢＡ２の占める長さ（障壁部ＢＡ１，ＢＡ２の幅寸法）は、それぞれ、例えば、１０〜２００ｎｍ程度である。

また、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に沿って、磁性材料部ＭＭ１の磁化状態の変化を観測する観測部ＯＢと、磁性材料部ＭＭ１の磁化状態を制御する制御部ＧＴとが交互に複数設けられている。観測部ＯＢと制御部ＧＴとの間隔は、接しない程度に接近している方が好ましい。磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に沿って設けられた複数の観測部ＯＢを、その下方に存在する第１磁性体層ＭＧ１の膜厚が厚くなる順に、観測部ＯＢ１、ＯＢ２、ＯＢ３と表す。同様に、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に沿って設けられた複数の制御部ＧＴを、その下方に存在する第１磁性体層ＭＧ１の膜厚が厚くなる順に、制御部ＧＴ１、ＧＴ２と表す。なお、本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１は、３つの観測部ＯＢおよび２つの制御部ＧＴを有する場合を例に説明したが、観測部ＯＢおよび制御部ＧＴの数は、限定されない。

次に、本実施の形態の観測部ＯＢの構造について説明する。観測部ＯＢは、平面視において、略長方形状に形成されている。観測部ＯＢは、第１非磁性体層ＮＭ１と、第１非磁性体層ＮＭ１上の第１磁性体層ＭＧ１と、第１磁性体層ＭＧ１上の第２非磁性体層ＮＭ２と、第２非磁性体層ＮＭ２上に形成された第２磁性体層ＭＧ２と、第２磁性体層ＭＧ２上に形成された電極Ｍ１とからなる。第２磁性体層ＭＧ２は、強磁性体からなり、好ましくは鉄（Ｆｅ）やコバルト（Ｃｏ）などの金属またはその合金からなる。電極Ｍ１は、非磁性金属からなり、好ましくは白金（Ｐｔ）またはタンタル（Ｔａ）からなる。第２磁性体層ＭＧ２の膜厚は、例えば１〜１０ｎｍ程度であり、好ましくは４．５ｎｍ程度である。電極Ｍ１の膜厚は、例えば１〜１０ｎｍ程度であり、好ましくは４．５ｎｍ程度である。磁性材料部ＭＭ１の幅寸法と観測部ＯＢ（電極Ｍ１）の長さ寸法とは同じである。磁性材料部ＭＭ１の長さ寸法に対する観測部ＯＢの占める長さ（電極Ｍ１の幅寸法）は、例えば、１０〜５０ｎｍ程度である。

観測部ＯＢに含まれる第１非磁性体層ＮＭ１、第１磁性体層ＭＧ１および第２非磁性体層ＮＭ２は、磁性材料部ＭＭ１に含まれる第１非磁性体層ＮＭ１、第１磁性体層ＭＧ１および第２非磁性体層ＮＭ２と同一である。そして、観測部ＯＢに含まれる第１磁性体層ＭＧ１、第２非磁性体層ＮＭ２および第２磁性体層ＭＧ２がＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction：磁気トンネル接合）素子を構成し、第１非磁性体層ＮＭ１および電極Ｍ１が前記ＭＴＪ素子に電圧を印加するための一対の電極を構成する。

ここで、ＭＴＪ素子とは、磁性体層、障壁層（非磁性絶縁体層）および磁性体層の３層を基本構造とする素子である。障壁層が２つの磁性体層に挟持されることにより、障壁層に磁場が印加される。２つの磁性体層を介して障壁層に電場を印加すると、障壁層にトンネル電流が流れる。ここで、障壁層に流れるトンネル電流は、２つの磁性体層の磁気モーメントの向きに依存する。具体的には、２つの磁性体層の磁化方向が一致する場合、障壁層に流れるトンネル電流は、２つの磁性体層の磁化方向が一致しない場合に比べて小さくなる。すなわち、２つの磁性体層の磁化方向が一致する場合、障壁層の抵抗値は、２つの磁性体層の磁化方向が一致しない場合に比べて大きくなる。その結果、観測部ＯＢを構成するＭＴＪ素子によって、磁性体層の磁化状態を観測することができる。本実施の形態の観測部ＯＢは、後述するように、第１磁性体層ＭＧ１の磁化状態を観測するために設けられている。

なお、本実施の形態の観測部ＯＢは、ＭＴＪ素子を含む場合を例に説明したが、これに限定されず、巨大磁気抵抗素子を含んでいてもよい。この場合は、第２非磁性体層上に強磁性体金属層および非磁性体金属層を交互に積層する。このような構成において、積層した前記磁性体金属層と前記非磁性体金属層との間に電圧を印加すると、第１磁性体層ＭＧ１の磁化状態に応じて、前記磁性体金属層と前記非磁性体金属層との間の抵抗値が変化する。その結果、観測部ＯＢを構成するＭＴＪ素子によって、磁性体層の磁化状態を観測することができる。

次に、本実施の形態の制御部ＧＴの構造について説明する。制御部ＧＴは、平面視において、略長方形状に形成されている。制御部ＧＴは、第１非磁性体層ＮＭ１と、第１非磁性体層ＮＭ１上の第１磁性体層ＭＧ１と、第１磁性体層ＭＧ１上の第２非磁性体層ＮＭ２と、第２非磁性体層ＮＭ２上に形成された電極Ｍ２とからなる。電極Ｍ２は、非磁性金属からなり、好ましくは白金（Ｐｔ）またはタンタル（Ｔａ）からなる。電極Ｍ２の膜厚は、例えば１〜２０ｎｍ程度であり、好ましくは１０ｎｍ程度である。磁性材料部ＭＭ１の幅寸法と制御部ＧＴ（電極Ｍ２）の長さ寸法とは同じである。また、磁性材料部ＭＭ１の長さ寸法に対する制御部ＧＴの占める長さ（電極Ｍ２の幅寸法）は、例えば、１０〜５０ｎｍ程度である。

制御部ＧＴに含まれる第１非磁性体層ＮＭ１、第１磁性体層ＭＧ１および第２非磁性体層ＮＭ２は、磁性材料部ＭＭ１に含まれる第１非磁性体層ＮＭ１、第１磁性体層ＭＧ１および第２非磁性体層ＮＭ２と同一である。そして、制御部ＧＴに含まれる第１非磁性体層ＮＭ１および電極Ｍ２が、第１磁性体層ＭＧ１および第２非磁性体層ＮＭ２に電圧を印加するための一対の電極を構成する。

ここで、制御部ＧＴに含まれる第１非磁性体層ＮＭ１と電極Ｍ２との間に電圧を印加すると、第１磁性体層ＭＧ１と第２非磁性体層ＮＭ２との界面に電圧が印加される。これにより、第１磁性体層ＭＧ１と第２非磁性体層ＮＭ２との界面の磁気異方性が変化し、第１磁性体層ＭＧ１の磁化状態が変調される。以上より、本実施の形態の制御部ＧＴは、第１磁性体層ＭＧ１の磁化状態を変調して、第１磁性体層ＭＧ１内の磁気的安定性を制御することができる。第１磁性体層ＭＧ１と第２非磁性体層ＮＭ２との界面に印加する電圧の大きさは、例えば、１０〜１０００Ｖ程度である。

特に、１〜２ｎｍ程度のＣｏＦｅＢからなる第１磁性体層ＭＧ１上にＭｇＯからなる第２非磁性体層ＮＭ２を積層することによって、第１磁性体層ＭＧ１が面直方向（第１磁性体層ＭＧ１の厚さ方向）に磁気異方性を有する。そのため、第１磁性体層ＭＧ１の厚さ方向上部に形成された制御部ＧＴの電極間（第１非磁性体層ＮＭ１と電極Ｍ２との間、以下同じ）に電圧を印加すると、第１磁性体層ＭＧ１の磁化状態を効率よく変調することができる。

なお、図示しないが、制御部ＧＴには、観測部ＯＢとの間で信号電流の入出力を行うフィードバック回路が形成され、観測部ＯＢと電気的に接続されている。具体的には、観測部ＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３の各電極間（第１非磁性体層ＮＭ１と観測部ＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３の各電極Ｍ１との間、以下同じ）に約１〜５０ｎｓ周期で電圧を印加する／しないを繰り返して、観測部ＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３を稼働させる。これにより観測部ＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３が形成された領域の第１磁性体層ＭＧ１の磁化状態を約１〜５０ｎｓ間隔で観測する。そして、前記フィードバック回路は、観測部ＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３による第１磁性体層ＭＧ１の磁化状態の観測結果に基づいて、制御部ＧＴ１，ＧＴ２への電圧の印加を制御することができる。

次に、領域ＡＲ２に形成された本実施の形態の変換部ＣＶの構造について説明する。変換部ＣＶは、電極Ｍ３からなる。電極Ｍ３は、他の軌道（ｓ軌道、ｐ軌道、ｄ軌道）よりもスピン軌道相互作用が大きいｆ軌道に電子を有する非磁性金属からなり、例えば、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）または金（Ａｕ）からなり、好ましくは白金（Ｐｔ）またはタンタル（Ｔａ）からなる。電極Ｍ３は、平面視において、略長方形状に形成され、領域ＡＲ１に形成された磁性材料部ＭＭ１に含まれる第１磁性体層ＭＧ１と、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向端部に沿って接している。特に、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚が、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に向かうに従って厚くなっているため、変換部ＣＶは、第１磁性体層ＭＧ１の長さ方向端部のうち、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚が最も大きい側に設けられている。

なお、電極Ｍ３は、領域ＡＲ１に形成された第１非磁性体層ＮＭ１とは電気的に接していない。電極Ｍ３の膜厚は、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚と同じであることが好ましい。変換部ＣＶは、磁気構造体（例えば、後述するスキルミオン）を逆スピンホール効果により電圧（起電力）に変換することができる。具体的には、第１磁性体層ＭＧ１に存在する磁気構造体が電極Ｍ３に接触すると、電極Ｍ３には、磁気構造体の磁気モーメントの方向と垂直な方向に起電力が発生する。

以上より、本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１は、熱ゆらぎによって磁性材料部ＭＭ１に生じる磁気構造体を変換部ＣＶによって起電力に変換することによって、熱を磁気エネルギー経由で電気エネルギーとして取り出すことができる。

なお、磁気エネルギーをそのまま利用するために、変換部ＣＶの代わりに、スキルミオンによってスピン波を励起し、このスピン波をＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory：磁気抵抗メモリ）の書込または消去に用いるということも可能である。

［主要な特徴と効果について］
本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１の主要な特徴は、図２に示すように、磁性材料部ＭＭ１と、磁性材料部ＭＭ１の磁化状態の変化を観測する観測部ＯＢと、磁性材料部ＭＭ１の磁化状態を制御する制御部ＧＴと、磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部ＣＶとを備えることである。そして、観測部ＯＢと制御部ＧＴとは、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に沿って、交互に複数設けられている。そして、磁性材料部ＭＭ１は、第１非磁性体層ＮＭ１、第１磁性体層ＭＧ１および第２非磁性体層ＮＭ２からなり、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚は、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に向かうに従って厚くなっている。そして、変換部ＣＶは、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向端部のうち、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚が最も大きい側に設けられている。

本実施の形態では、このような構成を採用したことにより、温度差がない状態で排熱をエネルギーとして回収することができる。以下、その理由について具体的に説明する。

図４は本実施の形態の磁性材料部に生成するスキルミオンの模式図、図５（ａ）、図６（ａ）および図７（ａ）は本実施の形態の熱電変換装置の動作原理図、図５（ｂ）、図６（ｂ）および図７（ｂ）は本実施の形態の熱電変換装置において、図５（ａ）、図６（ａ）および図７（ａ）にそれぞれ対応するポテンシャル図である。また、図６（ｃ）は、図６（ｂ）において、制御部の電極間に電圧を印加した状態を示すポテンシャル図である。図７（ｃ）は、図７（ｂ）において、制御部の電極間に電圧を印加した状態を示すポテンシャル図である。図７（ｄ）は、図７（ｃ）においてさらにスキルミオンが発生した状態を示すポテンシャル図である。

前述したように、熱によって常にランダムに運動している粒子または準粒子を、熱のキャリアとして用いるため、本発明者は、磁気構造体の一つであるスキルミオン（skyrmion：磁気スキルミオン、スカーミオンともよばれる）に着目した。図４に示すように、スキルミオンは、直径Ｄが数ｎｍ〜数百ｎｍの大きさの渦状の磁気構造体である。スキルミオンは磁性薄膜中で有限な質量を有する安定な準粒子として振る舞うことが知られている。スキルミオンが好ましい理由としては、（１）スキルミオンが観測しやすいある程度の大きさを持つこと、（２）スキルミオンが熱ゆらぎ程度のエネルギーにより生成し、常温である程度安定して存在すること、（３）スキルミオンが電場や磁場によって容易に制御できることなどが挙げられる。

スキルミオンを生成させるには、磁性体層（磁性体薄膜）を２つの非磁性体層（非磁性体薄膜）で挟持した構造が必要である。磁性体層は、強い磁気交換相互作用を有する材料、すなわち強磁性体材料により構成する必要がある。また、２つの非磁性体層は、互いに異なる材料により構成し、少なくとも一方の非磁性体層は、他の軌道（ｓ軌道、ｐ軌道、ｄ軌道）よりもスピン軌道相互作用の大きいｆ軌道に電子を有する非磁性体材料により構成する必要がある。

まず、磁性体層を強磁性体材料により構成することで、磁性体層は、結晶磁気異方性を有し、磁気モーメントが平行に揃った磁化状態となる。また、異なる材料からなる２つの非磁性体層により磁性体層を挟持することにより、２つの磁性体層−非磁性体層界面は、空間的に非対称となる（反転対称性をもたない）。空間的に非対称な界面が形成されると、非磁性体層のスピン軌道相互作用により、磁性体層−非磁性体層界面付近にジャロシンスキー・守谷相互作用が生じる。ジャロシンスキー・守谷相互作用は、磁性体層−非磁性体層界面において、磁性体層に働く磁気交換相互作用を変調させる。特に、磁性体層が数原子層で形成された薄膜である場合には、界面から磁性体層の表面までジャロシンスキー・守谷相互作用が及ぶ。変調された磁気交換相互作用により、磁性体層の磁気モーメントは、平行に揃うよりも捩れた状態が安定となる。このようにして、磁性体層中にスキルミオンが生成する。

本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１は、磁性材料部ＭＭ１内にスキルミオンを生成させるのに適した構造を有している。すなわち、磁性材料部ＭＭ１は、第１非磁性体層ＮＭ１、第１磁性体層ＭＧ１および第２非磁性体層ＮＭ２からなる。そして、第１磁性体層ＭＧ１は、強磁性体材料からなる。さらに、第１非磁性体層ＮＭ１は、他の軌道（ｓ軌道、ｐ軌道、ｄ軌道）よりもスピン軌道相互作用の大きいｆ軌道に電子を有する非磁性金属からなる。そして、第１非磁性体層ＮＭ１と第２非磁性体層ＮＭ２とは異なる材料からなる。こうすることで、第１非磁性体層ＮＭ１および第１磁性体層ＭＧ１の界面と、第１磁性体層ＭＧ１および第２非磁性体層ＮＭ２の界面とは、空間的に非対称となり、第１磁性体層ＭＧ１に働く磁気交換相互作用がジャロシンスキー・守谷相互作用により変調される。その結果、図４および図５（ａ）に示すように、第１磁性体層ＭＧ１中にスキルミオンＳＫが生成する。

なお、本実施の形態の磁性材料部ＭＭ１は、ＣｏＦｅＢからなる第１磁性体層ＭＧ１と酸化マグネシウムからなる第２非磁性体層ＮＭ２との積層構造を有している。こうすることで、第１磁性体層ＭＧ１は面直方向（第１磁性体層ＭＧ１の厚さ方向）に磁気異方性を有する。すなわち、図４に示すように、第１磁性体層ＭＧ１中の磁気モーメントは垂直方向（図４中ｚ軸方向）に揃った磁化状態となる。その結果、この状態で第１磁性体層ＭＧ１にジャロシンスキー・守谷相互作用が及ぶと、第１磁性体層ＭＧ１中にスキルミオンＳＫが生成しやすくなる。

この第１磁性体層ＭＧ１中に生成したスキルミオンＳＫを変換部ＣＶまで移動させることができれば、磁気エネルギーを電気エネルギーとして取り出すことができる。ただし、スキルミオンＳＫが等方的なポテンシャル中を移動するだけでは、利得が得られない。また、第１磁性体層ＭＧ１に生成したスキルミオンＳＫは、第１磁性体層ＭＧ１中を熱ゆらぎによってランダムに移動するため、スキルミオンＳＫが変換部ＣＶまで移動する確率は低い。そこで、スキルミオンが持つ磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を高めるため、本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１は以下の特徴を有している。

まず、スキルミオンに対して、非等方的なポテンシャルを用意する。前述したように、スキルミオンは、磁気交換相互作用とジャロシンスキー・守谷相互作用との競合により生成するため、どちらかの相互作用が大きくなりすぎると、スキルミオンが安定して存在しなくなる。そこで、スキルミオンが安定に存在できる範囲で、磁気交換相互作用またはジャロシンスキー・守谷相互作用のいずれかを徐々に大きくできるような構造を形成することができれば、スキルミオンに対して非等方的なポテンシャルを形成できる。

そこで、図２に示すように、本実施の形態では、第１非磁性体層ＮＭ１の膜厚を一定にしつつ、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚を磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に向かうに従って厚くなるように構成している。第１磁性体層ＭＧ１は、強磁性体材料からなるため、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚が大きくなるにつれて、磁気交換相互作用が大きくなる。すなわち、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚が大きくなるにつれて、スキルミオンＳＫに対するポテンシャルが大きくなる。そのため、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に沿って、スキルミオンＳＫに対するポテンシャル勾配を形成することができる。

その結果、第１磁性体層ＭＧ１に生成したスキルミオンＳＫは、熱ゆらぎにより第１磁性体層ＭＧ１中をランダムに移動するが、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚の大きい箇所へ移動すればするほど、スキルミオンＳＫのもつ磁気エネルギーが大きくなる。例えば、図５（ａ）および図６（ａ）に示すように、スキルミオンＳＫが第１磁性体層ＭＧ１の観測部ＯＢ１が形成された領域（以下、観測部ＯＢ１形成領域と称する）から観測部ＯＢ２が形成された領域（以下、観測部ＯＢ２形成領域と称する）に移動すると、図５（ｂ）および図６（ｂ）に示すように、スキルミオンＳＫのもつ磁気エネルギーが上昇することがわかる。

次に、図２に示すように、本実施の形態では、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に沿って、複数の観測部ＯＢを設けている。前述したように、本実施の形態の観測部ＯＢは、第１磁性体層ＭＧ１の磁化状態を観測するためのものである。具体的な観測方法は以下の通りである。図５（ａ）に示すように、第１磁性体層ＭＧ１中にスキルミオンＳＫが生成した場合を考える。この際、観測部ＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３の各電極間に電圧を印加する。その結果、スキルミオンＳＫが存在する観測部ＯＢ１では、スキルミオンＳＫが存在しないときに比べて、観測部ＯＢ１の電極間の抵抗値が小さくなる。これにより、第１磁性体層ＭＧ１中の観測部ＯＢ１形成領域にスキルミオンＳＫが存在することがわかる。

また、図６（ａ）に示すように、第１磁性体層ＭＧ１中に生成したスキルミオンＳＫが、観測部ＯＢ１形成領域から観測部ＯＢ２形成領域に移動した場合を考える。前述と同様に、観測部ＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３の各電極Ｍ１に電圧を印加する。その結果、スキルミオンＳＫが存在しなくなった観測部ＯＢ１では、観測部ＯＢ１の電極間の抵抗値が増大し、スキルミオンＳＫが存在する観測部ＯＢ２では、観測部ＯＢ２の電極間の抵抗値が減少する。これにより、第１磁性体層ＭＧ１中の観測部ＯＢ１形成領域から観測部ＯＢ２形成領域へとスキルミオンＳＫが移動したことがわかる。

また、図７（ａ）に示すように、第１磁性体層ＭＧ１中に生成したスキルミオンＳＫが、観測部ＯＢ２形成領域から観測部ＯＢ３が形成された領域（以下、観測部ＯＢ３形成領域と称する）に移動した場合を考える。前述と同様に、観測部ＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３の各電極Ｍ１に電圧を印加する。その結果、スキルミオンＳＫが存在しなくなった観測部ＯＢ２では、観測部ＯＢ２の電極間の抵抗値が増大し、スキルミオンＳＫが存在する観測部ＯＢ３では、観測部ＯＢ３の電極間の抵抗値が減少する。また、スキルミオンＳＫが存在しない観測部ＯＢ１では、観測部ＯＢ１の電極間の抵抗値は変化しない。これにより、第１磁性体層ＭＧ１中の観測部ＯＢ２形成領域から観測部ＯＢ３形成領域へとスキルミオンＳＫが移動したことがわかる。

以上のように、磁性材料部ＭＭ１の磁化構造を、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に沿って設けた観測部ＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３によって観測することによって、磁性材料部ＭＭ１内におけるスキルミオンＳＫの生成およびスキルミオンＳＫの移動を把握することができる。なお、前述のように、熱電変換装置ＨＤ１の観測部ＯＢの数は限定されないが、少なくとも３箇所の観測部ＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３が形成されていることが好ましい。スキルミオンＳＫの検出を容易かつ正確に行うためには、複数の観測部ＯＢ間の間隔寸法はできるだけ短い方が好ましい。

次に、図２に示すように、本実施の形態では、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に沿って、複数の制御部ＧＴを設けている。特に、制御部ＧＴは、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に沿って、観測部ＯＢと交互に配置されている。前述したように、本実施の形態の制御部ＧＴは、第１磁性体層ＭＧ１の磁化状態を変調して、第１磁性体層ＭＧ１内の磁気的安定性を制御するためのものである。

この磁気的安定性の具体的な制御方法は以下の通りである。図６（ａ）に示すように、スキルミオンＳＫが、第１磁性体層ＭＧ１中の観測部ＯＢ２形成領域に存在するとする。このときのスキルミオンＳＫに対するポテンシャルは、図６（ｂ）に示される。ここで、制御部ＧＴ１の電極間に電圧を印加する。これにより、図６（ｃ）に示すように、第１磁性体層ＭＧ１と第２非磁性体層ＮＭ２との界面の磁気異方性が変化し、第１磁性体層ＭＧ１中の制御部ＧＴ１が形成された領域（以下、制御部ＧＴ１形成領域と称する）のスキルミオンＳＫに対するポテンシャルが上昇する。すなわち、制御部ＧＴ１の電極間に電圧を印加すると、スキルミオンＳＫが第１磁性体層の制御部ＧＴ１形成領域に侵入することが難しくなる。

一方、制御部ＧＴ１の電極間に電圧を印加するのをやめると、制御部ＧＴ１形成領域のスキルミオンＳＫに対するポテンシャルは低下し、図６（ｂ）に示すように、制御部ＧＴ１への電圧印加前の状態に戻る。このように、制御部ＧＴ１は、制御部ＧＴ１の電極間への電圧印加により、スキルミオンＳＫの第１磁性体層ＭＧ１中の移動を制御するゲートとして作用する。以下、制御部ＧＴ２に関しても、同様の機構により、第１磁性体層ＭＧ１の磁気的安定性を制御することができる。

以下、制御部ＧＴによって、スキルミオンＳＫを制御する具体例を説明する。図６（ａ）に示すように、第１磁性体層ＭＧ１中に生成したスキルミオンＳＫが、観測部ＯＢ１形成領域から観測部ＯＢ２形成領域に移動した場合を考える。図６（ｂ）に示すように、観測部ＯＢ２形成領域に移動したスキルミオンＳＫは、観測部ＯＢ１形成領域に存在したスキルミオン（以下、スキルミオンＳＫ１０１と称する）よりもエネルギーが大きくなっている。

この際、前述のように、制御部ＧＴが、観測部ＯＢの観測結果に基づいて、スキルミオンＳＫが、第１磁性体層ＭＧ１中の観測部ＯＢ２形成領域に存在することを把握すると、観測部ＯＢ２形成領域よりも小さいポテンシャルエネルギー側にある制御部ＧＴ１の電極間に電圧を印加する。これにより、図６（ｃ）に示すように、第１磁性体層ＭＧ１中の制御部ＧＴ１形成領域のスキルミオンＳＫに対するポテンシャルが上昇する。すなわち、制御部ＧＴ１の電極間に電圧を印加すると、スキルミオンＳＫが第１磁性体層の制御部ＧＴ１形成領域に侵入することが難しくなり、スキルミオンＳＫは、観測部ＯＢ２形成領域よりも小さいポテンシャルエネルギー側に移動する確率が非常に低くなる。その結果、スキルミオンＳＫが観測部ＯＢ１形成領域に戻ることができないため、スキルミオンＳＫ１０１とスキルミオンＳＫとのエネルギー差、すなわち、スキルミオンＳＫが第１磁性体層ＭＧ１中の観測部ＯＢ１形成領域から観測部ＯＢ２形成領域に移動するために吸収した熱が利得ΔＥ１としてスキルミオンＳＫに蓄積されたことになる。

また、図７（ａ）に示すように、第１磁性体層ＭＧ１中に生成したスキルミオンＳＫが、観測部ＯＢ２形成領域から観測部ＯＢ３形成領域に移動した場合を考える。図７（ｂ）に示すように、観測部ＯＢ３形成領域に移動したスキルミオンＳＫは、観測部ＯＢ２形成領域に存在したスキルミオン（以下、スキルミオンＳＫ１０２と称する）よりもエネルギーが大きくなっている。

この際、前述と同様に、制御部ＧＴが、観測部ＯＢの観測結果に基づいて、スキルミオンＳＫが、第１磁性体層ＭＧ１中の観測部ＯＢ３形成領域に存在することを把握すると、観測部ＯＢ３形成領域よりも小さいポテンシャルエネルギー側にある制御部ＧＴ２の電極間に電圧を印加する。これにより、図７（ｃ）に示すように、前述と同様に制御部ＧＴ２が形成された領域（以下、制御部ＧＴ２形成領域）のスキルミオンＳＫに対するポテンシャルが上昇し、スキルミオンＳＫは、観測部ＯＢ３形成領域よりも小さいポテンシャルエネルギー側に移動する確率が非常に低くなる。その結果、スキルミオンＳＫが観測部ＯＢ２形成領域に戻ることができないため、スキルミオンＳＫ１０２とスキルミオンＳＫとのエネルギー差、すなわち、スキルミオンＳＫが第１磁性体層ＭＧ１中の観測部ＯＢ２形成領域から観測部ＯＢ３形成領域に移動するために吸収した熱が利得ΔＥ２としてスキルミオンＳＫに蓄積されたことになる。なお、スキルミオンＳＫが第１磁性体層ＭＧ１中の観測部ＯＢ２形成領域から観測部ＯＢ１形成領域に戻ってしまうことがないように、制御部ＧＴ２の電極間に電圧を印加するまでは、制御部ＧＴ１の電極間に電圧をかけた状態を維持することが好ましい。

以上のように、磁性材料部ＭＭ１の磁気的安定性を、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向に沿って設けた制御部ＧＴ１，ＧＴ２によって制御することによって、磁性材料部ＭＭ１内におけるスキルミオンＳＫの移動を制御することができる。

次に、図２に示すように、本実施の形態では、変換部ＣＶは、磁性材料部ＭＭ１の長さ方向端部のうち、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚が最も大きい側に隣接して設けている。前述のように、第１磁性体層ＭＧ１中の観測部ＯＢ３形成領域に存在するスキルミオンＳＫは、制御部ＧＴ２により観測部ＯＢ２形成領域に移動する確率が非常に低くなっている。そのため、スキルミオンＳＫは、第１磁性体層ＭＧ１の観測部ＯＢ３形成領域に隣接する変換部ＣＶの電極Ｍ３に接触する確率が高くなっている。スキルミオンＳＫが電極Ｍ３に接触した場合には、逆スピンホール効果によりスキルミオンＳＫが消滅すると共に、電極Ｍ３に起電力が発生する。以上のように、観測部ＯＢ３形成領域に隣接する変換部ＣＶによって、スキルミオンＳＫのもつ磁気エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。前述のように、スキルミオンＳＫが第１磁性体層ＭＧ１中の観測部ＯＢ１形成領域から観測部ＯＢ３形成領域に移動し、その後に変換部ＣＶに到達したとすれば、図７（ｃ）に示すように、スキルミオンに蓄積された利得ΔＥ３を電気エネルギーとして取り出すことができる。

以上をまとめると、本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１は、スキルミオンＳＫの移動方向にポテンシャル勾配を有する第１磁性体層ＭＧ１中をスキルミオンＳＫが移動できるようにすることで、スキルミオンＳＫのもつエネルギーを変化させることができる。そして、観測部ＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３によってスキルミオンＳＫの移動を観測しながら制御部ＧＴ１，ＧＴ２によってスキルミオンＳＫの移動を制御することで、スキルミオンＳＫにエネルギーを蓄積することができる。そして、スキルミオンＳＫに蓄積されたエネルギーを変換部ＣＶにより、電気エネルギーとして取り出すことができる。このようにして、本実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１は、温度差がない状態で熱をエネルギーとして回収することができる。

なお、第１磁性体層ＭＧ１に１つのスキルミオンＳＫが存在する場合を例に説明したが、これに限定されず、第１磁性体層ＭＧ１には、複数のスキルミオンを同時に存在させることができる。例えば、図７（ｄ）に示すように、第１磁性体層ＭＧ１中の観測部ＯＢ１形成領域に、新たなスキルミオンＳＫ２が生成した場合を考える。この場合は、制御部ＧＴ２の電極間に電圧を印加してスキルミオンＳＫを観測部ＯＢ３形成領域に閉じ込めながら、スキルミオンＳＫ２が、観測部ＯＢ２形成領域に移動するのを観測する。そして、その観測結果に基づいて、制御部ＧＴ１の電極間に電圧を印加して、スキルミオンＳＫ２を観測部ＯＢ２形成領域に閉じ込める。このようにして、複数のスキルミオンを同時に制御することができる。ただし、スキルミオンＳＫを容易に制御するという観点から、スキルミオンＳＫは、第１磁性体層ＭＧ１中の観測部ＯＢが形成された領域ごとに１つずつ生成させることが好ましい。第１非磁性体層ＮＭ１、第１磁性体層ＭＧ１および第２非磁性体層ＮＭ２のそれぞれの膜厚を最適化することにより、第１磁性体層ＭＧ１中の観測部ＯＢが形成された領域ごとに１つずつ生成させることができる。

また、図３（ａ）に示すように、本実施の形態では、第１磁性体層ＭＧ１の幅方向両端に、障壁部ＢＡ１，ＢＡ２が形成され、第１磁性体層ＭＧ１の幅方向中央に、障壁部ＢＡ１，ＢＡ２に挟まれるように、スキルミオン生成部ＳＰが形成されている。そして、障壁部ＢＡ１，ＢＡ２に含まれる第１磁性体層ＭＧ１の膜厚は、スキルミオン生成部ＳＰに含まれる第１磁性体層ＭＧ１の膜厚よりも大きい。前述のように、第１磁性体層ＭＧ１は、強磁性体材料からなるため、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚が大きくなると、磁気交換相互作用が大きくなる。すなわち、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚が大きくなると、スキルミオンＳＫに対するポテンシャルが大きくなる。

そのため、図３（ｂ）に示すように、磁性材料部ＭＭ１の幅方向において、障壁部ＢＡ１，ＢＡ２が形成された領域（以下、障壁部ＢＡ１，ＢＡ２形成領域と称する）のスキルミオンＳＫに対するポテンシャルの大きさが、スキルミオン生成部ＳＰが形成された領域（以下、スキルミオン生成部ＳＰ形成領域と称する）に比べて大きくなる（いわゆる井戸型ポテンシャル）。これにより、第１磁性体層ＭＧ１に存在するスキルミオンＳＫは、磁性材料部ＭＭ１の幅方向において、スキルミオン生成部ＳＰ形成領域には安定して存在できる一方、障壁部ＢＡ１，ＢＡ２形成領域に侵入することが難しくなる。

その結果、本実施の形態の磁性材料部ＭＭ１では、第１磁性体層ＭＧ１に生成したスキルミオンＳＫを第１磁性体層ＭＧ１の幅方向において、スキルミオン生成部ＳＰ形成領域に閉じ込めることができる。そのため、スキルミオンＳＫを第１磁性体層ＭＧ１の長さ方向に沿って安定して移動させることができる。

［変形例］
上記実施の形態の変形例である熱電変換装置ＨＤ２について、図８を参照して説明する。図８は、変形例の熱電変換装置ＨＤ２の図１のＡ−Ａ線に相当する位置での断面図である。

図８に示す変形例の熱電変換装置ＨＤ２は、基板ＳＵＢと、基板ＳＵＢ上に形成された絶縁膜ＩＬ１とを有しており、これは、上記実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１と同様である。

変形例の熱電変換装置ＨＤ２の場合は、磁性材料部ＭＭ２の構成が上記実施の形態の磁性材料部ＭＭ１の構成と異なる。具体的には、磁性材料部ＭＭ２は、第１非磁性体層ＮＭ１、第１磁性体層ＭＧ１および第２非磁性体層ＮＭ２により構成されている点は、磁性材料部ＭＭ１と同じである。一方、磁性材料部ＭＭ２に含まれる第１非磁性体層ＮＭ１の膜厚が磁性材料部ＭＭ２の長さ方向（第１の方向）に向かうに従って厚くなるように構成され、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚は、磁性材料部ＭＭ２の長さ方向に沿って一定である点が、上記実施の形態の磁性材料部ＭＭ１と異なる。

第１磁性体層ＭＧ１の膜厚は、例えば１〜１０ｎｍ程度であり、好ましくは１．３ｎｍ程度である。第２非磁性体層ＮＭ２の膜厚は、例えば１〜１０ｎｍ程度であり、好ましくは１．４ｎｍ程度である。また、第１非磁性体層ＮＭ１の膜厚は、最も薄いところで１〜２ｎｍ程度、最も厚いところで１０ｎｍ程度であり、第１非磁性体層ＮＭ１の膜厚は、磁性材料部ＭＭ２の長さ方向に沿って一定の割合で厚くなっている。なお、変形例の熱電変換装置ＨＤ２のスキルミオンＳＫに対するポテンシャル勾配は、図５（ｂ）に示す上記実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１のスキルミオンＳＫに対するポテンシャル勾配と同様である。

前述したように、スキルミオンは、磁気交換相互作用とジャロシンスキー・守谷相互作用との競合により生成するため、どちらかの相互作用が大きくなりすぎると、スキルミオンが安定して存在しなくなる。第１非磁性体層ＮＭ１は、他の軌道（ｓ軌道、ｐ軌道、ｄ軌道）よりもスピン軌道相互作用定数の大きいｆ軌道に電子を有する非磁性金属からなるため、第１非磁性体層ＮＭ１の膜厚が大きくなるにつれて、ジャロシンスキー・守谷相互作用が大きくなる。すなわち、第１非磁性体層ＮＭ１の膜厚が大きくなるにつれて、スキルミオンＳＫに対するポテンシャルが大きくなる。そのため、変形例の熱電変換装置ＨＤ２では、磁性材料部ＭＭ２に含まれる第１非磁性体層ＮＭ１の膜厚が磁性材料部ＭＭ２の長さ方向に向かうに従って厚くなるように構成することで、上記実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１と同様に、磁性材料部ＭＭ２の長さ方向に沿って、スキルミオンＳＫに対するポテンシャル勾配を形成することができる。

上記実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１は、第１磁性体層ＭＧ１の膜厚を、長さ方向に沿って変化させているのに対して、変形例の熱電変換装置ＨＤ２は、第１非磁性体層ＮＭ１の膜厚を、長さ方向に沿って変化させている。このため、後述する熱輸送システムＨＳのように、同一の基板ＳＵＢ上に半導体装置ＳＤを形成する際の製造工程における製造コストや工程の容易さなどに応じて、上記実施の形態の熱電変換装置ＨＤ１と上記変形例の熱電変換装置ＨＤ２とを任意に選択することができる。

［熱輸送システムの構造について］
本実施の形態の熱輸送システムＨＳについて説明する。図９は、本実施の形態の熱輸送システムＨＳの構成図である。図９に示すように、本実施の形態の熱輸送システムＨＳは、熱を発生する半導体装置ＳＤと、半導体装置ＳＤを冷却する冷却装置ＣＤと、上記熱電変換装置ＨＤ１と、熱電変換装置ＨＤ１から出力された電気エネルギーを蓄積するエネルギー蓄積装置ＥＳとを備えている。図示しないが、熱輸送システムＨＳを構成する半導体装置ＳＤ、熱電変換装置ＨＤ１、エネルギー蓄積装置ＥＳおよび冷却装置ＣＤは、同一の基板ＳＵＢ上に形成されていてもよいし、それぞれ別の基板に形成されていてもよい。ただし、半導体装置ＳＤ、熱電変換装置ＨＤ１、エネルギー蓄積装置ＥＳおよび冷却装置ＣＤのそれぞれの装置間で熱や電気エネルギーのやり取りを効率よく行うためには、同一の基板ＳＵＢ上に形成されていることが好ましい。

半導体装置ＳＤは、例えばメモリを有する半導体装置、または、スイッチング素子を構成する半導体装置である。半導体装置ＳＤが、例えばメモリを有する場合、前記メモリへの読み／書きにより、半導体装置ＳＤから熱が発生する。また、半導体装置ＳＤが、パワーデバイスのスイッチング素子を構成する場合も、半導体装置ＳＤから熱が発生する。

冷却装置ＣＤは、例えば、循環冷却媒体（冷媒）を使用した液冷式の冷却器または冷却ファンなどの冷却装置である。

エネルギー蓄積装置ＥＳは、供給された電気エネルギーを蓄積する装置である。エネルギー蓄積装置ＥＳは、例えばキャパシタおよび充電回路を有し、供給された電気エネルギーをキャパシタに蓄積して、必要に応じて電気エネルギーを出力する装置である。

以下、本実施の形態の熱輸送システムＨＳの動作について説明する。まず、半導体装置ＳＤの動作により、半導体装置ＳＤから熱が発生する。次に、この熱を熱電変換装置ＨＤ１に供給する。その後、前述のように熱電変換装置ＨＤ１により、供給した熱から電気エネルギーが取り出される。

続いて、熱電変換装置ＨＤ１から出力された電気エネルギーをエネルギー蓄積装置ＥＳに供給し、電気エネルギーを蓄積する。エネルギー蓄積装置ＥＳに蓄積された電気エネルギーは、冷却装置ＣＤまたは半導体装置ＳＤに供給される。冷却装置ＣＤは、エネルギー蓄積装置ＥＳから供給された電気エネルギーによって動作し、半導体装置ＳＤを冷却する。また、エネルギー蓄積装置ＥＳから半導体装置ＳＤに供給された電気エネルギーは、半導体装置ＳＤの動作に再利用される。

以上より、本実施の形態の熱輸送システムＨＳは、半導体装置ＳＤから発生した熱を電気エネルギーとして半導体装置ＳＤの冷却および半導体装置ＳＤの動作に効率よく利用することができる。その結果、本実施の形態の熱輸送システムＨＳは、排熱をエネルギーとして効率よく回収することができる。

なお、本実施の形態のエネルギー蓄積装置ＥＳは、熱電変換装置ＨＤ１の一部として構成してもよい。また、本実施の形態の熱輸送システムＨＳには、熱電変換装置ＨＤ１のかわりに上記変形例の熱電変換装置ＨＤ２を採用してもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

ＢＡ１，ＢＡ２ 障壁部
ＣＤ 冷却装置
ＣＶ 変換部
ＥＳ エネルギー蓄積装置
ＧＴ，ＧＴ１，ＧＴ２ 制御部
ＨＤ１，ＨＤ２ 熱電変換装置
ＨＳ 熱輸送システム
ＩＬ１，ＩＬ２ 絶縁膜
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ 電極
ＭＧ１ 第１磁性体層
ＭＧ２ 第２磁性体層
ＭＭ１，ＭＭ２ 磁性材料部
ＮＭ１ 第１非磁性体層
ＮＭ２ 第２非磁性体層
ＯＢ，ＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３ 観測部
ＳＤ 半導体装置
ＳＫ，ＳＫ２ スキルミオン
ＳＰ スキルミオン生成部
ＳＵＢ 基板

Claims (15)

1. 磁性材料部と、
   前記磁性材料部の磁化状態の変化を観測する観測部と、
   前記磁性材料部の磁化状態を制御する制御部と、
   前記磁性材料部内の磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部と、
   を備え、
   前記磁性材料部は、非磁性体からなる第１非磁性体層と、前記第１非磁性体層上に形成され、磁性体からなる第１磁性体層と、前記第１磁性体層上に形成され、前記第１非磁性体層と異なる非磁性体からなる第２非磁性体層とからなり、
   前記第１磁性体層の膜厚は、第１の方向に向かうに従って厚くなっており、
   前記第１の方向は、平面視において前記変換部に向かう方向である、熱電変換装置。
2. 請求項１記載の熱電変換装置において、
   前記第１磁性体層中には、前記磁性材料部の熱ゆらぎによってスキルミオンが生成し、
   前記観測部は、前記第１磁性体層中の前記スキルミオンの位置を検出し、
   前記制御部は、前記観測部により検出された前記スキルミオンの位置における前記第１磁性体層の膜厚よりも厚い膜厚を有する前記第１磁性体層が存在する方向にのみ、前記スキルミオンが移動するように制御する、熱電変換装置。
3. 請求項２記載の熱電変換装置において、
   前記磁性材料部は、平面視において、長方形状に形成され、
   前記観測部および前記制御部は、前記第１の方向に沿って交互に配置されている、熱電変換装置。
4. 請求項３記載の熱電変換装置において、
   平面視で前記第１の方向と直交する第２の方向において、前記第１磁性体層の端部は、前記第１磁性体層の中央部よりも厚く、
   前記スキルミオンは、前記第１の方向に沿って、前記第１磁性体層の中央部を移動する、熱電変換装置。
5. 請求項３記載の熱電変換装置において、
   前記観測部は、前記第１非磁性体層と、前記第１非磁性体層上の前記第１磁性体層と、前記第１磁性体層上の前記第２非磁性体層と、前記第２非磁性体層上に形成された第２磁性体層と、前記第２磁性体層上に形成された電極とからなる、熱電変換装置。
6. 請求項３記載の熱電変換装置において、
   前記制御部は、前記第１非磁性体層と、前記第１非磁性体層上の前記第１磁性体層と、前記第１磁性体層上の前記第２非磁性体層と、前記第２非磁性体層上に形成された電極とからなる、熱電変換装置。
7. 請求項３記載の熱電変換装置において、
   前記変換部は、ｆ軌道に電子を有する非磁性金属からなる、熱電変換装置。
8. 請求項３記載の熱電変換装置において、
   前記第１非磁性体層は、ｆ軌道に電子を有する非磁性金属からなり、
   前記第２非磁性体層は、非磁性絶縁体からなる、熱電変換装置。
9. 請求項８記載の熱電変換装置において、
   前記第１非磁性体層は、ＰｔまたはＴａからなり、
   前記第１磁性体層は、ＣｏＦｅＢからなり、
   前記第２非磁性体層は、ＭｇＯからなる、熱電変換装置。
10. 磁性材料部と、
    前記磁性材料部の磁化状態の変化を観測する観測部と、
    前記磁性材料部の磁化状態を制御する制御部と、
    前記磁性材料部内の磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部と、
    を備え、
    前記磁性材料部は、非磁性体からなる第１非磁性体層と、前記第１非磁性体層上に形成され、磁性体からなる第１磁性体層と、前記第１磁性体層上に形成され、前記第１非磁性体層と異なる非磁性体からなる第２非磁性体層とからなり、
    前記第１非磁性体層の膜厚は、第１の方向に向かうに従って厚くなっており、
    前記第１の方向は、平面視において前記変換部に向かう方向である、熱電変換装置。
11. 請求項１０記載の熱電変換装置において、
    前記第１磁性体層中には、前記磁性材料部の熱ゆらぎによってスキルミオンが生成し、
    前記観測部は、前記第１磁性体層中の前記スキルミオンの位置を検出し、
    前記制御部は、前記観測部により検出された前記スキルミオンの位置における前記第１非磁性体層の膜厚よりも厚い膜厚を有する前記第１非磁性体層が存在する方向にのみ、前記スキルミオンが移動するように制御する、熱電変換装置。
12. 請求項１１記載の熱電変換装置において、
    前記磁性材料部は、平面視において、長方形状に形成され、
    前記観測部および前記制御部は、前記第１の方向に沿って交互に配置されている、熱電変換装置。
13. 熱電変換装置と、
    半導体装置と、
    冷却装置と、
    を有し、
    前記熱電変換装置は、
    磁性材料部と、
    前記磁性材料部の磁化状態の変化を観測する観測部と、
    前記磁性材料部の磁化状態を制御する制御部と、
    前記磁性材料部内の磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部と、
    を備え、
    前記半導体装置から発生する熱を前記熱電変換装置に供給し、
    前記熱を前記熱電変換装置により電気エネルギーに変換し、
    前記電気エネルギーを前記冷却装置に供給し、
    前記冷却装置によって、前記半導体装置を冷却する、熱輸送システム。
14. 請求項１３記載の熱輸送システムにおいて、
    前記磁性材料部は、非磁性体からなる第１非磁性体層と、前記第１非磁性体層上に形成され、磁性体からなる第１磁性体層と、前記第１磁性体層上に形成され、前記第１非磁性体層と異なる非磁性体からなる第２非磁性体層とからなり、
    前記第１磁性体層の膜厚は、第１の方向に向かうに従って厚くなっており、
    前記第１の方向は、平面視において前記変換部に向かう方向である、熱輸送システム。
15. 請求項１４記載の熱輸送システムにおいて、
    前記磁性材料部は、平面視において、長方形状に形成され、
    前記観測部および前記制御部は、前記第１の方向に沿って交互に配置され、
    前記第１磁性体層中には、前記磁性材料部の熱ゆらぎによってスキルミオンが生成し、
    前記観測部は、前記第１磁性体層中の前記スキルミオンの位置を検出し、
    前記制御部は、前記観測部により検出された前記スキルミオンの位置における前記第１磁性体層の膜厚よりも厚い膜厚を有する前記第１磁性体層が存在する方向にのみ、前記スキルミオンが移動するように制御する、熱輸送システム。

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