JPWO2014010286A1 - 熱電変換素子及びその製造方法 - Google Patents
熱電変換素子及びその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2014010286A1 JPWO2014010286A1 JP2014524669A JP2014524669A JPWO2014010286A1 JP WO2014010286 A1 JPWO2014010286 A1 JP WO2014010286A1 JP 2014524669 A JP2014524669 A JP 2014524669A JP 2014524669 A JP2014524669 A JP 2014524669A JP WO2014010286 A1 JPWO2014010286 A1 JP WO2014010286A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thermoelectric conversion
- electromotive
- conversion unit
- layer
- 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.)
- Pending
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 160
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 18
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims description 10
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 11
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 11
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 6
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 101100167360 Drosophila melanogaster chb gene Proteins 0.000 description 3
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 3
- 239000002223 garnet Substances 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- MTRJKZUDDJZTLA-UHFFFAOYSA-N iron yttrium Chemical compound [Fe].[Y] MTRJKZUDDJZTLA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- JSUIEZRQVIVAMP-UHFFFAOYSA-N gallium iron Chemical compound [Fe].[Ga] JSUIEZRQVIVAMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
- H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
- H10N10/853—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising arsenic, antimony or bismuth
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
- H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
- H10N10/855—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising compounds containing boron, carbon, oxygen or nitrogen
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
- H10N10/857—Thermoelectric active materials comprising compositions changing continuously or discontinuously inside the material
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
熱電変換素子は、積層された複数の熱電変換単位構造を備える。複数の熱電変換単位構造の各々は、磁性体層と、磁性体層上に形成されスピン軌道相互作用を発現する材料で形成された起電層と、を備える。各々の熱電変換単位構造は、起電層が外側に露出するように折り畳まれている。また、隣り合う熱電変換単位構造間で、起電層同士が接触している。
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、及びその製造方法に関する。
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。従来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。
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、スピン流を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、Ａｕ）において有意に発現する。
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、スピン流を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、Ａｕ）において有意に発現する。
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、非特許文献１、非特許文献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、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２）といった磁性絶縁体と金属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。
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。
図１は、特許文献１に開示されている熱電変換素子の構成を示している。サファイア基板１０１の上に熱スピン流変換部１０２が形成されている。熱スピン流変換部１０２は、Ｔａ膜１０３、ＰｄＰｔＭｎ膜１０４及びＮｉＦｅ膜１０５の積層構造を有している。ＮｉＦｅ膜１０５は、面内方向の磁化を有している。更に、ＮｉＦｅ膜１０５上にはＰｔ電極１０６が形成されており、そのＰｔ電極１０６の両端は端子１０７−１、１０７−２にそれぞれ接続されている。
このように構成された熱電変換素子において、ＮｉＦｅ膜１０５が、スピンゼーベック効果によって温度勾配からスピン流を生成する役割を果たし、Ｐｔ電極１０６が、逆スピンホール効果によってスピン流から起電力を生成する役割を果たす。具体的には、ＮｉＦｅ膜１０５の面内方向に温度勾配が印加されると、スピンゼーベック効果により、その温度勾配と平行な方向にスピン流が発生する。すると、ＮｉＦｅ膜１０５からＰｔ電極１０６にスピン流が流れ込む、あるいは、Ｐｔ電極１０６からＮｉＦｅ膜１０５にスピン流が流れ出す。Ｐｔ電極１０６では、逆スピンホール効果により、スピン流方向とＮｉＦｅ磁化方向とに直交する方向に起電力が生成される。その起電力は、Ｐｔ電極１０６の両端に設けられた端子１０７−１、１０７−２から取り出すことができる。
Uchida et al., "Spin Seebeck insulator", Nature Materials, 2010, vol. 9, p.894.
Uchida et al., "Observation of longitudinal spin-Seebeck effect in magnetic insulators", Applied Physics Letters, 2010, vol.97, p172505.
熱電変換素子の更なる高出力化が望まれる。
本発明の１つの観点において、熱電変換素子が提供される。その熱電変換素子は、積層された複数の熱電変換単位構造を備える。複数の熱電変換単位構造の各々は、磁性体層と、磁性体層上に形成されスピン軌道相互作用を発現する材料で形成された起電層と、を備える。各々の熱電変換単位構造は、起電層が外側に露出するように折り畳まれている。また、隣り合う熱電変換単位構造間で、起電層同士が接触している。
本発明の他の観点において、熱電変換素子の製造方法が提供される。その製造方法は、（Ａ）熱電変換シートを提供するステップを含む。ここで、熱電変換シートは、磁性体層と、磁性体層上に形成されスピン軌道相互作用を発現する材料で形成された起電層と、を備える。製造方法は、更に、（Ｂ）起電層が外側に露出するように熱電変換シートを折り畳むことによって、熱電変換単位構造を作成するステップと、（Ｃ）起電層同士が接触するように、熱電変換単位構造を複数段積層するステップと、を含む。
本発明によれば、熱電変換素子の更なる高出力化が実現される。
添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
１．基本構造
図２は、本実施の形態に係る熱電変換素子１を概略的に示す斜視図である。熱電変換素子１は、複数の熱電変換単位構造１０が積層された積層構造を備えている。その積層方向はＺ方向であり、Ｚ方向に直交する面内方向はＸ方向とＹ方向である。Ｘ方向とＹ方向は互いに直交している。
図２は、本実施の形態に係る熱電変換素子１を概略的に示す斜視図である。熱電変換素子１は、複数の熱電変換単位構造１０が積層された積層構造を備えている。その積層方向はＺ方向であり、Ｚ方向に直交する面内方向はＸ方向とＹ方向である。Ｘ方向とＹ方向は互いに直交している。
積層構造の第１側面１１には第１導電構造５１が形成されている。また、積層構造の第２側面１２には第２導電構造５２が形成されている。第１導電構造５１及び第２導電構造５２は共に導電体である。第１側面１１と第２側面１２とは、Ｘ方向において対向している。つまり、第１導電構造５１と第２導電構造５２とは、Ｘ方向において対向している。
図３は、単一の熱電変換単位構造１０を概略的に示している。熱電変換単位構造１０は、磁性体層３０と起電層（導電層）４０を備えている。起電層４０は、磁性体層３０上に形成されている。典型的には、起電層４０は、磁性体層３０に接触している。
磁性体層３０は、スピンゼーベック効果を発現する材料で形成される。磁性体層３０の材料は、強磁性金属であってもよいし、磁性絶縁体であってもよい。強磁性金属としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなどが挙げられる。磁性絶縁体としては、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）などが挙げられる。尚、電子による熱伝導を抑えるという観点から言えば、磁性絶縁体を用いることが望ましい。
起電層（導電層）４０は、逆スピンホール効果（スピン軌道相互作用）を発現する材料で形成される。より詳細には、起電層４０の材料は、スピン軌道相互作用の大きな金属材料を含有する。例えば、スピン軌道相互作用の比較的大きなＡｕやＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、その他ｆ軌道を有する金属材料、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、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒなどの材料を０．５〜１０％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。あるいは、起電層４０は、ＩＴＯなどの酸化物であってもよい。
これら磁性体層３０と起電層４０の積層により、熱電変換単位構造１０は、スピンゼーベック効果と逆スピンホール効果を利用した「熱電変換部」としての機能を有することになる。より詳細には、磁性体３０は、スピンゼーベック効果によって温度勾配∇Ｔからスピン流を生成（駆動）する。スピン流の方向は、温度勾配∇Ｔの方向と平行あるいは反平行である。そして、起電層４０は、逆スピンホール効果によって上記スピン流から起電力を発生する。ここで、発生する起電力の方向は、磁性体層３０の磁化Ｍの方向と温度勾配∇Ｔの方向との外積で与えられる（Ｅ，Ｊ//Ｍ×∇Ｔ）。
本実施の形態では、効率的な電力生成のため、起電層４０における起電力の方向が面内方向となるように熱電変換単位構造１０が構成されている。例えば、図３に示されるように、磁性体層３０の磁化Ｍの方向は−Ｙ方向であり、温度勾配∇Ｔの方向は−Ｚ方向であり、起電力の方向は＋Ｘ方向である。尚、磁性体層３０の磁化Ｍは、少なくともＹ方向成分を含んでいればよく、それにより、少なくともＸ方向の起電力が発生する。
ここで、起電層４０の第１側面１１側（−Ｘ方向側）の端部は、第１端部４１である。一方、起電層４０の第２側面１２側（＋Ｘ方向側）の端部は、第２端部４２である。第１端部４１と第２端部４２とは、Ｘ方向において対向している。また、起電層４０の第１端部４１は、図２で示された第１導電構造５１と物理的につながっている。一方、起電層４０の第２端部４２は、図２で示された第２導電構造５２と物理的につながっている。尚、“物理的につながっている”とは、起電層４０と第１導電構造５１あるいは第２導電構造５２とが一体的に形成されている場合も含む。すなわち、起電層４０と第１導電構造５１あるいは第２導電構造５２とは、別々に形成されていてもよいし、一体的に形成されていてもよい。
各熱電変換単位構造１０の起電層４０の第１端部４１（第２端部４２）が第１導電構造５１（第２導電構造５２）と物理的につながることにより、積層された複数の熱電変換単位構造１０のそれぞれの起電層４０同士が電気的に接続される。
第１導電構造５１及び第２導電構造５２は、低抵抗材料で形成されることが望ましい。例えば、第１導電構造５１及び第２導電構造５２の材料はＰｔである。また、低抵抗化のため、第１導電構造５１及び第２導電構造５２のＸ方向の厚さは、起電層４０のＺ方向の厚さよりも大きいことが望ましい。
以上に説明されたように、本実施の形態に係る熱電変換素子１では、複数の熱電変換単位構造１０が積層されている。そして、それぞれの熱電変換単位構造１０の起電層４０が、第１導電構造５１及び第２導電構造５２に共通に接続されている。従って、それら第１導電構造５１及び第２導電構造５２を用いることによって、複数の熱電変換単位構造１０で発生した起電力を同時に取り出すことが可能となる。これにより、素子面積を増大させることなく、発電量すなわち出力電力を増加させることが可能となる。
尚、単一の起電層４０の第１端部４１と第２端部４２との間の抵抗値を“Ｒ１”とし、第１導電構造５１（第２導電構造５２）全体のＺ方向の抵抗値を“Ｒ２”としたとき、“Ｒ１＞Ｒ２”という条件が満たされることが好ましい。
２．第１の例
次に、本実施の形態に係る熱電変換素子１の製造方法の第１の例を説明する。
次に、本実施の形態に係る熱電変換素子１の製造方法の第１の例を説明する。
まず、図４に示されるように、基板２０上に磁性体層３０が形成され、その磁性体層３０上に起電層４０が形成される。更に、これら基板２０、磁性体層３０及び起電層４０の積層を１単位として、その積層が複数回繰り返される。
次に、図４で示された積層構造から、所望の素子サイズに応じた部分が切り出される。その結果、図５に示される積層構造が得られる。その積層構造の−Ｘ方向側の側面が第１側面１１であり、＋Ｘ方向側の側面が第２側面１２である。ここで、基板２０、磁性体層３０及び起電層４０の積層構造が、単一の熱電変換単位構造１０に相当する。また、起電層４０の第１側面１１側（−Ｘ方向側）の端部が第１端部４１であり、起電層４０の第２側面１２側（＋Ｘ方向側）の端部が第２端部４２である。
次に、図６に示されるように、横方向から導電膜が成膜される。その結果、第１側面１１の上に接触するように第１導電構造５１が形成され、また、第２側面１２の上に接触するように第２導電構造５２が形成される。
更に、図７に示されるように、第１導電構造５１及び第２導電構造５２のそれぞれに、第１外部端子６１及び第２外部端子６２が取り付けられる。これら第１外部端子６１及び第２外部端子６２は、電力の取り出しに用いられる。
以上に説明された方法により、図２及び図３で示された構造が得られる。尚、磁性体層３０の磁化処理は、どのタイミングで実施されてもよい。
このように、起電層４０と第１導電構造５１（第２導電構造５２）とが物理的に接触することで電気的に接続される。従って、複数の熱電変換単位構造１０で発生した起電力を同時に取り出すことが可能となる。これにより、素子面積を増大させることなく、発電量すなわち出力電力を増加させることが可能となる。
尚、図８に示されるように、単一の熱電変換単位構造１０において、磁性体層３０の上下に起電層４０が形成されてもよい。
また、起電層４０と第１導電構造５１（第２導電構造５２）との間の接触面積を大きくする（つまり、接触抵抗を低減する）ために、図９に示されるように、第１側面１１（第２側面１２）が斜面状に形成されてもよい。
あるいは、図１０に示されるように、起電層４０の両端上に第１電極４５及び第２電極４６が形成されていてもよい。第１電極４５及び第２電極４６は、低抵抗材料（例：Ｃｕ）で形成されており、Ｙ方向に延在している。第１電極４５の側面は、起電層４０の第１端部４１と共に、第１導電構造５１に接触している。一方、第２電極４６の側面は、起電層４０の第２端部４２と共に、第２導電構造５２に接触している。このような構造によっても、第１導電構造５１や第２導電構造５２との接触面積が大きくなる（つまり、接触抵抗が低減される）。
尚、図１０に示されるような熱電変換単位構造１０が積層された際、第１電極４５と第２電極４６との間に空間が残ったままだと、その空間において熱伝導が鈍り、発電効率が悪くなる。よって、図１０に示されるように、第１電極４５と第２電極４６との間の空間を埋めるように起電層４０上に絶縁膜４７が形成されてもよい。絶縁膜４７は、熱伝導度が高い（熱抵抗が低い）材料、例えばポリイミドで形成される。このような絶縁膜４７により、積層構造中の空間の発生が防止され、発電効率が向上する。
３．第２の例
次に、本実施の形態に係る熱電変換素子１の製造方法の第２の例を説明する。
次に、本実施の形態に係る熱電変換素子１の製造方法の第２の例を説明する。
効率の観点から言えば、起電層４０の厚さを、材料に依存する「スピン拡散長（スピン緩和長）」程度に設定することが望ましい。例えば、起電層４０がＰｔ膜である場合、その膜厚を１０〜３０ｎｍ程度に設定することが好ましい。しかしながら、上記の第１の例では、起電層４０と第１導電構造５１（第２導電構造５２）とが別プロセスで形成される。この場合、薄い起電層４０の第１導電構造５１（第２導電構造５２）との間の接触抵抗が、どうしても高くなってしまう。つまり、薄い起電層４０に対するコンタクト部分（第１端部４１、第２端部４２）が高抵抗化してしまう。第２の例は、このような問題を解決するためのものである。
まず、図１１に示されるような熱電変換シート７０が提供される。この熱電変換シート７０も、基板２０、磁性体層３０及び起電層４０の積層構造を有している。但し、熱電変換シート７０は、可とう性（flexibility）を有している。ここで、可とう性とは、可塑性（plasticity）と弾性（elasticity）の両方の概念を含む。すなわち、熱電変換シート７０は曲げることが可能である。
例えば、基板２０はポリイミド基板（厚さ：２５μｍ）であり、磁性体層３０はフェライト磁性体（厚さ：３μｍ）であり、起電層４０はＰｔ膜（厚さ：１０ｎｍ）である。フェライト磁性体は、例えばフェライトめっき法により形成される。Ｐｔ膜は、例えばスパッタリングにより形成される。このような基板２０、磁性体層３０及び起電層４０により、可とう性を有する熱電変換シート７０が実現される。
次に、図１２に示されるように、起電層４０が外側に露出するように熱電変換シート７０が折り畳まれる。このとき、熱電変換シート７０は、２箇所において折り曲げられる。起電層４０のうちそれら２箇所に相当する折り曲げ部分は、「第１側面導電部４０Ｓ１」と「第２側面導電部４０Ｓ２」である。第１側面導電部４０Ｓ１と第２側面導電部４０Ｓ２は、Ｘ方向において対向している。このうち第１側面導電部４０Ｓ１が−Ｘ方向側に位置し、第２側面導電部４０Ｓ２が＋Ｘ方向側に位置している。
また、起電層４０のうち上方向（＋Ｚ方向）に露出している部分は、以下、「上部起電層４０Ｕ」と参照される。一方、起電層４０のうち下方向（−Ｚ方向）に露出している部分は、以下、「下部起電層４０Ｌ」と参照される。つまり、上部起電層４０Ｕは上面側に形成されており、下部起電層４０Ｌは下面側に形成されている。尚、上部起電層４０Ｕと下部起電層４０Ｌの各々が、図３で示された単一の起電層４０に相当する。
上部起電層４０Ｕ（下部起電層４０Ｌ）と第１側面導電部４０Ｓ１とは、一体的に形成されている。そして、上部起電層４０Ｕ（下部起電層４０Ｌ）から第１側面導電部４０Ｓ１への遷移部分が、図３で示された第１端部４１に相当する。つまり、第１側面導電部４０Ｓ１は、上部起電層４０Ｕ（下部起電層４０Ｌ）の第１端部４１から延在するように、上部起電層４０Ｕ（下部起電層４０Ｌ）と一体的に形成されている。尚、上部起電層４０Ｕ（下部起電層４０Ｌ）から第１側面導電部４０Ｓ１への遷移部分は、ある程度の曲率半径を有している。
同様に、上部起電層４０Ｕ（下部起電層４０Ｌ）と第２側面導電部４０Ｓ２とは、一体的に形成されている。そして、上部起電層４０Ｕ（下部起電層４０Ｌ）から第２側面導電部４０Ｓ２への遷移部分が、図３で示された第２端部４２に相当する。つまり、第２側面導電部４０Ｓ２は、第２端部４２から延在するように、上部起電層４０Ｕ（下部起電層４０Ｌ）と一体的に形成されている。尚、上部起電層４０Ｕ（下部起電層４０Ｌ）から第２側面導電部４０Ｓ２への遷移部分は、ある程度の曲率半径を有している。
このような図１２に示される構造が、本実施の形態に係る熱電変換単位構造１０に相当する。図１２に示される熱電変換単位構造１０の場合、第１側面導電部４０Ｓ１と第２側面導電部４０Ｓ２を除く起電層４０（つまり、上部起電層４０Ｕと下部起電層４０Ｌ）において、Ｘ方向の起電力が発生する。
尚、図１３に示されるように、折り曲げの結果、熱電変換単位構造１０の下面側に隙間１５が存在していてもよい。
次に、図１４に示されるように、図１２（あるいは図１３）で示された熱電変換単位構造１０が複数段積層される。このとき、上下に隣り合う熱電変換単位構造１０間で、起電層４０同士が広い面積で接触する。より詳細には、上側の熱電変換単位構造１０の下部起電層４０Ｌと、下側の熱電変換単位構造１０の上部起電層４０Ｕとが、互いに接触する。
また、上下に隣り合う熱電変換単位構造１０間で、第１側面導電部４０Ｓ１同士が物理的につながると好適である。この場合、積層されている複数の熱電変換単位構造１０のそれぞれの第１側面導電部４０Ｓ１がつながることによって、図２で示された「第１導電構造５１」が形成される。
同様に、上下に隣り合う熱電変換単位構造１０間で、第２側面導電部４０Ｓ２同士が物理的につながると好適である。この場合、積層されている複数の熱電変換単位構造１０のそれぞれの第２側面導電部４０Ｓ２がつながることによって、図２で示された「第２導電構造５２」が形成される。
更に、図１５に示されるように、第１導電構造５１及び第２導電構造５２のそれぞれに、第１外部端子６１及び第２外部端子６２が取り付けられる。これら第１外部端子６１及び第２外部端子６２は、電力の取り出しに用いられる。
以上に説明された方法により、図２及び図３で示された構造が得られる。尚、磁性体層３０の磁化処理は、どのタイミングで実施されてもよい。
このようにして、積層された複数の熱電変換単位構造１０のそれぞれの起電層４０同士が電気的に接続される。従って、複数の熱電変換単位構造１０で発生した起電力を同時に取り出すことが可能となる。これにより、素子面積を増大させることなく、発電量すなわち出力電力を増加させることが可能となる。
また、第２の例によれば、熱電変換シート７０の折り曲げにより熱電変換単位構造１０が形成される。更に、その熱電変換単位構造１０を複数段積層することにより、熱電変換素子１が形成される。このとき、上下に隣り合う熱電変換単位構造１０の起電層４０同士は、広い面積で接触する。従って、上記の第１の例で発生したような接触抵抗の高い部分が排除される。すなわち、第２の例によれば、第１の例と比較して、更なる高出力化が可能である。
図１６は、一変形例として、図１３で示された熱電変換単位構造１０の下部起電層４０Ｌ同士が接触するような積層例を示している。上下の熱電変換単位構造１０のそれぞれの隙間１５の位置が一致した場合、その部分でＸ方向の電流が途切れてしまう。この場合、効果が全く無くなるわけではないが、少なくなる。よって、上部起電層４０Ｕと下部起電層４０Ｌが接触するような積層の方が好ましい。あるいは、図１２で示されたように、隙間１５が出来ないように熱電変換シート７０が折り曲げられることが好ましい。
図１７は、他の変形例を示している。図１７に示されるように、熱電変換シート７０は、支持体８０の周りに巻き付けられるように折り曲げられてもよい。この場合、熱電変換シート７０の破断が抑制されるとともに、熱電変換素子１全体としての強度が増す。
以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。
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うるが、以下には限られない。
（付記１）
積層された複数の熱電変換単位構造を備え、
前記複数の熱電変換単位構造の各々は、
磁性体層と、
前記磁性体層上に形成され、スピン軌道相互作用を発現する材料で形成された起電層と
を備え、
前記各々の熱電変換単位構造は、前記起電層が外側に露出するように折り畳まれており、
隣り合う熱電変換単位構造間で、前記起電層同士が接触している
熱電変換素子。
積層された複数の熱電変換単位構造を備え、
前記複数の熱電変換単位構造の各々は、
磁性体層と、
前記磁性体層上に形成され、スピン軌道相互作用を発現する材料で形成された起電層と
を備え、
前記各々の熱電変換単位構造は、前記起電層が外側に露出するように折り畳まれており、
隣り合う熱電変換単位構造間で、前記起電層同士が接触している
熱電変換素子。
（付記２）
付記１に記載の熱電変換素子であって、
前記各々の熱電変換単位構造の前記起電層は、第１側面導電部と第２側面導電部において折れ曲がっており、
隣り合う熱電変換単位構造間で、前記第１側面導電部同士が物理的につながっており、且つ、前記第２側面導電部同士が物理的につながっている
熱電変換素子。
付記１に記載の熱電変換素子であって、
前記各々の熱電変換単位構造の前記起電層は、第１側面導電部と第２側面導電部において折れ曲がっており、
隣り合う熱電変換単位構造間で、前記第１側面導電部同士が物理的につながっており、且つ、前記第２側面導電部同士が物理的につながっている
熱電変換素子。
（付記３）
付記１又は２に記載の熱電変換素子であって、
前記第１側面導電部と前記第２側面導電部とは、第１面内方向において対向しており、
前記各々の熱電変換単位構造は、前記第１側面導電部及び前記第２側面導電部を除く前記起電層において前記第１面内方向に起電力が発生するように構成されている
熱電変換素子。
付記１又は２に記載の熱電変換素子であって、
前記第１側面導電部と前記第２側面導電部とは、第１面内方向において対向しており、
前記各々の熱電変換単位構造は、前記第１側面導電部及び前記第２側面導電部を除く前記起電層において前記第１面内方向に起電力が発生するように構成されている
熱電変換素子。
（付記４）
付記３に記載の熱電変換素子であって、
前記磁性体層の磁化は、前記第１面内方向と直交する第２面内方向の成分を含んでいる
熱電変換素子。
付記３に記載の熱電変換素子であって、
前記磁性体層の磁化は、前記第１面内方向と直交する第２面内方向の成分を含んでいる
熱電変換素子。
（付記５）
複数の熱電変換単位構造が積層された積層構造と、
前記積層構造の第１側面に形成された第１導電構造と、
前記積層構造の第２側面に形成された第２導電構造と
を備え、
前記複数の熱電変換単位構造の各々は、
磁性体層と、
前記磁性体層上に形成され、スピン軌道相互作用を発現する材料で形成された起電層と
を備え、
前記起電層の前記第１側面側の端部である第１端部は、前記第１導電構造と物理的につながっており、
前記起電層の前記第２側面側の端部である第２端部は、前記第２導電構造と物理的につながっている
熱電変換素子。
複数の熱電変換単位構造が積層された積層構造と、
前記積層構造の第１側面に形成された第１導電構造と、
前記積層構造の第２側面に形成された第２導電構造と
を備え、
前記複数の熱電変換単位構造の各々は、
磁性体層と、
前記磁性体層上に形成され、スピン軌道相互作用を発現する材料で形成された起電層と
を備え、
前記起電層の前記第１側面側の端部である第１端部は、前記第１導電構造と物理的につながっており、
前記起電層の前記第２側面側の端部である第２端部は、前記第２導電構造と物理的につながっている
熱電変換素子。
（付記６）
付記５に記載の熱電変換素子であって、
前記第１側面と前記第２側面とは、第１面内方向において対向しており、
前記各々の熱電変換単位構造は、前記起電層において前記第１面内方向に起電力が発生するように構成されている
熱電変換素子。
付記５に記載の熱電変換素子であって、
前記第１側面と前記第２側面とは、第１面内方向において対向しており、
前記各々の熱電変換単位構造は、前記起電層において前記第１面内方向に起電力が発生するように構成されている
熱電変換素子。
（付記７）
付記６に記載の熱電変換素子であって、
前記磁性体層の磁化は、前記第１面内方向と直交する第２面内方向の成分を含んでいる
熱電変換素子。
付記６に記載の熱電変換素子であって、
前記磁性体層の磁化は、前記第１面内方向と直交する第２面内方向の成分を含んでいる
熱電変換素子。
（付記８）
付記５乃至７のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、
前記各々の熱電変換単位構造は、更に、
前記起電層の前記第１端部から前記第１側面に延在するように、前記起電層と一体的に形成された第１側面導電部と、
前記起電層の前記第２端部から前記第２側面に延在するように、前記起電層と一体的に形成された第２側面導電部と
を備え、
隣り合う熱電変換単位構造間で前記第１側面導電部同士が物理的につながることによって、前記第１導電構造が形成されており、
隣り合う熱電変換単位構造間で前記第２側面導電部同士が物理的につながることによって、前記第２導電構造が形成されている
熱電変換素子。
付記５乃至７のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、
前記各々の熱電変換単位構造は、更に、
前記起電層の前記第１端部から前記第１側面に延在するように、前記起電層と一体的に形成された第１側面導電部と、
前記起電層の前記第２端部から前記第２側面に延在するように、前記起電層と一体的に形成された第２側面導電部と
を備え、
隣り合う熱電変換単位構造間で前記第１側面導電部同士が物理的につながることによって、前記第１導電構造が形成されており、
隣り合う熱電変換単位構造間で前記第２側面導電部同士が物理的につながることによって、前記第２導電構造が形成されている
熱電変換素子。
（付記９）
付記８に記載の熱電変換素子であって、
前記各々の熱電変換単位構造の前記起電層は、
前記各々の熱電変換単位構造の上面側に形成された上部起電層と、
前記各々の熱電変換単位構造の下面側に形成された下部起電層と
を含み、
隣り合う熱電変換単位構造間で、前記上部起電層と前記下部起電層とが接触している
熱電変換素子。
付記８に記載の熱電変換素子であって、
前記各々の熱電変換単位構造の前記起電層は、
前記各々の熱電変換単位構造の上面側に形成された上部起電層と、
前記各々の熱電変換単位構造の下面側に形成された下部起電層と
を含み、
隣り合う熱電変換単位構造間で、前記上部起電層と前記下部起電層とが接触している
熱電変換素子。
（付記１０）
付記８又は９に記載の熱電変換素子であって、
前記各々の熱電変換単位構造は、可とう性を有する材料で形成されている
熱電変換素子。
付記８又は９に記載の熱電変換素子であって、
前記各々の熱電変換単位構造は、可とう性を有する材料で形成されている
熱電変換素子。
（付記１１）
（Ａ）熱電変換シートを提供するステップと、
ここで、前記熱電変換シートは、
磁性体層と、
前記磁性体層上に形成され、スピン軌道相互作用を発現する材料で形成された起電層と
を備え、
（Ｂ）前記起電層が外側に露出するように前記熱電変換シートを折り畳むことによって、熱電変換単位構造を作成するステップと、
（Ｃ）前記起電層同士が接触するように、前記熱電変換単位構造を複数段積層するステップと
を含む
熱電変換素子の製造方法。
（Ａ）熱電変換シートを提供するステップと、
ここで、前記熱電変換シートは、
磁性体層と、
前記磁性体層上に形成され、スピン軌道相互作用を発現する材料で形成された起電層と
を備え、
（Ｂ）前記起電層が外側に露出するように前記熱電変換シートを折り畳むことによって、熱電変換単位構造を作成するステップと、
（Ｃ）前記起電層同士が接触するように、前記熱電変換単位構造を複数段積層するステップと
を含む
熱電変換素子の製造方法。
（付記１２）
付記１１に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記熱電変換単位構造を作成するステップにおいて、前記起電層は、第１側面導電部と第２側面導電部において折り曲げられ、
前記熱電変換単位構造を複数段積層するステップにおいて、前記第１側面導電部同士が物理的につなげられ、且つ、前記第２側面導電部同士が物理的につなげられる
熱電変換素子の製造方法。
付記１１に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記熱電変換単位構造を作成するステップにおいて、前記起電層は、第１側面導電部と第２側面導電部において折り曲げられ、
前記熱電変換単位構造を複数段積層するステップにおいて、前記第１側面導電部同士が物理的につなげられ、且つ、前記第２側面導電部同士が物理的につなげられる
熱電変換素子の製造方法。
本出願は、２０１２年７月９日に出願された日本国特許出願２０１２−１５３４１４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
Claims (6)
- 積層された複数の熱電変換単位構造を備え、
前記複数の熱電変換単位構造の各々は、
磁性体層と、
前記磁性体層上に形成され、スピン軌道相互作用を発現する材料で形成された起電層と
を備え、
前記各々の熱電変換単位構造は、前記起電層が外側に露出するように折り畳まれており、
隣り合う熱電変換単位構造間で、前記起電層同士が接触している
熱電変換素子。 - 請求項１に記載の熱電変換素子であって、
前記各々の熱電変換単位構造の前記起電層は、第１側面導電部と第２側面導電部において折れ曲がっており、
隣り合う熱電変換単位構造間で、前記第１側面導電部同士が物理的につながっており、且つ、前記第２側面導電部同士が物理的につながっている
熱電変換素子。 - 請求項１又は２に記載の熱電変換素子であって、
前記第１側面導電部と前記第２側面導電部とは、第１面内方向において対向しており、
前記各々の熱電変換単位構造は、前記第１側面導電部及び前記第２側面導電部を除く前記起電層において前記第１面内方向に起電力が発生するように構成されている
熱電変換素子。 - 請求項３に記載の熱電変換素子であって、
前記磁性体層の磁化は、前記第１面内方向と直交する第２面内方向の成分を含んでいる
熱電変換素子。 - （Ａ）熱電変換シートを提供するステップと、
ここで、前記熱電変換シートは、
磁性体層と、
前記磁性体層上に形成され、スピン軌道相互作用を発現する材料で形成された起電層と
を備え、
（Ｂ）前記起電層が外側に露出するように前記熱電変換シートを折り畳むことによって、熱電変換単位構造を作成するステップと、
（Ｃ）前記起電層同士が接触するように、前記熱電変換単位構造を複数段積層するステップと
を含む
熱電変換素子の製造方法。 - 請求項５に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記熱電変換単位構造を作成するステップにおいて、前記起電層は、第１側面導電部と第２側面導電部において折り曲げられ、
前記熱電変換単位構造を複数段積層するステップにおいて、前記第１側面導電部同士が物理的につなげられ、且つ、前記第２側面導電部同士が物理的につなげられる
熱電変換素子の製造方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012153414 | 2012-07-09 | ||
| JP2012153414 | 2012-07-09 | ||
| PCT/JP2013/061213 WO2014010286A1 (ja) | 2012-07-09 | 2013-04-15 | 熱電変換素子及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2014010286A1 true JPWO2014010286A1 (ja) | 2016-06-20 |
Family
ID=49915762
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2014524669A Pending JPWO2014010286A1 (ja) | 2012-07-09 | 2013-04-15 | 熱電変換素子及びその製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPWO2014010286A1 (ja) |
| WO (1) | WO2014010286A1 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6299237B2 (ja) * | 2014-01-29 | 2018-03-28 | 日本電気株式会社 | 熱電変換素子およびその製造方法 |
| WO2015115056A1 (ja) * | 2014-01-29 | 2015-08-06 | 日本電気株式会社 | 熱電変換素子、熱電変換素子モジュールおよび熱電変換素子の製造方法 |
| JP6311487B2 (ja) | 2014-06-26 | 2018-04-18 | 日本電気株式会社 | 熱電変換構造およびその製造方法 |
| WO2016039022A1 (ja) * | 2014-09-08 | 2016-03-17 | 富士フイルム株式会社 | 熱電変換素子および熱電変換モジュール |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0333083Y2 (ja) * | 1988-01-20 | 1991-07-12 | ||
| JP2006127920A (ja) * | 2004-10-29 | 2006-05-18 | Sanyo Electric Co Ltd | 電源装置 |
| JP2008205129A (ja) * | 2007-02-19 | 2008-09-04 | Tokai Rika Co Ltd | 回路ブロック及びその製造方法 |
| US8604571B2 (en) * | 2008-06-12 | 2013-12-10 | Tohoku University | Thermoelectric conversion device |
| JP5585314B2 (ja) * | 2010-04-30 | 2014-09-10 | 国立大学法人東北大学 | 熱電変換素子及び熱電変換装置 |
| JP2012038929A (ja) * | 2010-08-06 | 2012-02-23 | Hitachi Ltd | 熱電変換素子、それを用いた磁気ヘッド及び磁気記録再生装置 |
-
2013
- 2013-04-15 JP JP2014524669A patent/JPWO2014010286A1/ja active Pending
- 2013-04-15 WO PCT/JP2013/061213 patent/WO2014010286A1/ja active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2014010286A1 (ja) | 2014-01-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6164217B2 (ja) | 熱電変換素子及びその製造方法 | |
| JP5987835B2 (ja) | 熱電変換素子 | |
| JP6233320B2 (ja) | 熱電変換素子及びその製造方法 | |
| JP6066091B2 (ja) | 熱電変換素子及びその製造方法 | |
| WO2014010286A1 (ja) | 熱電変換素子及びその製造方法 | |
| JP6241618B2 (ja) | 熱電変換素子、熱電変換システム、及び熱電変換素子の製造方法 | |
| WO2013035148A1 (ja) | 熱電変換素子及びそれを用いた熱電変換モジュール | |
| JP6565689B2 (ja) | 熱電変換素子、熱電変換素子モジュールおよび熱電変換素子の製造方法 | |
| JP6233311B2 (ja) | 熱電変換素子及びその製造方法 | |
| US20180331273A1 (en) | Electromotive film for thermoelectric conversion element, and thermoelectric conversion element | |
| JP6172434B2 (ja) | 熱電変換素子及びその製造方法 | |
| WO2018146713A1 (ja) | 熱電変換素子およびその製造方法 | |
| JP6299237B2 (ja) | 熱電変換素子およびその製造方法 | |
| JP2015065254A (ja) | 熱電変換素子及びその製造方法 | |
| JP6980318B2 (ja) | スピン蓄積装置 | |
| WO2013161615A1 (ja) | 熱電変換素子 | |
| JP2015185778A (ja) | 熱電変換素子及びその製造方法 | |
| JP6172439B2 (ja) | スピン流熱電変換素子 | |
| JP2020009794A (ja) | 熱電変換素子 | |
| WO2023054583A1 (ja) | 熱電体、熱電発電素子、多層熱電体、多層熱電発電素子、熱電発電機、及び熱流センサ | |
| JP2014154852A (ja) | 熱電変換素子及びその製造方法 |