JPWO2018146713A1 - Thermoelectric conversion element and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
本発明は、スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果を併用する熱電変換素子（21）において、安定した熱電変換動作を利便性良く実現することを目的とする。本発明の熱電変換素子は、膜厚方向（Z）の温度勾配によって第１の起電力を生じる磁性金属膜（21）と、前記磁性金属膜に積層されて前記磁性金属膜の磁化方向を膜面内の一方向（y）に固定し、膜厚方向の温度勾配によって生じる前記磁性金属膜のスピン流の注入を受けて第２の起電力を生じる反強磁性金属膜（22）と、の積層膜（23）と、前記積層膜の膜面上に前記磁化方向と異なる方向（x）に離隔して並設された一対の端子（24）と、を有する。An object of the present invention is to realize a stable thermoelectric conversion operation with good convenience in a thermoelectric conversion element (21) using both the spin Seebeck effect and the abnormal Nernst effect. A thermoelectric conversion element according to the present invention includes a magnetic metal film (21) that generates a first electromotive force due to a temperature gradient in a film thickness direction (Z); An antiferromagnetic metal film (22) fixed in one direction (y) in the plane and receiving a spin current of the magnetic metal film generated by a temperature gradient in a film thickness direction to generate a second electromotive force. It has a laminated film (23) and a pair of terminals (24) arranged on the film surface of the laminated film in a direction (x) different from the magnetization direction and separated from each other.
Description
本発明は、スピンゼーベック効果および異常ネルンスト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 abnormal Nernst effect.
持続可能な社会に向けた熱マネジメント技術の一つとして、熱電変換素子への期待が高まっている。熱は、体温、太陽熱、エンジン、工業排熱など様々な場面から回収することができる最も一般的なエネルギー源のひとつである。このことから熱電変換は、エネルギー利用の高効率化や、ユビキタス端末・センサ等への給電、あるいは熱流センシングによる熱の流れの可視化といった様々な場面において、ますます重要となることが予想される。 Expectations for thermoelectric conversion elements are increasing as one of the thermal management technologies for a sustainable society. Heat is one of the most common sources of energy that can be recovered from a variety of settings, including body temperature, solar heat, engines, and industrial waste heat. From this, it is expected that thermoelectric conversion will become increasingly important in various situations such as high efficiency of energy use, power supply to ubiquitous terminals and sensors, or visualization of heat flow by heat flow sensing.
このような中で、磁性材料に温度勾配を与えることでスピン角運動量の流れ（以降、スピン流と呼ぶ）を生成する、スピンゼーベック効果（Ｓｐｉｎ Ｓｅｅｂｅｃｋ Ｅｆｆｅｃｔ）や異常ネルンスト効果（Ａｎｏｍａｌｏｕｓ Ｎｅｒｎｓｔ Ｅｆｆｅｃｔ）に基づく熱電変換素子の関連技術が、特許文献１〜３に開示されている。 Under these circumstances, a spin Seebeck effect or an anomalous Nernst effect, which generates a flow of spin angular momentum (hereinafter referred to as a spin current) by giving a temperature gradient to the magnetic material, is provided. Related arts based on thermoelectric conversion elements are disclosed in Patent Documents 1 to 3.
スピンゼーベック効果に基づく熱電変換素子は、特許文献１〜３に開示されているように、一方向に磁化している磁性絶縁体膜もしくは磁性金属膜と、導電性の非磁性金属膜の積層構造によって構成される。この素子に膜面に垂直方向の温度勾配を与えると、スピンゼーベック効果によって磁性絶縁体膜もしくは磁性金属膜にスピン流が誘起される。このスピン流が非磁性金属膜に注入されると、非磁性金属膜の逆スピンホール効果（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｓｐｉｎ Ｈａｌｌ Ｅｆｆｅｃｔ）によって、非磁性金属膜の膜面内方向に電流が流れて起電力が生じる。特に、磁性絶縁体膜は熱伝導率が比較的小さいため、温度勾配を大きくすることができ好適である。 As disclosed in Patent Documents 1 to 3, a thermoelectric conversion element based on the spin Seebeck effect has a laminated structure of a magnetic insulator film or a magnetic metal film magnetized in one direction and a conductive nonmagnetic metal film. It is constituted by. When a temperature gradient in a direction perpendicular to the film surface is applied to this element, a spin current is induced in the magnetic insulator film or the magnetic metal film by the spin Seebeck effect. When this spin current is injected into the non-magnetic metal film, a current flows in the in-plane direction of the non-magnetic metal film due to the inverse spin Hall effect of the non-magnetic metal film to generate an electromotive force. In particular, since the magnetic insulator film has a relatively low thermal conductivity, the temperature gradient can be increased, which is preferable.
また、異常ネルンスト効果に基づく熱電変換素子は、特許文献１に開示されているように、一方向に磁化しているＮｉやＦｅなどの磁性金属膜によって構成される。この素子に膜面に垂直方向の温度勾配を与えると、磁性金属膜の異常ネルンスト効果によって、磁性金属膜の膜面内方向に電流が流れて起電力が生じる。 Further, as disclosed in Patent Document 1, a thermoelectric conversion element based on the abnormal Nernst effect is constituted by a magnetic metal film such as Ni or Fe magnetized in one direction. When a temperature gradient is applied to the element in a direction perpendicular to the film surface, a current flows in the film metal film direction due to the abnormal Nernst effect of the magnetic metal film, and an electromotive force is generated.
スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果は、いずれも膜面に垂直方向の温度勾配によって膜面内方向に起電力を誘起することから、特許文献１では、これら２つの効果を併用する熱電変換素子に言及している。フェライトのような磁性絶縁体膜とＮｉのような磁性金属膜との積層構造に、膜面に垂直方向の温度勾配を与えると、スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果とが同時に発現する（非特許文献１）。このときスピンゼーベック効果の起電力と異常ネルンスト効果の起電力とが加算されることにより、より大きな起電力を得ることができる。 Since both the spin Seebeck effect and the anomalous Nernst effect induce an electromotive force in the in-plane direction of the film due to a temperature gradient in a direction perpendicular to the film surface, Patent Document 1 mentions a thermoelectric conversion element that combines these two effects. are doing. When a temperature gradient in a direction perpendicular to the film surface is given to a laminated structure of a magnetic insulator film such as ferrite and a magnetic metal film such as Ni, a spin Seebeck effect and an abnormal Nernst effect are simultaneously expressed (Non-patent Document) 1). At this time, a larger electromotive force can be obtained by adding the electromotive force of the spin Seebeck effect and the electromotive force of the abnormal Nernst effect.
また、特許文献４には、磁性金属膜の磁化を一方向に固定する関連技術として、反強磁性膜の交換結合を用いて磁化を一方向に固定する方法を用いた温度センサが開示されている。
しかしながら、特許文献１や非特許文献１に開示されているスピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果を併用する熱電変換素子では、安定した熱電変換を行うために、磁性絶縁体膜や磁性金属膜の磁化を一方向に固定することにおいて課題を有している。 However, in a thermoelectric conversion element using both the spin Seebeck effect and the abnormal Nernst effect disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, in order to perform stable thermoelectric conversion, the magnetization of a magnetic insulator film or a magnetic metal film is changed. There is a problem in fixing in one direction.
磁性絶縁体膜や磁性金属膜の磁化を一方向に固定するためには、磁化を固定する方向に外部からバイアス磁場を印加すればよい。しかしながら、素子構造の単純さや使いやすさといった素子の利便性を鑑みると、外部バイアス磁界なしで磁化が固定されていることが望ましい。この場合には、磁化を一方向に固定するための大きな保磁力を有する磁性材料が必要となる。 In order to fix the magnetization of the magnetic insulator film or the magnetic metal film in one direction, a bias magnetic field may be externally applied in the direction in which the magnetization is fixed. However, in view of the convenience of the element such as simplicity of the element structure and ease of use, it is desirable that the magnetization is fixed without an external bias magnetic field. In this case, a magnetic material having a large coercive force for fixing the magnetization in one direction is required.
磁性絶縁体膜と磁性金属膜の内で、磁性絶縁体膜においては、保磁力が４ｋＯｅ（エルステッド）と大きいコバルトフェライトを用いることが非特許文献２に開示されている。このコバルトフェライトを一方向に着磁することによって、安定した熱電変換を可能とする磁化の固定が可能である。一方、磁性金属膜においては、高い熱電変換性能を有しつつ磁化を一方向に固定するための大きな保磁力を有する磁性材料は知られていない。そのため、磁化を一方向に固定することができず、安定した熱電変換動作ができない。 Non-Patent
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、スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果を併用する熱電変換素子において、安定した熱電変換動作を利便性良く実現することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a stable thermoelectric conversion operation with high convenience in a thermoelectric conversion element that uses both the spin Seebeck effect and the abnormal Nernst effect.
本発明の熱電変換素子は、膜厚方向の温度勾配によって第１の起電力を生じる磁性金属膜と、前記磁性金属膜に積層されて前記磁性金属膜の磁化方向を膜面内の一方向に固定し、膜厚方向の温度勾配によって生じる前記磁性金属膜のスピン流の注入を受けて第２の起電力を生じる反強磁性金属膜と、の積層膜と、前記積層膜の膜面上に前記磁化方向と異なる方向に離隔して並設された一対の端子と、を有する。 The thermoelectric conversion element according to the present invention includes a magnetic metal film that generates a first electromotive force due to a temperature gradient in a film thickness direction, and a magnetization direction of the magnetic metal film stacked on the magnetic metal film in one direction in a film plane. A stacked film of a fixed antiferromagnetic metal film receiving a spin current injection of the magnetic metal film generated by a temperature gradient in a film thickness direction to generate a second electromotive force; And a pair of terminals arranged side by side in a direction different from the magnetization direction.
本発明の熱電変換素子の製造方法は、基板上に、膜厚方向の温度勾配によって第１の起電力を生じる磁性金属膜と、膜厚方向の温度勾配によって生じる前記磁性金属膜のスピン流の注入を受けて第２の起電力を生じる反強磁性金属膜と、の積層膜を成膜し、前記積層膜の成膜時もしくは成膜後に、前記反強磁性金属膜により前記磁性金属膜の磁化方向を膜面内の一方向に固定し、一対の端子を前記積層膜の膜面上に前記磁化方向と異なる方向に離隔して並設する。 The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the present invention is characterized in that a magnetic metal film that generates a first electromotive force due to a temperature gradient in a film thickness direction is formed on a substrate, Forming a laminated film of an antiferromagnetic metal film that generates a second electromotive force upon injection, and forming the laminated metal film by using the antiferromagnetic metal film during or after the formation of the laminated film. The magnetization direction is fixed in one direction in the film plane, and a pair of terminals are arranged in parallel on the film plane of the laminated film in a direction different from the magnetization direction.
本発明の熱電変換素子によれば、スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果を併用する熱電変換素子において、安定した熱電変換動作を利便性良く実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the thermoelectric conversion element of this invention, the stable thermoelectric conversion operation | movement can be implement | achieved with good convenience in the thermoelectric conversion element which uses a spin Seebeck effect and an abnormal Nernst effect together.
以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。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）
図１は、本発明の第１の実施形態の熱電変換素子の構成を示す斜視図である。本実施形態の熱電変換素子１は、磁性金属膜１１と反強磁性金属膜１２との積層膜１３を有する。磁性金属膜１１は、膜厚方向の温度勾配によって第１の起電力を生じる。反強磁性金属膜１２は、磁性金属膜１１に積層されて磁性金属膜１１の磁化方向を膜面内の一方向に固定し、膜厚方向の温度勾配によって生じる磁性金属膜１１のスピン流の注入を受けて第２の起電力を生じる。さらに、積層膜１３の膜面上に磁性金属膜１１の磁化方向と異なる方向に離隔して並設された一対の端子を有する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the embodiments described below have technically preferable limitations for carrying out the present invention, but do not limit the scope of the invention to the following.
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the thermoelectric conversion element according to the first embodiment of the present invention. The thermoelectric conversion element 1 of the present embodiment has a laminated film 13 of a magnetic metal film 11 and an antiferromagnetic metal film 12. The magnetic metal film 11 generates a first electromotive force due to a temperature gradient in the thickness direction. The antiferromagnetic metal film 12 is stacked on the magnetic metal film 11, fixes the magnetization direction of the magnetic metal film 11 in one direction in the film plane, and suppresses the spin current of the magnetic metal film 11 generated by the temperature gradient in the film thickness direction. The injection produces a second electromotive force. Further, a pair of terminals are provided on the film surface of the stacked film 13 so as to be separated from each other in a direction different from the magnetization direction of the magnetic metal film 11.
以上の熱電変換素子１によれば、膜厚方向（図１ではｚ軸方向）の温度勾配によって、スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果とによる熱電変換で起電力（図１ではｘ軸正方向）を得る。このために、磁性金属膜１１の磁化を、反強磁性金属膜１２との交換結合によって所定の方向（図１ではｙ軸正方向）に固定することができる。よって、磁性金属膜１１の磁化を固定するために外部から磁界を印加する必要がないため、素子構造を複雑にしたり素子を使いにくくしたりすることがなくて済む。 According to the thermoelectric conversion element 1 described above, the electromotive force (positive direction in the x-axis in FIG. 1) is generated by the thermoelectric conversion by the spin Seebeck effect and the abnormal Nernst effect due to the temperature gradient in the film thickness direction (the z-axis direction in FIG. 1). obtain. For this reason, the magnetization of the magnetic metal film 11 can be fixed in a predetermined direction (the y-axis positive direction in FIG. 1) by exchange coupling with the antiferromagnetic metal film 12. Therefore, it is not necessary to apply a magnetic field from the outside in order to fix the magnetization of the magnetic metal film 11, so that it is not necessary to complicate the element structure or to make the element difficult to use.
以上のように、本実施形態によれば、スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果を併用する熱電変換素子において、安定した熱電変換動作を利便性良く実現することができる。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態の熱電変換素子の構成を示す斜視図である。本実施形態の熱電変換素子２は、基板２０上に成膜された磁性金属膜２１と反強磁性金属膜２２との積層膜２３と、起電力を取り出すための１対の端子２４とを有する。As described above, according to the present embodiment, a stable thermoelectric conversion operation can be realized with good convenience in a thermoelectric conversion element using both the spin Seebeck effect and the abnormal Nernst effect.
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a perspective view illustrating a configuration of a thermoelectric conversion element according to a second embodiment of the present invention. The
磁性金属膜２１は、異常ネルンスト効果やスピンゼーベック効果を発現する磁性体材料であり、所定の方向（図２ではｙ軸正方向）に磁化が固定されている。磁性金属膜２１は、膜厚方向の温度勾配によって生じる異常ネルンスト効果によりｘ軸方向に第１の起電力を生じる。 The magnetic metal film 21 is a magnetic material exhibiting an abnormal Nernst effect and a spin Seebeck effect, and has a fixed magnetization in a predetermined direction (positive y-axis direction in FIG. 2). The magnetic metal film 21 generates a first electromotive force in the x-axis direction due to an abnormal Nernst effect caused by a temperature gradient in the thickness direction.
反強磁性金属膜２２は、磁性金属膜２１に積層されて磁性金属膜２１の磁化を所定の方向（ｙ軸正方向）に固定する。反強磁性金属膜２２は、膜厚方向の温度勾配によって生じる磁性金属膜２１のスピンゼーベック効果によるスピン流の注入を受けて、スピン流に対する逆スピンホール効果によりｘ軸方向に第２の起電力を生じる。 The antiferromagnetic metal film 22 is laminated on the magnetic metal film 21 and fixes the magnetization of the magnetic metal film 21 in a predetermined direction (y-axis positive direction). The antiferromagnetic metal film 22 receives the spin current injected by the spin Seebeck effect of the magnetic metal film 21 generated by the temperature gradient in the film thickness direction, and generates a second electromotive force in the x-axis direction by the inverse spin Hall effect on the spin current. Is generated.
１対の端子２４は、積層膜２３の膜面上に所定の方向（ｙ軸正方向）に垂直な方向（ｘ軸方向）に離隔して並設されている。これにより端子２４は、ｘ軸方向に生じる第１の起電力と第２の起電力とが加算された起電力を出力することができる。１対の端子２４はまた、積層膜２３の膜面内に所定の方向（ｙ軸正方向）と異なる方向に離隔して並設されていれば、前記の起電力を出力することができる。 The pair of
なお、積層膜２３において、磁性金属膜２１と反強磁性金属膜２２の積層の順序は逆でもよい。すなわち、端子２４との接続は、磁性金属膜２１の表面であっても反強磁性金属膜２２の表面であってもよい。 In the laminated film 23, the order of lamination of the magnetic metal film 21 and the antiferromagnetic metal film 22 may be reversed. That is, the connection with the terminal 24 may be on the surface of the magnetic metal film 21 or on the surface of the antiferromagnetic metal film 22.
以上の熱電変換素子２の動作を以下に説明する。 The operation of the
熱電変換素子２の膜厚方向（ｚ軸方向）に温度勾配を与えると、磁性金属膜２１には、磁性金属膜２１の異常ネルンスト効果によって磁化の方向（ｙ軸正方向）と温度勾配の方向（ｚ軸方向）とに垂直な方向（ｘ軸方向）に電流が流れて起電力が生じる（第１の起電力）。 When a temperature gradient is given in the film thickness direction (z-axis direction) of the
さらに、磁性金属膜２１は、温度勾配によって生じるスピンゼーベック効果により、温度勾配の方向（ｚ軸方向）にスピン流を生じる。磁性金属膜２１で生じたスピン流が反強磁性金属膜２２に注入されると、反強磁性金属膜２２のスピン軌道相互作用が大きいことにより、反強磁性金属膜２２にはスピン流に対しての逆スピンホール効果が生じる。この逆スピンホール効果により、反強磁性金属膜２２にはスピン流の方向（ｚ軸方向）と磁化の方向（ｙ軸正方向）とに垂直な方向（ｘ軸方向）に電流が流れて起電力が生じる（第２の起電力）。 Further, the magnetic metal film 21 generates a spin current in the direction of the temperature gradient (z-axis direction) due to the spin Seebeck effect caused by the temperature gradient. When the spin current generated in the magnetic metal film 21 is injected into the antiferromagnetic metal film 22, the spin-orbit interaction of the antiferromagnetic metal film 22 is large, so that the antiferromagnetic metal film 22 has All reverse spin Hall effects occur. Due to the reverse spin Hall effect, a current flows in the antiferromagnetic metal film 22 in a direction (x-axis direction) perpendicular to the direction of the spin current (z-axis direction) and the direction of magnetization (positive y-axis direction). Electric power is generated (second electromotive force).
ここで、異常ネルンスト効果による第１の起電力と、スピンゼーベック効果による第２の起電力とは、磁性材料の種類によって、同じ極性になる場合もあれば、逆の極性になる場合もある。第１の起電力と第２の起電力とが同じ極性になる場合、双方の起電力が加算された起電力を得ることができる。また、第１の起電力と第２の起電力とが逆の極性になる場合、双方の起電力の差分が出力される。すなわち、第１の起電力と第２の起電力の極性を制御することによって、利用目的に応じた大きい起電力や小さい起電力を、端子２４から得ることが可能である。 Here, the first electromotive force due to the abnormal Nernst effect and the second electromotive force due to the spin Seebeck effect may have the same polarity or may have the opposite polarity depending on the type of magnetic material. When the first electromotive force and the second electromotive force have the same polarity, an electromotive force obtained by adding both electromotive forces can be obtained. When the first electromotive force and the second electromotive force have opposite polarities, a difference between the two electromotive forces is output. That is, by controlling the polarities of the first electromotive force and the second electromotive force, it is possible to obtain a large electromotive force or a small electromotive force from the terminal 24 according to the purpose of use.
このとき磁性金属膜２１の磁化は、反強磁性金属膜２２と磁性金属膜２１との界面で生じる交換結合による交換結合磁界により、所定の方向（ｙ軸正方向）に固定されている。このため、外部磁場の揺らぎなどがある環境下であっても、磁性金属膜２１の磁化の向きは安定している。これにより熱電変換素子２は、安定した熱電変換動作を行うことができる。 At this time, the magnetization of the magnetic metal film 21 is fixed in a predetermined direction (y-axis positive direction) by an exchange coupling magnetic field due to exchange coupling generated at the interface between the antiferromagnetic metal film 22 and the magnetic metal film 21. Therefore, the direction of magnetization of the magnetic metal film 21 is stable even in an environment where there is fluctuation of the external magnetic field. Thereby, the
磁性金属膜２１の材料としては、異常ネルンスト効果を生じる磁性材料であればよい。具体的には、例えば、ＦｅやＮｉやＣｏなどの強磁性金属や、Ｆｅ系磁性合金やＮｉ系磁性合金やＣｏ系磁性合金などの磁性合金を用いることができる。 The material of the magnetic metal film 21 may be any magnetic material that produces an abnormal Nernst effect. Specifically, for example, a ferromagnetic metal such as Fe, Ni, or Co, or a magnetic alloy such as an Fe-based magnetic alloy, a Ni-based magnetic alloy, or a Co-based magnetic alloy can be used.
反強磁性金属膜２２の材料としては、スピン軌道相互作用が大きいことにより逆スピンホール効果を生じることのできる磁性材料であればよい。具体的には、Ｍｎを母材として５ｄ遷移金属元素あるいは貴金属元素を含む反強磁性合金が望ましく、例えば、Ｍｎ３Ｐｔ、Ｍｎ８０Ｉｒ２０、Ｍｎ−Ｒｈ、Ｍｎ−Ｐｄ合金などが望ましい。The material of the antiferromagnetic metal film 22 may be a magnetic material capable of generating an inverse spin Hall effect due to a large spin-orbit interaction. Specifically, the antiferromagnetic alloy preferably containing 5d transition metal element or a noble metal element as a base material for Mn, for example, Mn 3 Pt, Mn 80 Ir 20, Mn-Rh, etc. Mn-Pd alloy is preferable.
磁性金属膜２１と反強磁性金属膜２２の膜厚は、交換結合磁界が膜厚の増大とともに減少することから、双方とも１０ｎｍ以下とすることが望ましい。また、安定した磁気特性を得るために双方とも１ｎｍ以上とすることが望ましい。 The thickness of the magnetic metal film 21 and the thickness of the antiferromagnetic metal film 22 are desirably 10 nm or less because the exchange coupling magnetic field decreases as the film thickness increases. In addition, in order to obtain stable magnetic characteristics, it is desirable that both are 1 nm or more.
端子２４は、積層膜２３の表面に、ｘ軸方向に生じる起電力を出力できるように並設されている。端子２４は、ｘ軸方向に離隔して並設されることが望ましいが、これには限定されない。磁性金属膜２１の磁化方向と異なる方向に離隔して並設されていれば、起電力を出力することができる。 The
端子２４の材料としては、抵抗率の低い金属材料が望ましく、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｃｕなどを用いることができる。また、端子２４の膜厚は、起電力を取り出す際の電気的な接続を安定化するために、磁性金属膜２１や反強磁性金属膜２２の膜厚よりも厚いことが望ましい。より望ましくは３０ｎｍ以上である。 As a material of the terminal 24, a metal material having a low resistivity is desirable, and for example, Au, Pt, Ta, Cu, or the like can be used. The thickness of the terminal 24 is desirably larger than the thickness of the magnetic metal film 21 or the antiferromagnetic metal film 22 in order to stabilize the electrical connection when extracting the electromotive force. More preferably, it is 30 nm or more.
端子２４を電圧計に接続することで、起電力を測定することができる。また、端子２４を蓄電池に接続することで、起電力を蓄電することができる。また、端子を電子回路中の電源回路に接続することで、起電力による電子回路の動作が可能である。 The electromotive force can be measured by connecting the terminal 24 to a voltmeter. Further, by connecting the terminal 24 to a storage battery, the electromotive force can be stored. Further, by connecting the terminal to a power supply circuit in the electronic circuit, the operation of the electronic circuit by electromotive force can be performed.
図３は、本実施形態の熱電変換素子の別の構成を示す斜視図である。図３の熱電変換素子２ａが図２の熱電変換素子２と異なる点は、熱電変換素子２ａでは積層膜２３の表面を保護するキャップ膜２５が設けられている点である。その他の構造は、図２の熱電変換素子２と同じである。 FIG. 3 is a perspective view showing another configuration of the thermoelectric conversion element of the present embodiment. The thermoelectric conversion element 2a in FIG. 3 differs from the
キャップ膜２５は、磁性金属膜２１や反強磁性金属膜２２が酸化することで磁気特性が劣化するのを防ぐことができる。よって、キャップ膜２５を設けることによって、熱電変換動作をさらに安定化することができる。キャップ膜２５の材料としては、酸化しにくい金属であるＰｔやＡｕ、また、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂などの有機高分子材料を用いることができるが、これらには限定されない。 The cap film 25 can prevent the magnetic characteristics from deteriorating due to the oxidation of the magnetic metal film 21 and the antiferromagnetic metal film 22. Therefore, by providing the cap film 25, the thermoelectric conversion operation can be further stabilized. Examples of the material of the cap film 25 include Pt and Au, which are hardly oxidized metals, and organic polymer materials such as polyimide resin and epoxy resin, but are not limited thereto.
図４は、本実施形態の熱電変換素子のさらに別の構成を示す斜視図である。図４の熱電変換素子２ｂが図３の熱電変換素子２ａと異なる点は、熱電変換素子２ｂでは、積層膜２３の表面にパッド２６を設け、パッド２６を介して端子２４を引き出している点である。その他の構造は、図３の熱電変換素子２ａと同じである。 FIG. 4 is a perspective view showing still another configuration of the thermoelectric conversion element of the present embodiment. The thermoelectric conversion element 2b in FIG. 4 differs from the thermoelectric conversion element 2a in FIG. 3 in that the thermoelectric conversion element 2b has a
パッド２６は、起電力を出力できるよう、ｘ軸方向に並設されている。パッド２６は、端子２４よりも広い面積を有して積層膜２３に接続することができるので、起電力を安定的に端子２４に供給することができる。よって、パッド２６を設けることによって、熱電変換動作で生じた起電力をより安定的に出力することができる。なお、パッド２６は、キャップ膜２５が金属などの導電体の場合、キャップ膜２５の表面に設けられてもよい。 The
パッド２６の材料としては、抵抗率の低い金属材料が望ましく、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｃｕなどを用いることができる。また、パッド２６の膜厚は、起電力を取り出す際の電気的な接続を安定化するために、磁性金属膜２１や反強磁性金属膜２２の膜厚よりも厚いことが望ましい。より望ましくは３０ｎｍ以上である。 As a material of the
次に、本実施形態の熱電変換素子２の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the
まず、基板２０上に、磁性金属膜２１と反強磁性金属膜２２の積層膜２３を成膜する。成膜方法としては、スパッタ法やパルスレーザー堆積法や電子ビーム蒸着法などの物理蒸着法を用いることができる。この成膜を、図５に示すように所定の方向（ｙ軸正方向）に外部磁界を印加した中で行うことで、磁性金属膜２１と反強磁性金属膜２２との界面での交換結合により、磁性金属膜２１の磁化を所定の方向（ｙ軸正方向）に固定することができる。 First, a laminated film 23 of a magnetic metal film 21 and an antiferromagnetic metal film 22 is formed on a substrate 20. As a film formation method, a physical vapor deposition method such as a sputtering method, a pulse laser deposition method, or an electron beam vapor deposition method can be used. By performing this film formation while applying an external magnetic field in a predetermined direction (positive y-axis direction) as shown in FIG. 5, exchange coupling at the interface between the magnetic metal film 21 and the antiferromagnetic metal film 22 is achieved. Thereby, the magnetization of the magnetic metal film 21 can be fixed in a predetermined direction (y-axis positive direction).
また、積層膜２３の成膜の後に、所定の方向（ｙ軸正方向）に外部磁界を印加した中で、熱処理を行うことができる。この熱処理により、磁性金属膜２１と反強磁性金属膜２２との交換結合の発現や強化が可能であることから、磁性金属膜２１の磁化を所定の方向（ｙ軸正方向）により強固に固定することができる。 After the formation of the laminated film 23, the heat treatment can be performed while an external magnetic field is applied in a predetermined direction (positive y-axis direction). By this heat treatment, the exchange coupling between the magnetic metal film 21 and the antiferromagnetic metal film 22 can be developed and strengthened, so that the magnetization of the magnetic metal film 21 is more firmly fixed in a predetermined direction (positive y-axis direction). can do.
なお、磁性金属膜２１と反強磁性金属膜２２の基板２０上への成膜の順序は、磁性金属膜２１が先であっても、反強磁性金属膜２２が先であってもよい。 The order of forming the magnetic metal film 21 and the antiferromagnetic metal film 22 on the substrate 20 may be either the magnetic metal film 21 or the antiferromagnetic metal film 22.
キャップ膜２５を形成する場合、積層膜２３の成膜に引き続いて、キャップ膜２５を成膜することができる。キャップ膜２５を物理蒸着法で成膜する場合は、積層膜２３の成膜時の真空状態を持続させて、積層膜２３の表面を大気中に曝露することなくキャップ膜２５を成膜することができる。 When the cap film 25 is formed, the cap film 25 can be formed subsequent to the formation of the stacked film 23. When forming the cap film 25 by the physical vapor deposition method, the vacuum state at the time of forming the stacked film 23 is maintained, and the cap film 25 is formed without exposing the surface of the stacked film 23 to the atmosphere. Can be.
次に、積層膜２３の表面に、ｘ軸方向に並設した１対の端子２４を形成する。端子２４は、端子２４を構成する材料を所望の厚さに成膜し、所望の形状に加工する。このときの成膜方法としては、スパッタ法やパルスレーザー堆積法や電子ビーム蒸着法などの物理蒸着法を用いることができる。また、加工方法としては、フォトリソグラフィにより所望の形状のマスクを形成し、このマスクを用いたドライエッチングやウエットエッチングにより、端子２４の形状に加工することができる。 Next, a pair of
実施例１： 図６は、本実施形態の熱電変換素子の実施例１を示す斜視図である。実施例１の熱電変換素子は、基板２０として厚さ０．７ｍｍの置換ガドリニウムガリウムガーネット基板（ＳＧＧＧ、組成は（ＧｄＣａ）３（ＧａＭｇＺｒ）５Ｏ１２）を、磁性金属膜２１として膜厚４ｎｍのＮｉ膜を、反強磁性金属膜２２として膜厚４ｎｍのＭｎ−Ｉｒ合金（組成はＭｎ８０Ｉｒ２０）膜を、それぞれ用いた。さらにＭｎ−Ｉｒ膜の表面に、キャップ膜２５として膜厚１．５ｎｍのＰｔ膜を形成した。Example 1 FIG. 6 is a perspective view showing Example 1 of the thermoelectric conversion element of the present embodiment. In the thermoelectric conversion element of Example 1, a substituted gadolinium gallium garnet substrate (SGGG, composition of (GdCa) 3 (GaMgZr) 5 O 12 ) having a thickness of 0.7 mm was used as the substrate 20, and a 4 nm-thick film was used as the magnetic metal film 21. As the Ni film, a 4 nm-thick Mn-Ir alloy (composition: Mn 80 Ir 20 ) film was used as the antiferromagnetic metal film 22. Further, a 1.5 nm-thick Pt film was formed as a cap film 25 on the surface of the Mn-Ir film.
以上の各膜は、それぞれＮｉ、Ｍｎ−Ｉｒ合金、Ｐｔのターゲット材料を用いて、アルゴンガス中のマグネトロンスパッタ法により成膜した。この成膜の際には、図５に示すようにｙ軸正方向（所定の方向）に磁界を印加した。磁界は、ネオジウム系磁石の磁極を対向させた磁極間で発生させた一方向の磁界であり、基板の位置で約４ｋＯｅとした。 Each of the above films was formed by magnetron sputtering in argon gas using target materials of Ni, Mn-Ir alloy, and Pt. During the film formation, a magnetic field was applied in the positive y-axis direction (predetermined direction) as shown in FIG. The magnetic field was a unidirectional magnetic field generated between the magnetic poles of the neodymium-based magnet facing each other, and was about 4 kOe at the position of the substrate.
さらに、端子２４として、膜厚３０ｎｍのＡｕ膜をマグネトロンスパッタ法により成膜し、フォトリソグラフィとイオンミリングにより、ｘ軸方向に離隔して並べた１対の端子を形成した。 Further, as the
また、図６の熱電変換素子の比較例として、反強磁性金属膜２２であるＭｎ−Ｉｒ膜を除いた熱電変換素子を作製した。比較例としての熱電変換素子は、Ｍｎ−Ｉｒ膜を除いている以外は、実施例１の熱電変換素子と同じとした。 Further, as a comparative example of the thermoelectric conversion element of FIG. 6, a thermoelectric conversion element excluding the Mn-Ir film as the antiferromagnetic metal film 22 was manufactured. The thermoelectric conversion element as a comparative example was the same as the thermoelectric conversion element of Example 1 except that the Mn-Ir film was omitted.
以上の実施例１の熱電変換素子と、比較例の熱電変換素子の熱電変換特性を評価し比較した。 The thermoelectric conversion characteristics of the thermoelectric conversion element of Example 1 and the thermoelectric conversion element of the comparative example were evaluated and compared.
図７Ａは、実施例１の熱電変換素子の、また、図７Ｂは、比較例の熱電変換素子の、各々の熱電変換特性として、起電力の磁界依存性を示す図である。図７Ａおよび図７Ｂは、基板からキャップ膜表面に向けての温度勾配ΔＴを８Ｋ、０Ｋ、−８Ｋとした場合について、ｙ軸方向に印加する磁界（横軸）の大きさと極性を変えながら、起電力（縦軸）を端子で測定した結果を示している。 7A is a diagram illustrating the thermoelectric conversion element of Example 1 and FIG. 7B is a diagram illustrating the magnetic field dependence of the electromotive force as the thermoelectric conversion characteristics of the thermoelectric conversion element of the comparative example. FIGS. 7A and 7B show the case where the temperature gradient ΔT from the substrate to the cap film surface is 8K, 0K, and −8K, while changing the magnitude and polarity of the magnetic field (horizontal axis) applied in the y-axis direction. The result of measuring the electromotive force (vertical axis) at the terminal is shown.
図７Ａでは、磁界が０Ｏｅのときに、温度勾配ΔＴに対応した起電力が得られた。すなわち、ΔＴが８Ｋでは正の起電力が、０Ｋでは０の起電力が、−８Ｋでは負の起電力が得られた。このことは、外部磁界のない状態でＮｉ膜の磁化がｙ軸正方向に固定されていることによって、正常な熱電変換動作が行われていることを示している。 In FIG. 7A, when the magnetic field is 0 Oe, an electromotive force corresponding to the temperature gradient ΔT is obtained. That is, when ΔT was 8K, a positive electromotive force was obtained at 0K, a zero electromotive force was obtained at 0K, and a negative electromotive force was obtained at −8K. This indicates that a normal thermoelectric conversion operation is being performed because the magnetization of the Ni film is fixed in the positive y-axis direction without an external magnetic field.
また、図７Ａでは、磁界を正（ｙ軸正方向）に増大させた場合、温度勾配ΔＴに対応した起電力が安定的に得られた。一方、磁界を負（ｙ軸負方向）に増大させた場合、−２００Ｏｅ前後で起電力の極性が反転した。これは、Ｍｎ−Ｉｒ膜とＮｉ膜との交換結合によりｙ軸正方向に２００Ｏｅ程度の交換結合磁界が発生し、この交換結合磁界により、Ｎｉの磁化がｙ軸正方向に固定されたことを示している。 In FIG. 7A, when the magnetic field was increased in the positive direction (positive y-axis direction), an electromotive force corresponding to the temperature gradient ΔT was stably obtained. On the other hand, when the magnetic field was increased in the negative direction (y-axis negative direction), the polarity of the electromotive force was reversed around -200 Oe. This is because the exchange coupling between the Mn-Ir film and the Ni film generated an exchange coupling magnetic field of about 200 Oe in the positive y-axis direction, and the exchange coupling magnetic field fixed the magnetization of Ni in the positive y-axis direction. Is shown.
−２００Ｏｅ前後での起電力の極性の反転は、外部磁界が交換結合磁界よりも大きくなった結果、Ｎｉ膜の磁化がｙ軸負方向に反転したことを示している。なお、ｙ軸負方向に反転したＮｉ膜の磁化は、外部磁界が取り去られると、交換結合磁界によって再びｙ軸正方向に固定される。 The reversal of the polarity of the electromotive force at around -200 Oe indicates that the magnetization of the Ni film was reversed in the negative y-axis direction as a result of the external magnetic field being larger than the exchange coupling magnetic field. When the external magnetic field is removed, the magnetization of the Ni film inverted in the y-axis negative direction is fixed again in the y-axis positive direction by the exchange coupling magnetic field.
以上のように、実施例１の熱電変換素子では、外部磁界のない状態、もしくは−２００Ｏｅ程度以下の磁界中であれば、温度勾配ΔＴに対応した起電力が得られた。これは、Ｍｎ−Ｉｒ膜とＮｉ膜との交換結合によりＮｉ膜の磁化がｙ軸正方向に固定されたことによる。 As described above, in the thermoelectric conversion element of Example 1, an electromotive force corresponding to the temperature gradient ΔT was obtained in a state where there was no external magnetic field or in a magnetic field of about −200 Oe or less. This is because the magnetization of the Ni film was fixed in the positive y-axis direction by exchange coupling between the Mn-Ir film and the Ni film.
一方、図７Ｂでは、磁界が０Ｏｅのときに、起電力は正から負にわたって大きく変化し、温度勾配ΔＴに対応した起電力が安定的に得られなかった。このことは、外部磁界のない状態ではＮｉ膜の磁化がｙ軸正方向に固定されることなく不安定となっていたために、正常な熱電変換動作が行われなかったことを示している。 On the other hand, in FIG. 7B, when the magnetic field was 0 Oe, the electromotive force changed greatly from positive to negative, and an electromotive force corresponding to the temperature gradient ΔT was not stably obtained. This indicates that normal thermoelectric conversion operation was not performed because the magnetization of the Ni film was unstable without being fixed in the positive y-axis direction in the absence of an external magnetic field.
一方、図７Ｂでは、磁界を正（ｙ軸正方向）もしくは負（ｙ軸負方向）に増大させた場合、温度勾配ΔＴに対応した起電力が安定的に得られた。これは、外部磁界によって、Ｎｉの磁化がｙ軸正方向もしくはｙ軸負方向に固定されたことを示している。しかしながら、外部磁界によって固定されたＮｉ膜の磁化は、外部磁界が取り去られると、再び不安定になる。 On the other hand, in FIG. 7B, when the magnetic field was increased in the positive (y-axis positive direction) or negative (y-axis negative direction), an electromotive force corresponding to the temperature gradient ΔT was obtained stably. This indicates that the magnetization of Ni was fixed in the positive y-axis direction or the negative y-axis direction by the external magnetic field. However, the magnetization of the Ni film fixed by the external magnetic field becomes unstable again when the external magnetic field is removed.
以上のように、実施例１の比較例の熱電変換素子では、外部磁界のない状態では安定した起電力が得られなかった。そして、安定した起電力を得るためには、外部磁界を所定の方向に印加しなければならなかった。 As described above, in the thermoelectric conversion element of the comparative example of Example 1, no stable electromotive force was obtained without an external magnetic field. In order to obtain a stable electromotive force, an external magnetic field has to be applied in a predetermined direction.
以上の本実施形態の熱電変換素子２および実施例１の熱電変換素子によれば、スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果とによる熱電変換で起電力を得るために、反強磁性金属膜との交換結合によって磁性金属膜の磁化を所定の方向に固定することができる。これにより、磁性金属膜の磁化を所定の方向に固定するために外部から磁界を印加する必要がなく、素子構造を複雑にしたり素子を使いにくくしたりすることがなくて済む。 According to the above-described
以上のように、本実施形態および本実施例によれば、スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果を併用する熱電変換素子において、安定した熱電変換動作を利便性良く実現することができる。
（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態の熱電変換素子の構成を示す斜視図である。本実施形態の熱電変換素子３が第２の実施形態の熱電変換素子２と異なる点は、熱電変換素子３では、基板３０と、磁性金属膜３１と反強磁性金属膜３２の積層膜３３との間に、磁性絶縁体膜３５が設けられている点である。その他の構成、すなわち、基板３０や、磁性金属膜３１と反強磁性金属膜３２との積層膜３３や、１対の端子３４は、熱電変換素子２と同じである。As described above, according to the present embodiment and the present embodiment, a stable thermoelectric conversion operation can be realized with good convenience in a thermoelectric conversion element using both the spin Seebeck effect and the abnormal Nernst effect.
(Third embodiment)
FIG. 8 is a perspective view illustrating a configuration of a thermoelectric conversion element according to a third embodiment of the present invention. The difference between the thermoelectric conversion element 3 of the present embodiment and the
磁性絶縁体膜３５は、スピンゼーベック効果を発現する磁性材料である。磁性絶縁体膜３５の磁化は、磁性金属膜３１の磁化と同様に、所定の方向（図８ではｙ軸正方向）に固定されている。磁性絶縁体膜３５は、膜厚方向（ｚ軸方向）の温度勾配によって生じるスピンゼーベック効果により、膜厚方向（ｚ軸方向）にスピン流を生じる。 The magnetic insulator film 35 is a magnetic material that exhibits a spin Seebeck effect. The magnetization of the magnetic insulator film 35 is fixed in a predetermined direction (the positive y-axis direction in FIG. 8), similarly to the magnetization of the magnetic metal film 31. The magnetic insulator film 35 generates a spin current in the film thickness direction (z-axis direction) due to the spin Seebeck effect caused by the temperature gradient in the film thickness direction (z-axis direction).
磁性金属膜３１と反強磁性金属膜３２は、磁性絶縁体膜３５で生じたスピン流の注入を受けて、スピン流に対する逆スピンホール効果によりｘ軸方向に第３の起電力を生じる。 The magnetic metal film 31 and the antiferromagnetic metal film 32 receive the spin current generated by the magnetic insulator film 35, and generate a third electromotive force in the x-axis direction by the inverse spin Hall effect on the spin current.
１対の端子３４は、磁性金属膜２１の異常ネルンスト効果によって生じる第１の起電力と、磁性金属膜３１のスピンゼーベック効果により生じたスピン流に対して反強磁性金属膜３２の逆スピンホール効果によって生じる第２の起電力と、第３の起電力とが加算された起電力を出力する。 The pair of
磁性絶縁体膜３５の材料としては、スピンゼーベック効果を発現する絶縁性の磁性材料であればよい。具体的には、例えば、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ、組成はＹ３Ｆｅ５Ｏ１２）や、ビスマス（Ｂｉ）を添加したＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ、組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）や、Ｃｏフェライト（組成はＣｏＦｅ２Ｏ４）や、Ｎｉ−Ｚｎフェライト（組成は（Ｎｉ，Ｚｎ）ＸＦｅ３−ＸＯ４））などを用いることができる。The material of the magnetic insulator film 35 may be any insulating magnetic material that exhibits a spin Seebeck effect. Specifically, for example, yttrium iron garnet (YIG, composition is Y 3 Fe 5 O 12 ), YIG to which bismuth (Bi) is added (Bi: YIG, composition is BiY 2 Fe 5 O 12 ), Co ferrite (composition CoFe 2 O 4) and, Ni-Zn ferrite (composition (Ni, Zn) X Fe 3 -X O 4) or the like can be used).
磁性絶縁体膜３５の磁化は、磁性絶縁体膜３５の材料の保磁力よりも大きい磁界を所定の方向に印加することによる着磁により、所定の方向に固定される。磁性絶縁体膜３５の材料の保磁力が大きいことにより、磁界を取り去った後も、磁性絶縁体膜３５の磁化は所定の方向を保持することができる。 The magnetization of the magnetic insulator film 35 is fixed in a predetermined direction by magnetization by applying a magnetic field larger than the coercive force of the material of the magnetic insulator film 35 in a predetermined direction. Due to the large coercive force of the material of the magnetic insulator film 35, the magnetization of the magnetic insulator film 35 can maintain a predetermined direction even after the magnetic field is removed.
磁性絶縁体膜３５を設けることによる第１の効果は、磁性絶縁体膜３５のスピンゼーベック効果に基づく前記の第３の起電力が、第１と第２の起電力に加算されることにより、大きな起電力が得られるようになることである。さらに、磁性絶縁体膜３５の第２の効果は、磁性絶縁体膜３５は酸化物などであるため熱伝導率が小さいことから、膜厚方向での温度勾配を大きくすることができ、大きな起電力が得られることである。 The first effect of providing the magnetic insulator film 35 is that the third electromotive force based on the spin Seebeck effect of the magnetic insulator film 35 is added to the first and second electromotive forces. That is, a large electromotive force can be obtained. Further, the second effect of the magnetic insulator film 35 is that since the magnetic insulator film 35 is made of an oxide or the like and has a low thermal conductivity, the temperature gradient in the film thickness direction can be increased, and a large effect can be obtained. Power is to be obtained.
なお、磁性絶縁体層３５の膜厚は、熱電変換性能を大きくするためには、磁性絶縁体材料のスピン緩和長と同程度かそれ以上が望ましい。具体的には、磁性絶縁体層３５の膜厚は５０ｎｍ以上が望ましい。 The thickness of the magnetic insulator layer 35 is desirably equal to or longer than the spin relaxation length of the magnetic insulator material in order to increase thermoelectric conversion performance. Specifically, the thickness of the magnetic insulator layer 35 is desirably 50 nm or more.
なお、磁性絶縁体膜３５に起因する第３の起電力の極性は、磁性絶縁体膜３５の材料の種類や、磁性絶縁体膜３５の磁化をｙ軸正方向に固定するかｙ軸負方向に固定するかによって、制御することができる。 The polarity of the third electromotive force caused by the magnetic insulator film 35 depends on the type of the material of the magnetic insulator film 35 and whether the magnetization of the magnetic insulator film 35 is fixed in the positive y-axis direction or in the negative y-axis direction. Can be controlled by fixing to
図９は、本実施形態の熱電変換素子の別の構成を示す斜視図である。図９の熱電変換素子３ａが図８の熱電変換素子３と異なる点は、熱電変換素子３ａでは積層膜３３ａの磁性金属膜３１と反強磁性金属膜３２の積層の順序が、熱電変換素子３の積層膜３３の積層の順序と逆である点である。その他の構造は、図８の熱電変換素子３と同じである。 FIG. 9 is a perspective view showing another configuration of the thermoelectric conversion element of the present embodiment. 9 is different from the thermoelectric conversion element 3 of FIG. 8 in that the order of lamination of the magnetic metal film 31 and the antiferromagnetic metal film 32 of the laminated film 33a is different from that of the thermoelectric conversion element 3a. Is the reverse of the order of lamination of the laminated film 33. Other structures are the same as those of the thermoelectric conversion element 3 in FIG.
熱電変換素子３ａにおいても、反強磁性金属膜３２と磁性金属膜３１との界面での交換結合により、磁性金属膜３１の磁化を所定の方向（ｙ軸正方向）に固定することができる。 Also in the thermoelectric conversion element 3a, the magnetization of the magnetic metal film 31 can be fixed in a predetermined direction (positive y-axis direction) by exchange coupling at the interface between the antiferromagnetic metal film 32 and the magnetic metal film 31.
また、反強磁性金属膜３２は、磁性絶縁体膜３５からのスピン流と磁性金属膜３１からのスピン流とから、逆スピンホール効果によって起電力を生じることができる。さらに、反強磁性金属膜３２は、磁性絶縁体膜３５からのスピン流を磁性金属膜３１へ効率よく伝える中間層の役割を果たす。磁性金属膜３１は、磁性絶縁体膜３５からのスピン流を受けて、逆スピンホール効果によって起電力を生じることができる。 The antiferromagnetic metal film 32 can generate an electromotive force from the spin current from the magnetic insulator film 35 and the spin current from the magnetic metal film 31 by the inverse spin Hall effect. Further, the antiferromagnetic metal film 32 plays a role of an intermediate layer that efficiently transmits the spin current from the magnetic insulator film 35 to the magnetic metal film 31. The magnetic metal film 31 receives the spin current from the magnetic insulator film 35 and can generate an electromotive force by the inverse spin Hall effect.
実施例２： 図１０は、本実施形態の熱電変換素子の実施例２を示す斜視図である。実施例２の熱電変換素子は、基板２０として厚さ０．５ｍｍのＭｇＡｌ２Ｏ４（ＭＡＯ）を、磁性絶縁体膜３５として膜厚１００ｎｍのコバルトフェライト膜（組成はＣｏＦｅ２Ｏ ４）を、磁性金属膜２１として膜厚４ｎｍのＮｉ膜を、反強磁性金属膜２２として膜厚４ｎｍのＭｎ−Ｉｒ合金（組成はＭｎ８０Ｉｒ２０）膜を、それぞれ用いた。さらに、Ｍｎ−Ｉｒの表面に、キャップ膜２５として膜厚１．５ｎｍのＰｔ膜を形成した。 Example 2: FIG. 10 is a perspective view showing Example 2 of the thermoelectric conversion element of the present embodiment. The thermoelectric conversion element of the second embodiment has a2O4(MAO) as a magnetic insulator film 35, a 100-nm-thick cobalt ferrite film (composition: CoFe2O 4) Is a 4 nm-thick Mn—Ir alloy (composition is Mn)80Ir20) Membranes were each used. Further, a 1.5 nm-thick Pt film was formed as a cap film 25 on the surface of Mn-Ir.
実施例２の熱電変換素子が実施例１の熱電変換素子と異なる点は、磁性絶縁体膜３５として膜厚１００ｎｍのコバルトフェライト膜が設けられた点であり、その他の構成は実施例１の熱電変換素子と同じとした。 The thermoelectric conversion element of the second embodiment differs from the thermoelectric conversion element of the first embodiment in that a 100-nm-thick cobalt ferrite film is provided as the magnetic insulator film 35, and the other configurations are the same as those of the first embodiment. The same as the conversion element was used.
コバルトフェライト膜は、コバルト鉄合金ターゲットを用いたアルゴン-酸素混合ガス中の反応性スパッタ法により成膜した。また、Ｎｉ膜とＭｎ８０Ｉｒ２０膜は、実施例１と同様に、アルゴンガス中のマグネトロンスパッタ法により成膜した。この成膜の際には、図５に示すようにｙ軸正方向（所定の方向）に磁界を印加した。磁界は、ネオジウム系磁石の磁極を対向させた磁極間で発生させた一方向の磁界であり、基板の位置で約４ｋＯｅとした。The cobalt ferrite film was formed by a reactive sputtering method in an argon-oxygen mixed gas using a cobalt iron alloy target. Further, the Ni film and the Mn 80 Ir 20 film were formed by a magnetron sputtering method in an argon gas in the same manner as in Example 1. During the film formation, a magnetic field was applied in the positive y-axis direction (predetermined direction) as shown in FIG. The magnetic field was a unidirectional magnetic field generated between the magnetic poles of the neodymium-based magnet facing each other, and was about 4 kOe at the position of the substrate.
成膜後、コバルトフェライト膜の保磁力（４ｋＯｅ）よりも大きい磁界を所定の方向（ｙ軸正方向）に印加することにより、コバルトフェライト膜の磁化を所定の方向に固定した。 After the film formation, the magnetization of the cobalt ferrite film was fixed in a predetermined direction by applying a magnetic field larger than the coercive force (4 kOe) of the cobalt ferrite film in a predetermined direction (y-axis positive direction).
以上の実施例２の熱電変換素子の熱電変換特性を評価した。その結果、外部磁界のない状態、もしくは−２００Ｏｅ程度以下の磁界中であれば、温度勾配ΔＴに対応した起電力が得られた。これは、Ｍｎ−Ｉｒ膜とＮｉ膜との交換結合によりＮｉ膜の磁化がｙ軸正方向に固定され、また、コバルトフェライト膜の磁化が保磁力によりｙ軸正方向に固定されたことを示している。 The thermoelectric conversion characteristics of the thermoelectric conversion element of Example 2 described above were evaluated. As a result, an electromotive force corresponding to the temperature gradient ΔT was obtained in a state without an external magnetic field or in a magnetic field of about −200 Oe or less. This indicates that the exchange coupling between the Mn-Ir film and the Ni film fixed the magnetization of the Ni film in the positive y-axis direction and the magnetization of the cobalt ferrite film was fixed in the positive y-axis direction by the coercive force. ing.
以上の本実施形態の熱電変換素子３および実施例２の熱電変換素子によれば、スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果とによる熱電変換で起電力を得るために、反強磁性金属膜との交換結合によって磁性金属膜の磁化を所定の方向に固定することができる。また、磁性絶縁体膜の磁化を保磁力によって所定の方向に固定することができる。これらにより、磁性金属膜や磁性絶縁体膜の磁化を所定の方向に固定するために外部から磁界を印加する必要がなく、素子構造を複雑にしたり素子を使いにくくしたりすることがなくて済む。 According to the thermoelectric conversion element 3 of the present embodiment and the thermoelectric conversion element of Example 2, the exchange coupling with the antiferromagnetic metal film is required in order to obtain the electromotive force by the thermoelectric conversion by the spin Seebeck effect and the abnormal Nernst effect. Thereby, the magnetization of the magnetic metal film can be fixed in a predetermined direction. Further, the magnetization of the magnetic insulator film can be fixed in a predetermined direction by the coercive force. Thus, there is no need to apply an external magnetic field to fix the magnetization of the magnetic metal film or the magnetic insulator film in a predetermined direction, and it is not necessary to complicate the element structure or make the element difficult to use. .
以上のように、本実施形態および本実施例によれば、スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果を併用する熱電変換素子において、安定した熱電変換動作を利便性良く実現することができる。
（第４の実施形態）
図１１は、本発明の第４の実施形態の熱電変換素子の構成を示す斜視図である。本実施形態の熱電変換素子４が第３の実施形態の熱電変換素子３と異なる点は、熱電変換素子４では、磁性金属膜４１と反強磁性金属膜４２との積層膜４３が複数積層されている点である。図１１では、積層膜４３が３つ積層されている場合を示しているが、これには限定されず、任意の数を積層することができる。As described above, according to the present embodiment and the present embodiment, a stable thermoelectric conversion operation can be realized with good convenience in a thermoelectric conversion element using both the spin Seebeck effect and the abnormal Nernst effect.
(Fourth embodiment)
FIG. 11 is a perspective view illustrating a configuration of a thermoelectric conversion element according to a fourth embodiment of the present invention. The difference between the
熱電変換素子４のその他の構成、すなわち、基板４０や、磁性絶縁体膜４５や、磁性金属膜４１と反強磁性金属膜４２との積層膜４３や、１対の端子４４は、熱電変換素子３と同じである。 The other components of the
積層膜４３の積層数を増すことによって、磁性金属膜４１の異常ネルンスト効果に基づく電流や、磁性金属膜４１のスピンゼーベック効果に対する反強磁性金属膜４２の逆スピンホール効果に基づく電流を増すことができる。これにより、熱電変換素子４としての起電力を大きくすることができる。 Increasing the number of
さらに、積層膜４３を構成する磁性金属膜４１と反強磁性金属膜４２の膜厚を薄くして、磁性金属膜４１と反強磁性金属膜４２の交換結合磁界を増大させることによって、磁性金属膜４１の磁化の固定を強化することができる。磁性金属膜４１と反強磁性金属膜４２の一層あたりの厚さはいずれも１０nm以下が望ましい。 Furthermore, by reducing the thickness of the
一方で、膜厚を薄くすることによって積層膜４３ごとの抵抗値は大きくなっても、複数層を積層させることによって抵抗値を低減させることができる。出力電圧Ｖは膜厚や積層数にほとんど依存ないため、積層数を増やして抵抗Ｒを下げるほど、起電力Ｗ＝Ｖ２／Ｒを大きくすることができる。On the other hand, even if the resistance value of each
また、磁性金属膜４１と反強磁性金属膜４２の積層の順序は、図１１の逆であってもよい。積層の順序が逆になることによって、磁性絶縁体膜４５と磁性金属膜４１の間に反強磁性金属膜４２が介在する。反強磁性金属膜４２は、磁性絶縁体膜４５からのスピン流に対する逆スピンホール効果によって起電力を生じるとともに、スピン流を磁性金属膜４１に効率よく伝える中間層の役割を果たすことができる。 Further, the order of lamination of the
実施例３： 図１２は、本実施形態の熱電変換素子の実施例３を示す斜視図である。実施例３の熱電変換素子は、基板２０として厚さ０．５ｍｍのＭｇＡｌ２Ｏ４（ＭＡＯ）を、磁性絶縁体膜３５として膜厚１００ｎｍのコバルトフェライト膜（組成はＣｏＦｅ２Ｏ ４）を、磁性金属膜２１として膜厚４ｎｍのＮｉ膜を、反強磁性金属膜２２として膜厚４ｎｍのＭｎ−Ｉｒ（Ｍｎ８０Ｉｒ２０）膜を、それぞれ用いた。さらに、Ｎｉ膜とＭｎ−Ｉｒ膜との積層膜を３つ積層した。さらに、Ｍｎ−Ｉｒ膜の表面に、キャップ膜２５として膜厚１．５ｎｍのＰｔ膜を形成した。 Example 3 FIG. 12 is a perspective view showing Example 3 of the thermoelectric conversion element of the present embodiment. The thermoelectric conversion element according to the third embodiment is configured such that the substrate 20 is made of MgAl having a thickness of 0.5 mm.2O4(MAO) as a magnetic insulator film 35, a 100-nm-thick cobalt ferrite film (composition: CoFe2O 4), A 4 nm-thick Ni film as the magnetic metal film 21 and a 4 nm-thick Mn-Ir (Mn) as the antiferromagnetic metal film 22.80Ir20) Membranes were each used. Further, three laminated films of a Ni film and a Mn-Ir film were laminated. Further, a 1.5 nm-thick Pt film was formed as a cap film 25 on the surface of the Mn-Ir film.
実施例３の熱電変換素子が実施例２の熱電変換素子と異なる点は、Ｎｉ膜とＭｎ−Ｉｒ膜との積層膜を３つ積層した点であり、その他の構成は実施例１の熱電変換素子と同じとした。Ｎｉ膜とＭｎ−Ｉｒ膜との積層膜を３つ積層する成膜には、アルゴンガス中のマグネトロンスパッタ法を用い、成膜中にｙ軸正方向（所定の方向）に４ｋＯｅの磁界を印加した。 The thermoelectric conversion element of the third embodiment is different from the thermoelectric conversion element of the second embodiment in that three stacked films of a Ni film and a Mn-Ir film are stacked, and the other configuration is the same as that of the first embodiment. It was the same as the element. For forming three stacked films of a Ni film and a Mn-Ir film, a magnetron sputtering method in an argon gas is used, and a magnetic field of 4 kOe is applied in the positive y-axis direction (predetermined direction) during the film formation. did.
以上の実施例３の熱電変換素子の熱電変換特性を評価した。その結果、外部磁界のない状態、もしくは−２００Ｏｅ程度以下の磁界中であれば、温度勾配ΔＴに対応した起電力が得られた。これは、Ｍｎ−Ｉｒ膜とＮｉ膜との交換結合によりＮｉ膜の磁化がｙ軸正方向に固定され、また、コバルトフェライト膜の磁化が保磁力によりｙ軸正方向に固定されたことを示している。 The thermoelectric conversion characteristics of the thermoelectric conversion element of Example 3 described above were evaluated. As a result, an electromotive force corresponding to the temperature gradient ΔT was obtained in a state without an external magnetic field or in a magnetic field of about −200 Oe or less. This indicates that the exchange coupling between the Mn-Ir film and the Ni film fixed the magnetization of the Ni film in the positive y-axis direction and the magnetization of the cobalt ferrite film was fixed in the positive y-axis direction by the coercive force. ing.
以上の本実施形態の熱電変換素子４および実施例３の熱電変換素子によれば、スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果とによる熱電変換で起電力を得るために、反強磁性金属膜との交換結合によって磁性金属膜の磁化を所定の方向に固定することができる。また、磁性絶縁体膜の磁化を保磁力によって所定の方向に固定することができる。これらにより、磁性金属膜や磁性絶縁体膜の磁化を所定の方向に固定するために外部から磁界を印加する必要がなく、素子構造を複雑にしたり素子を使いにくくしたりすることがなくて済む。 According to the above-described
以上のように、本実施形態および本実施例によれば、スピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果を併用する熱電変換素子において、安定した熱電変換動作を利便性良く実現することができる。 As described above, according to the present embodiment and the present embodiment, a stable thermoelectric conversion operation can be realized with good convenience in a thermoelectric conversion element using both the spin Seebeck effect and the abnormal Nernst effect.
以上、実施形態及び実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。 As described above, the present invention has been described with reference to the exemplary embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the exemplary embodiments and examples. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention.
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。
（付記１）
膜厚方向の温度勾配によって第１の起電力を生じる磁性金属膜と、
前記磁性金属膜に積層されて前記磁性金属膜の磁化方向を膜面内の一方向に固定し、膜厚方向の温度勾配によって生じる前記磁性金属膜のスピン流の注入を受けて第２の起電力を生じる反強磁性金属膜と、の積層膜と、
前記積層膜の膜面上に前記磁化方向と異なる方向に離隔して並設された一対の端子と、を有する熱電変換素子。
（付記２）
前記磁性金属膜は、異常ネルンスト効果により前記第１の起電力を生じる、付記１記載の熱電変換素子。
（付記３）
前記磁性金属膜は、スピンゼーベック効果により前記スピン流を生じる、付記１または２記載の熱電変換素子。
（付記４）
前記反強磁性金属膜は、前記スピン流に対する逆スピンホール効果により前記第２の起電力を生じる、付記１から３の内の１項記載の熱電変換素子。
（付記５）
前記端子は、前記磁化方向の垂直方向に並設されている、付記１から４の内の１項記載の熱電変換素子。
（付記６）
前記端子は、前記第１の起電力と前記第２の起電力を加算して出力する、付記１から５の内の１項記載の熱電変換素子。
（付記７）
前記積層膜に積層され、前記磁性金属膜の磁化方向に磁化し、膜厚方向の温度勾配によって生じるスピン流を前記積層膜に注入する磁性絶縁体膜を有し、前記積層膜は前記磁性絶縁体膜のスピン流により第３の起電力を生じる、付記１から６の内の１項記載の熱電変換素子。
（付記８）
前記磁性絶縁体膜は、スピンゼーベック効果により前記スピン流を生じる、付記７記載の熱電変換素子。
（付記９）
前記積層膜は、前記スピン流に対する逆スピンホール効果により前記第３の起電力を生じる、付記７または８記載の熱電変換素子。
（付記１０）
前記端子は、さらに前記第３の起電力を加算して出力する、付記７から９の内の１項記載の熱電変換素子。
（付記１１）
前記積層膜の前記端子が並設されている膜面を覆うキャップ膜を有する、付記１から１０の内の１項記載の熱電変換素子。
（付記１２）
前記磁性金属膜の膜厚と前記反強磁性金属膜の膜厚は、各々、１０ｎｍ以下、1ｎｍ以上である、付記１から１１の内の１項記載の熱電変換素子。
（付記１３）
前記積層膜が複数積層されている、付記１から１２の内の１項記載の熱電変換素子。
（付記１４）
前記反強磁性金属膜は、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄの中から選択される少なくとも一つの元素とＭｎとを含む、付記１から１３の内の１項記載の熱電変換素子。
（付記１５）
基板上に、膜厚方向の温度勾配によって第１の起電力を生じる磁性金属膜と、膜厚方向の温度勾配によって生じる前記磁性金属膜のスピン流の注入を受けて第２の起電力を生じる反強磁性金属膜と、の積層膜を成膜し、
前記積層膜の成膜時もしくは成膜後に、前記反強磁性金属膜により前記磁性金属膜の磁化方向を膜面内の一方向に固定し、
一対の端子を前記積層膜の膜面上に前記磁化方向と異なる方向に離隔して並設する、熱電変換素子の製造方法。
（付記１６）
前記磁性金属膜は、異常ネルンスト効果により前記第１の起電力を生じる、付記１５記載の熱電変換素子の製造方法。
（付記１７）
前記磁性金属膜は、スピンゼーベック効果により前記スピン流を生じる、付記１５または１６記載の熱電変換素子の製造方法。
（付記１８）
前記反強磁性金属膜は、前記スピン流に対する逆スピンホール効果により前記第２の起電力を生じる、付記１５から１７の内の１項記載の熱電変換素子の製造方法。
（付記１９）
前記端子は、前記磁化方向の垂直方向に並設されている、付記１５から１８の内の１項記載の熱電変換素子の製造方法。
（付記２０）
前記端子は、前記第１の起電力と前記第２の起電力を加算して出力する、付記１５から１９の内の１項記載の熱電変換素子の製造方法。
（付記２１）
膜厚方向の温度勾配によって生じるスピン流を前記積層膜に注入する磁性絶縁体膜を、前記磁性絶縁体膜のスピン流により第３の起電力を生じる前記積層膜に積層し、
前記磁性絶縁体膜の磁化を前記磁性金属膜の磁化方向に着磁する、付記１５から２０の内の１項記載の熱電変換素子の製造方法。
（付記２２）
前記磁性絶縁体膜は、スピンゼーベック効果により前記スピン流を生じる、付記２１記載の熱電変換素子の製造方法。
（付記２３）
前記積層膜は、前記スピン流に対する逆スピンホール効果により前記第３の起電力を生じる、付記２１または２２記載の熱電変換素子の製造方法。
（付記２４）
前記端子は、さらに前記第３の起電力を加算して出力する、付記２１から２３の内の１項記載の熱電変換素子の製造方法。
（付記２５）
前記積層膜の前記端子が並設されている膜面を覆うキャップ膜を成膜する、付記１５から２４の内の１項記載の熱電変換素子の製造方法。
（付記２６）
前記磁性金属膜の膜厚と前記反強磁性金属膜の膜厚は、各々、１０ｎｍ以下、1ｎｍ以上である、付記１５ら２５の内の１項記載の熱電変換素子の製造方法。
（付記２７）
前記積層膜を複数積層する、付記１５ら２６の内の１項記載の熱電変換素子の製造方法。
（付記２８）
前記反強磁性金属膜は、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄの中から選択される少なくとも一つの元素とＭｎとを含む、付記１５ら２７の内の１項記載の熱電変換素子の製造方法。In addition, some or all of the above-described embodiments may be described as in the following supplementary notes, but are not limited thereto.
(Appendix 1)
A magnetic metal film that generates a first electromotive force due to a temperature gradient in a film thickness direction;
The magnetic metal film is laminated on the magnetic metal film, and the magnetization direction of the magnetic metal film is fixed in one direction in the film plane. A laminated film of an antiferromagnetic metal film that generates electric power,
A thermoelectric conversion element comprising: a pair of terminals spaced apart in a direction different from the magnetization direction on the film surface of the laminated film.
(Appendix 2)
The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the magnetic metal film generates the first electromotive force due to an abnormal Nernst effect.
(Appendix 3)
3. The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the magnetic metal film generates the spin current by a spin Seebeck effect.
(Appendix 4)
4. The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the antiferromagnetic metal film generates the second electromotive force by an inverse spin Hall effect on the spin current.
(Appendix 5)
5. The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the terminals are juxtaposed in a direction perpendicular to the magnetization direction.
(Appendix 6)
6. The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the terminal adds and outputs the first electromotive force and the second electromotive force. 7.
(Appendix 7)
A magnetic insulator film that is laminated on the laminated film, is magnetized in the magnetization direction of the magnetic metal film, and injects a spin current generated by a temperature gradient in a film thickness direction into the laminated film; 7. The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein a third electromotive force is generated by the spin current of the body film.
(Appendix 8)
The thermoelectric conversion element according to claim 7, wherein the magnetic insulator film generates the spin current by a spin Seebeck effect.
(Appendix 9)
9. The thermoelectric conversion element according to claim 7, wherein the laminated film generates the third electromotive force by an inverse spin Hall effect on the spin current.
(Appendix 10)
10. The thermoelectric conversion element according to any one of supplementary notes 7 to 9, wherein the terminal further adds and outputs the third electromotive force.
(Appendix 11)
11. The thermoelectric conversion element according to any one of supplementary notes 1 to 10, further comprising a cap film covering a film surface of the laminated film on which the terminals are juxtaposed.
(Appendix 12)
12. The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the thickness of the magnetic metal film and the thickness of the antiferromagnetic metal film are 10 nm or less and 1 nm or more, respectively.
(Appendix 13)
13. The thermoelectric conversion element according to any one of supplementary notes 1 to 12, wherein a plurality of the laminated films are laminated.
(Appendix 14)
14. The thermoelectric conversion element according to any one of Supplementary Notes 1 to 13, wherein the antiferromagnetic metal film includes at least one element selected from Ir, Pt, Rh, and Pd and Mn.
(Appendix 15)
A magnetic metal film that generates a first electromotive force due to a temperature gradient in a thickness direction on a substrate, and a second electromotive force is generated by receiving spin current injection of the magnetic metal film that is generated by a temperature gradient in a film thickness direction. Forming a laminated film of an antiferromagnetic metal film and
During or after the formation of the laminated film, the magnetization direction of the magnetic metal film is fixed to one direction in the film plane by the antiferromagnetic metal film,
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, wherein a pair of terminals are juxtaposed on a film surface of the laminated film in a direction different from the magnetization direction.
(Appendix 16)
The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to
(Appendix 17)
17. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to
(Appendix 18)
18. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to any one of
(Appendix 19)
19. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to any one of
(Appendix 20)
20. The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to any one of
(Appendix 21)
Laminating a magnetic insulator film for injecting a spin current generated by a temperature gradient in a film thickness direction into the laminated film on the laminated film generating a third electromotive force by the spin current of the magnetic insulator film;
21. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to any one of
(Appendix 22)
22. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 21, wherein the magnetic insulator film generates the spin current by a spin Seebeck effect.
(Appendix 23)
23. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to appendix 21 or 22, wherein the laminated film generates the third electromotive force by an inverse spin Hall effect with respect to the spin current.
(Appendix 24)
24. The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to any one of supplementary notes 21 to 23, wherein the terminal further adds and outputs the third electromotive force.
(Appendix 25)
25. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to any one of
(Appendix 26)
26. The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to one of
(Appendix 27)
27. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to one of
(Appendix 28)
28. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to any one of
１、２、２ａ、２ｂ、３、３ａ、４ 熱電変換素子
２０、３０、４０ 基板
１１、２１、３１、４１ 磁性金属膜
１２、２２、３２、４２ 反強磁性金属膜
１３、２３、３３、３３ａ、４３ 積層膜
１４、２４、３４、４４ 端子
２５ キャップ膜
２６ パッド
３５、４５ 磁性絶縁体膜1, 2, 2a, 2b, 3, 3a, 4 Thermoelectric conversion elements 20, 30, 40
Claims (28)
前記磁性金属膜に積層されて前記磁性金属膜の磁化方向を膜面内の一方向に固定し、膜厚方向の温度勾配によって生じる前記磁性金属膜のスピン流の注入を受けて第２の起電力を生じる反強磁性金属膜と、の積層膜と、
前記積層膜の膜面上に前記磁化方向と異なる方向に離隔して並設された一対の端子と、を有する熱電変換素子。A magnetic metal film that generates a first electromotive force due to a temperature gradient in a film thickness direction;
The magnetic metal film is laminated on the magnetic metal film, and the magnetization direction of the magnetic metal film is fixed in one direction in the film plane. A laminated film of an antiferromagnetic metal film that generates electric power,
A thermoelectric conversion element comprising: a pair of terminals spaced apart in a direction different from the magnetization direction on the film surface of the laminated film.
前記積層膜の成膜時もしくは成膜後に、前記反強磁性金属膜により前記磁性金属膜の磁化方向を膜面内の一方向に固定し、
一対の端子を前記積層膜の膜面上に前記磁化方向と異なる方向に離隔して並設する、熱電変換素子の製造方法。A magnetic metal film that generates a first electromotive force due to a temperature gradient in a thickness direction on a substrate, and a second electromotive force is generated by receiving spin current injection of the magnetic metal film that is generated by a temperature gradient in a film thickness direction. Forming a laminated film of an antiferromagnetic metal film and
During or after the formation of the laminated film, the magnetization direction of the magnetic metal film is fixed to one direction in the film plane by the antiferromagnetic metal film,
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, wherein a pair of terminals are juxtaposed on a film surface of the laminated film in a direction different from the magnetization direction.
前記磁性絶縁体膜の磁化を前記磁性金属膜の磁化方向に着磁する、請求項１５から２０の内の１項記載の熱電変換素子の製造方法。Laminating a magnetic insulator film for injecting a spin current generated by a temperature gradient in a film thickness direction into the laminated film on the laminated film generating a third electromotive force by the spin current of the magnetic insulator film;
21. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 15, wherein the magnetization of the magnetic insulator film is magnetized in the magnetization direction of the magnetic metal film.
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