WO2022264940A1 - 熱電発電デバイス - Google Patents

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WO2022264940A1
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magnetic
wires
thermoelectric power
power generation
magnetic wires
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French (fr)
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裕弥 桜庭
文平 政岡
健一 内田
偉男 周
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National Institute for Materials Science
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National Institute for Materials Science
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/30—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE]
    • H01F41/302—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F41/308—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices lift-off processes, e.g. ion milling, for trimming or patterning
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • H10N15/20—Thermomagnetic devices using thermal change of the magnetic permeability, e.g. working above and below the Curie point
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric power generation device, and more particularly to a thermopile structure that efficiently utilizes thermal energy/heat flow passing through a power generation module/heat flow sensor.
  • thermoelectric power generation and heat flow sensors using the thermoelectric effect “anomalous Nernst effect” that appears in magnetic materials are progressing.
  • an electromotive force is generated in the same direction as the heat flow.
  • thermoelectric power generation and heat flow sensing which cannot be realized with conventional thermoelectric power generation using the Seebeck effect, are possible.
  • the anomalous Nernst effect the output appears in the in-plane direction for the heat flow in the perpendicular direction. It is required that the magnitude or sign of the thermoelectric power due to the anomalous Nernst of the magnetic material is different in ", or that the magnetization is in the opposite direction.
  • the anomalous Nernst effect in a magnetic material is a phenomenon in which an electric field is generated in the outer product direction ( ⁇ T ⁇ M) of the magnetization and the temperature gradient.
  • thermoelectric generation and heat flow sensors it is possible to amplify the voltage with a simple in-plane connection type thermopile structure (a series connection of magnetic bodies with positive and negative sign thermoelectric power), so it can be applied to thermoelectric generation and heat flow sensors. It can be expected (Fig. 3, Patent Document 1).
  • thermoelectric power generation and heat flow sensors using the anomalous Nernst effect in order to construct a structure that does not waste thermal energy/heat flow, two types of magnetic materials with large positive and negative thermoelectric powers are used in the thermopile. Alternatively, it is necessary to add control so that the magnetization of adjacent magnetic wires is oriented in the opposite direction by magnetization reversal control, and there is a problem that the fabrication is not easy.
  • thermoelectric power of the anomalous Nernst effect reported so far is +3.4 ⁇ V/K for FeAl alloy (Non-Patent Document 1), +6 ⁇ V/K for Co 2 MnGa Heusler alloy (Non-Patent Document 2), +2.1 ⁇ V/K for FeGa alloy (Non-patent document 3), +3 ⁇ V/K for SmCo 5 permanent magnet (Non-patent document 4), 3-6 ⁇ V/K for D0 3 -Fe 3 Ga and Fe 3 Al (Non-patent document 5), which is limited to materials with a positive sign, and materials with a negative sign and a large thermoelectric power due to the anomalous Nernst effect are still under investigation. Therefore, most of the structures of thermopiles that have been reported so far are structures in which the connecting metal wires are non-magnetic (uni-leg structure) (Non-Patent Documents 1 and 5).
  • thermoelectric power generation device using thermoelectric power due to the anomalous Nernst effect, the heat flow/thermal energy passing through the non-magnetic material portion does not generate voltage output/electric power, and is wasted. It is an object of the present invention to provide a thermoelectric generating device having a thermopile structure that efficiently utilizes the thermal energy/heat flow passing through the generating module/heat flow sensor.
  • thermoelectric power generation device with a structure in which non-magnetic wires are connected in series.
  • this structure it is possible to cover almost the entire area of the surface through which the heat flow passes with one magnetic material, and the performance of the thermoelectric generation module/heat flow sensor can be improved. Even higher performance can be obtained by replacing the non-magnetic wire portion in the present invention with a magnetic material having a thermoelectric power opposite to that of the magnetic wire portion.
  • thermoelectric power generation device of the present invention as shown in FIG.
  • thermoelectric power generation device of the present invention both ends in the arrangement direction of the non-magnetic wire 23a connecting the adjacent first and second magnetic wires 21a and 21b are arranged in one direction of the arrangement direction of the first magnetic wire 21a. and the other end in the arrangement direction of the second magnetic wire 21b may be electrically connected through a through contact hole 24 filled with a conductive material.
  • the nonmagnetic material of the plurality of nonmagnetic wires 23 is preferably Cu, Ag, Au, Al, Rh, W, Mo, Pt, or Pd, and alloy materials containing these. It is good in it being any one kind of.
  • thermoelectric generation device of the present invention for example, as shown in FIG. It is composed of a plurality of thin-film fine-wire-shaped or bar-shaped magnetic wires 21 arranged in parallel on the surface, and a magnetic material having a thermoelectric power opposite in sign to the magnetic material constituting the plurality of magnetic wires.
  • the plurality of magnetic wires 21 and the plurality of reverse magnetic wires pierce the insulating film 22 so that the magnetic wires and the second magnetic wires 21 a and 21 b can be connected in series via one of the plurality of reverse magnetic wires 27 . 27, and a laminate of a plurality of magnetic wires 21, an insulating film 22, and a plurality of reverse magnetic wires 27 made of an insulating material or a conductive material coated with an insulating material.
  • thermoelectric power generating device of the present invention opposite ends in the arrangement direction of the reverse magnetic wire 27a connecting the adjacent first and second magnetic wires 21a and 21b are arranged in one direction of the arrangement direction of the first magnetic wire 21a. and the other end in the arrangement direction of the second magnetic wire 21b may be electrically connected through a through contact hole 24 filled with a conductive material.
  • the magnetic material forming the plurality of magnetic wires 21 has positive thermoelectric power
  • the magnetic material forming the plurality of reverse magnetic wires 27 has negative thermoelectric power. good too.
  • the magnetic material forming the plurality of magnetic wires 21 has negative thermoelectric power, and the magnetic material forming the plurality of reverse magnetic wires 27 has positive thermoelectric power.
  • the spacing between the plurality of magnetic wires 21 is preferably narrower than at least one of the length and width of the magnetic wires 21 .
  • the insulating material forming the insulating film 22 is any one of MgO, Si—O, Si—N, Al—O, Al—N, BN, or C. It should be a kind.
  • the material constituting the substrate 20 is preferably an insulating material such as MgO, silicon with a thermal oxide film, Si—O, Si—N, Al—O, Al—N, Any one of SiC, sapphire, glass, polyimide, polyethylene naphthalate, or diamond, or silicon, Cu, Ag, Au, Al, Rh, W, as a conductive material coated with an insulating material.
  • the magnetic wire 21 is a thin thin wire shape, and has a width W of 10 nm to 1 mm and a thickness T of 1 nm. ⁇ 100 ⁇ m, and the length L is preferably 1 ⁇ m to 10 cm.
  • the magnetic wire 21 is bar-shaped, has a width W of 10 ⁇ m to 5 mm, and a thickness T of 10 ⁇ m to 5 mm.
  • the thickness of the insulating film 22 is preferably 1 nm to 1 cm.
  • the film thickness of the substrate 20 is preferably 3 ⁇ m to 3 mm.
  • thermoelectric power generation module/heat flow sensor using the anomalous Nernst effect can be constructed with one magnetic material, and one magnetic material exhibiting a large anomalous Nernst effect is realized.
  • a thermoelectric generation module/heat flow sensor that does not lose heat energy/heat flow structurally can be produced.
  • the thermoelectric power generation device of the present invention preferably, as in [4], when the reverse magnetic wire 27, which is a magnetic material having a thermoelectric power of the opposite sign to that of the magnetic material of the magnetic wire 21, is used, the non-magnetic wire 23 , the sensitivity of the heat flow sensor and the power generation performance of the power generation module can be further improved.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a conceptual configuration of a thermoelectric power generation device showing an embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 4 is a configuration diagram showing a conceptual configuration of a thermoelectric power generation device showing another embodiment of the present invention
  • 1 is a configuration diagram showing a conceptual configuration for explaining a conventional thermoelectric converter based on the anomalous Nernst effect
  • FIG. It is a graph which shows the evaluation result of the heat flow sensor performance of the device produced as Example 1 of this invention.
  • It is the graph (B) which shows the external appearance photograph (A) of the heat flow sensor of 30 square mm size produced as Example 2 of this invention, and its performance evaluation result.
  • It is the graph (C) which shows the external appearance photograph (A) of the heat flow sensor of 30 square mm size produced as Example 3 of this invention, its internal photograph (B), and its performance evaluation result.
  • Nernst effect is that when a magnetic field is applied in a direction (My) perpendicular to the direction of heat flow ( ⁇ Tz) to a conductor (metal or semiconductor) in which there is a temperature gradient and heat is flowing, a direction (Vx ) is a phenomenon that causes a potential difference.
  • a direction (Vx ) is a phenomenon that causes a potential difference.
  • the coordinate systems Vx, My, and ⁇ Tz are the coordinate systems shown in FIG. 3(A).
  • Anomalous Nernst effect is a phenomenon in which a potential difference occurs in the outer product direction of a metal or semiconductor with spontaneous magnetization when there is a temperature difference in the direction perpendicular to the spontaneous magnetization. Therefore, if the anomalous Nernst effect is used, for example, a voltage can be obtained in the My in-plane direction by simply applying a perpendicular thermal gradient in the ⁇ Tz direction to a ferromagnetic material having magnetization in the My direction, increasing the distance in the Vx direction.
  • the Seebeck effect is a phenomenon in which the temperature difference between metals and semiconductors is directly converted into voltage, and is a kind of thermoelectric effect. It is characterized in that the sign of the Seebeck coefficient differs depending on whether the carriers are electrons or holes. Note that " ⁇ " indicating a numerical range indicates a numerical range between the lower limit and the upper limit, and in this specification, unless otherwise specified, the range from the lower limit to the upper limit shall be represented.
  • thermoelectric power generation device 18 includes a substrate 20, a plurality of magnetic wires 21, an insulating film 22, a plurality of non-magnetic wires 23, and through contact holes 24.
  • the present invention has a structure (thermopile structure) in which a plurality of magnetic wires 21 are connected in series via a plurality of non-magnetic wires 23 .
  • the substrate 20 holds a laminate of a plurality of magnetic wires 21, an insulating film 22, and a plurality of non-magnetic wires 23.
  • FIG. 1 shows a case where a plurality of magnetic wires 21 are arranged on the side of the bonding surface with the substrate 20, the present invention is not limited to this, and includes a plurality of magnetic wires 21, an insulating film 22, and a plurality of non-magnetic films.
  • a plurality of non-magnetic wires 23 may be arranged on the bonding surface side with the substrate 20 by reversing the stacking order of the laminate of the magnetic wires 23 .
  • the substrate 20 is made of a conductive material that is electrically insulating or coated with an insulator.
  • the material constituting the substrate 20 preferably has a high thermal conductivity, for example, an MgO substrate, but is not limited to the MgO substrate. Any one of O, Al—N, SiC, sapphire, glass, polyimide, polyethylene naphthalate, or diamond may be used. Alternatively, using silicon, Cu, Ag, Au, Al, Rh, W, Mo, Pt, Pd foil, etc. as a conductive material coated with an insulating material also yields a flexible substrate.
  • the film thickness of the substrate 20 is preferably 1 ⁇ m to 1 m. Preferably, the film thickness of the substrate 20 is preferably in the range of 3 ⁇ m to 3 mm, and optimally in the range of 5 ⁇ m to 1 mm.
  • the plurality of magnetic wires 21 are made of a single magnetic material with a large thermoelectric power of the anomalous Nernst effect, and a plurality of first and second magnetic wires 21a and 21b in the form of thin films or rods are arranged in parallel. be.
  • the plurality of magnetic wires 21 are arranged in a vertical striped pattern on one surface of the insulating film 22 and arranged on the substrate 20 side, for example.
  • the magnetic material any magnetic material that produces an anomalous Nernst effect can be used.
  • the spacing between the plurality of magnetic wires 21 is preferably narrower than at least one of the length and width of the magnetic wires 21 .
  • the plurality of non-magnetic wires 23 are made of a non-magnetic material, and are formed by arranging a plurality of non-magnetic wires 23 a in the shape of thin films or rods in parallel. 21 are arranged in parallel or obliquely in parallel with respect to the arrangement direction. That is, the plurality of non-magnetic wires 23 are arranged in vertical stripes parallel to the magnetic wires 21 or in diagonal vertical stripes.
  • the nonmagnetic wire 23a has a structure that connects adjacent first and second magnetic wires 21a and 21b of the plurality of magnetic wires 21 at both ends in the arrangement direction.
  • the non-magnetic wire 23a has an electric resistance negligibly small compared to the electric resistance of the first and second magnetic wires 21a and 21b, and has a magnetic wire portion between the first and second magnetic wires 21a and 21b. It is desirable to have an electrical contact resistance that is small compared to the resistance of All electrically conductive materials can be used as the non-magnetic material, but materials with high electrical conductivity are preferred, including Cu, Ag, Au, Al, Rh, W, Mo, Pt, Pd, and these. An alloy material or the like is desirable.
  • the insulating film 22 is made of an insulating material, is positioned on the facing surface of the plurality of magnetic wires 21 and the plurality of non-magnetic wires 23, and insulates the plurality of magnetic wires 21 and the plurality of non-magnetic wires 23 from each other.
  • Any insulating material can be used as long as it has electrical insulating properties, but those with high thermal conductivity are preferred, such as MgO, Si—O, Si—N, Al—O, Al—N, and BN. , C, etc. are desirable. It is preferable that the insulating film 22 is thin enough so as not to cause electrical contact except through the contact hole 24 that connects the non-magnetic wire 23a and the first and second magnetic wires 21a and 21b.
  • the film thickness of the insulating film 22 is preferably in the range of 10 nm to 5 mm, and optimally in the range of 30 nm to 1 mm. It is preferable that the insulating film 22 is sufficiently thin so as not to cause electrical contact except through the contact hole 24 connecting the non-magnetic wire 23 and the magnetic wire 21 .
  • the through contact hole 24 penetrates the insulating film 22 to form a plurality of magnetic wires 21 so that the adjacent first magnetic wire 21a and second magnetic wire 21b of the plurality of magnetic wires 21 can be connected in series via the non-magnetic wire 23.
  • the magnetic wire 21 and the plurality of non-magnetic wires 23 are electrically connected.
  • the through contact holes 24 are typically provided near both ends of the insulating film 22 in the arrangement direction of the magnetic wires 21a. and a portion near the end of the non-magnetic wire 23a located on the other surface of the insulating film 22 are connected.
  • the plurality of non-magnetic wires 23 arranged in diagonal vertical stripes are connected to both ends of the non-magnetic wire 23a via the through contact holes 24 for the second magnetic wire 21b arranged adjacent to the first magnetic wire 21a.
  • the through contact hole 24 may be such that the end of the magnetic wire 21a and the end of the non-magnetic wire 23a are bent and brought into direct contact with each other to obtain conductivity.
  • the insulating film 22 is thick, the end of the first magnetic wire 21a and the end of the non-magnetic wire 23a are opposed to each other by filling the through contact hole 24 with a conductive material such as silver paste. The surfaces may be electrically connected.
  • thermoelectric power generation device configured in this way, since the magnetic wires can be arranged at high density, high sensitivity can be obtained when the thermoelectric power generation device is applied to the heat flow sensor, and when the thermoelectric power generation device is applied to the power generation module. has a high output voltage.
  • the magnetic wire 21 has a thin thin wire shape, a width W of 10 nm to 1 mm, a thickness T of 1 nm to 100 ⁇ m, It is preferable that the length L is 1 ⁇ m to 10 cm.
  • the width W, thickness T, and length L of the magnetic wire 21 are preferably 1 ⁇ m to 1 mm, 10 nm to 10 ⁇ m, 100 ⁇ m to 5 cm, and preferably 10 ⁇ m to 500 ⁇ m, 100 nm. ⁇ 5 ⁇ m and 1 mm to 3 cm.
  • the magnetic wire 21 is bar-shaped, has a width W of 10 ⁇ m to 5 mm, and a thickness T of 10 ⁇ m to 1 cm. , length L of 1 mm to 100 cm.
  • the width W, thickness T, and length L of the magnetic wire 21 preferably range from 100 ⁇ m to 3 mm, 100 ⁇ m to 5 mm, and 3 mm to 50 cm, and preferably from 300 ⁇ m to 2 mm. It is preferably 500 ⁇ m to 3 mm and 5 mm to 30 cm.
  • thermoelectric power generation device 19 instead of the non-magnetic wire 23a in the thermoelectric power generation device 18, the thermoelectric power generation device 19 has a reverse magnetic wire 27 replaced with a magnetic material having a thermoelectric power opposite in sign to the magnetic material of the magnetic wire 21. showing.
  • the magnetic material forming the plurality of magnetic wires 21 may have a positive thermoelectric potential
  • the magnetic material forming the plurality of reverse magnetic wires 27 may have a negative thermoelectric potential.
  • the reverse magnetic wire 27 may be any one of Mn--Ga, Mn--Ge, Nd--Fe--B permanent magnet material, or GaMnAs as a material having negative thermoelectricity.
  • the magnetic material forming the plurality of magnetic wires 21 may have a negative thermoelectric potential
  • the magnetic material forming the plurality of reverse magnetic wires 27 may have a positive thermoelectric potential.
  • the reverse magnetic wire 27 is a positive thermoelectric material.
  • Fe—Al, Fe—Ga, Fe—Sn, Fe—Pt, Mn—Sn, Co 2 YZ (Y Ti, V, Cr, Mn, or Fe; Si, Sn, or Sb) Heusler alloy, Sm—Co permanent magnet material.
  • thermoelectric power generation device 19 is composed of a substrate 20 made of an insulating material, an insulating film 22 made of an insulating material, and a single magnetic material having a large thermoelectric power of the anomalous Nernst effect, and generates an anomalous Nernst electric field in the arrangement direction 26.
  • a plurality of first and second magnetic wires 21 a and 21 b having a thin film thin wire shape or a bar shape are arranged in parallel, and a plurality of magnetic wires 21 arranged in a vertical stripe pattern on one surface of the insulating film 22 and the magnetic wires
  • a plurality of inverse magnetic wires 27a made of a magnetic material having a thermoelectric power having a sign opposite to that of the magnetic material 21a and having a thin film fine wire shape or a bar shape are arranged in parallel.
  • the substrate 20 has the mechanical durability to hold the laminate of the magnetic wire 21, the insulating film 22, and the reverse magnetic wire 27, and is in thermal contact with the laminate. It penetrates the insulating film 22 so that the portion near the end of the magnetic wire located on one surface of the insulating film 22 and the portion near the end of the non-magnetic wire located on the other surface of the insulating film 22 are connected to each other. .
  • the plurality of reverse magnetic wires 27 are typically formed by the second magnetic wires 21b arranged adjacent to the first magnetic wires 21a through the through contact holes 24 by the opposite ends in the arrangement direction of the reverse magnetic wires 27a. arranged to be connected in series.
  • FIG. 3 shows a conceptual configuration for explaining a conventional thermoelectric conversion device based on the anomalous Nernst effect, and shows a basic structure of a thermoelectric generation/heat flow sensor using the anomalous Nernst effect.
  • A is a perspective view
  • B is a plan view.
  • a conventional thermoelectric power generation device 10 has a substrate 11, a power generation body 12, and a connection body 13. As shown in FIG.
  • At least the surface layer of the substrate 11 is made of MgO.
  • the substrate 11 consists, for example, of a single layer of MgO or of a layer of MgO on top of a layer of Au.
  • the power generating body 12 consists of a plurality of fine wires 12a arranged parallel (Vx) to each other along the surface of the substrate 11 .
  • Each thin wire 12a is made of a ferromagnetic material of L10 type ordered alloy with high magnetic anisotropy and is magnetized in the same direction (My).
  • My the same direction
  • each thin wire 12a is formed by thinning the FePt thin film formed on the substrate 11, and is magnetized in the width direction (My).
  • the power generator 12 is configured to generate power with a temperature difference ( ⁇ Tz) in the direction perpendicular to the magnetization direction due to the anomalous Nernst effect.
  • connection body 13 is composed of a plurality of thin wires 13a arranged along the surface of the substrate 11 and parallel to the thin wires 12a of the power generating body 12 and between the thin wires 12a.
  • Each thin wire 13a of the connection body 13 electrically connects one end of each thin wire 12a of the power generating body 12 and the other end of each thin wire 12a adjacent on one side of each thin wire 12a.
  • the connection body 13 electrically connects each thin wire 12a of the power generation body 12 in series.
  • the connector 13 is made of a ferromagnetic material magnetized in the direction opposite to the magnetization direction of each thin wire 12a, and in a specific example shown in FIG.
  • the connector 13 is made of non-magnetic Cr.
  • the connecting member 13 may be made of a ferromagnetic material having a Nernst coefficient opposite in sign to that of each thin wire 12a.
  • the size of the substrate is 10 mm ⁇ 10 mm, and the number of thin wires 12a of the power generating body 12 is 60. As shown in FIG. 3(B), the size of the substrate is 10 mm ⁇ 10 mm, and the number of thin wires 12a of the power generating body 12 is 60. As shown in FIG.
  • the thermoelectric power generation device 10 uses the anomalous Nernst effect to generate a potential difference in a direction perpendicular to the temperature difference, and thus can be configured with a simpler structure than devices using the Seebeck effect. It can be manufactured easily, and a power generation device using a large area can be realized.
  • the conventional thermoelectric power generation device using the thermopower of the anomalous Nernst effect shown in the comparative example two types of magnetic materials with large positive and negative thermoelectric power in the thermopile are used, or the magnetization reversal control It is necessary to add control so that the magnetization of the magnetic wire is oriented in the opposite direction, and there is a problem that the fabrication is not easy.
  • thermoelectric power generation device 10 uses the anomalous Nernst effect, the power generation efficiency is higher for the same figure of merit than devices using the Seebeck effect, and the thermoelectric conversion efficiency can be improved. Moreover, unlike the usual Nernst effect, it is possible to generate electricity without applying an external magnetic field by using coercive force and exchange bias.
  • thermoelectric power generating device 10 uses an L10 type ordered alloy having high magnetic anisotropy as the power generating body 12, and is magnetized in the width direction of each fine wire 12a. Spontaneous magnetization can be obtained even if the width is narrowed to Therefore, even with a small area, a large voltage exceeding mV can be realized, and miniaturization is effective.
  • thermopower is positive and negative (for example, Fe--Ga is negative if the concentration of Ga is low), and in this case, the sign of thermopower is positive and negative. It is preferable to preferentially determine the combination of magnetic materials.
  • FIG. 4 is a graph showing performance evaluation results of the heat flow sensor produced as Example 1 of the present invention.
  • the substrate 20 is silicon with a 500 ⁇ m thick thermal oxide film
  • the magnetic wire 21 is Fe 72 Ga 28 with a thickness of 30 nm, a width of 200 ⁇ m, and a length of 6 mm
  • the insulating film 22 is SiO 2 with a thickness of 300 nm
  • the nonmagnetic wire 23 A sample was prepared by using Cu with a thickness of 350 nm and a width of 40 ⁇ m as a film, and patterning was performed using photolithography so that 20 Fe 72 Ga 28 lines were connected in series.
  • FIG. 1 is a graph showing performance evaluation results of the heat flow sensor produced as Example 1 of the present invention.
  • the substrate 20 is silicon with a 500 ⁇ m thick thermal oxide film
  • the magnetic wire 21 is Fe 72 Ga 28 with a thickness of 30 nm, a width of 200 ⁇ m, and a length of 6 mm
  • the insulating film 22
  • 4(B) is the voltage signal (mV) due to the anomalous Nernst effect of the sample against the heat flux density (W/m 2 ).
  • a sensitivity of 0.027 ⁇ V/(W ⁇ m ⁇ 2 ) was realized, and it was confirmed that a series connection of 20 Fe 72 Ga 28 was constructed and a high sensitivity was obtained.
  • the inner diameter of the through contact hole 24 is 160 ⁇ m.
  • This sensitivity indicates that a sensitivity of 0.10 ⁇ V/(W ⁇ m ⁇ 2 ) is obtained per 1 cm 2 when normalized by the effective effective area of the sensor.
  • the sensitivity per area is, for example, 0.04 ⁇ V / ( W ⁇ m ⁇ 2 ), indicating that the present invention is effective for increasing the sensitivity per area.
  • FIG. 5 shows an appearance photograph (A) of a 30 mm square heat flow sensor produced as Example 1 of the present invention and its performance evaluation result (B).
  • the substrate 20 is made of silicon with a thermal oxide film having a thickness of 500 ⁇ m
  • the magnetic wire 21a is made of Fe 72 Ga 28 with a thickness of 200 nm
  • the width is 180 ⁇ m
  • the length is 30 mm
  • the insulating film 22 is made of SiO 2 with a thickness of 200 nm, and is non-magnetic.
  • a sample was prepared by using Au with a thickness of 100 nm and a width of 110 ⁇ m as the wire 23a, and patterning was performed using photolithography so that 150 Fe 72 Ga 28 wires were connected in series.
  • FIG. 5B is a graph showing the voltage signal (mV) due to the anomalous Nernst effect of the sample against the heat flux density (W/m 2 ) given to the fabricated sample.
  • FIG. 6 shows an external photograph (A), an internal photograph (B), and a graph (C) showing the performance evaluation results of a 55 ⁇ 23 mm square abnormal Nernstian thermoelectric generation module produced as Example 3 of the present invention.
  • the substrate 20 is an Al—N substrate with a thickness of 500 ⁇ m
  • the magnetic wire 21a is a SmCo5 permanent magnet with a thickness of 1.5 mm, a width of 1.4 mm and a length of 55 mm, a silicon bond with a thickness of about 500 ⁇ m as the insulating film 22, and a non-magnetic wire 23a.
  • Al with a thickness of 30 ⁇ m and a width of 300 ⁇ m was used as the wiring, and 24 SmCo5 wires were connected in series.
  • thermoelectric power generation module After that, an Al—N substrate was also placed on the top to form a thermoelectric power generation module.
  • the non-magnetic wire 23a is arranged obliquely with respect to the magnetic wire 21a.
  • FIG. 6(C) shows the maximum power generation Pmax in the residual magnetization state with no external magnetic field with respect to the temperature difference dT applied to the upper and lower Al—N substrates of the power generation module.
  • Module1 and module2 represent the measurement results set by rotating the measurement apparatus by 90° in the in-plane direction, and 1st, 2nd, and 3rd represent the results of repeated measurements under the same conditions.
  • the output voltage When a temperature difference of 65K is applied to the module, the output voltage is 25mV and the amount of power generation is 56 ⁇ W.When the temperature difference of 47K is applied to the module, the output voltage is 18mV and the amount of power generation is 30 ⁇ W. Showed what it can do.
  • thermoelectric power generation device of the present invention provides a thermopile structure that efficiently utilizes the thermal energy/heat flow passing through the power generation module/heat flow sensor. Therefore, the thermoelectric power generation device of the present invention includes, for example, suits, bags, and watches that generate power using the difference between the body temperature and the outside temperature, power generation devices that use hot spring piping, and spontaneous power generation recycling that uses waste heat from personal computers. It can be used for systems.
  • thermoelectric power generation device 10 conventional thermoelectric power generation device 11 substrate 12 power generator 12a power generator fine wire 13 connector 13a connector fine wires 18, 19 thermoelectric power generation device 20 substrate (base material) 21 Plural magnetic wires 21a First magnetic wire 21b Second magnetic wire 22 arranged adjacent to the first magnetic wire 21a Insulating film 23 Plural non-magnetic wires 23a Non-magnetic wire 24 Through contact hole 26 Abnormal Nernst of magnetic material Electric field direction 27 Multiple diamagnetic lines 27a Reverse magnetic lines 28 Direction of the anomalous Nernst electric field of the diamagnetic material

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Abstract

【課題】発電モデュール／熱流センサを通過する熱エネルギー／熱流を効率的に利用する熱電発電デバイスを提供する。 【解決手段】異常ネルンスト効果による熱電能の大きな単一の磁性材料よりなり、絶縁膜２２の一方の面に並列に配置された複数の磁性線２１と、絶縁膜２２の他方の面に複数の磁性線２１の配列方向に対して平行又は斜めに並列に配置された、複数の非磁性線２３又は複数の逆磁性線２７と、複数の磁性線のうち隣接する第１磁性線２１ａ及び第２磁性線２１ｂを、非磁性線２３又は複数の逆磁性線２７を介して直列接続可能なように、絶縁膜２２を貫通し複数の磁性線２１と複数の非磁性線２３又は複数の逆磁性線２７を電気的に接続する貫通接触穴２４と、絶縁材料、又は絶縁材料で被覆された導電性材料よりなり、複数の磁性線２１、絶縁膜２２、及び複数の非磁性線２３又は複数の逆磁性線２７の積層体を保持し、該積層体と熱的に接触している基板２０と、を備える。

Description

熱電発電デバイス
　本発明は熱電発電デバイスに関し、特に発電モデュール／熱流センサを通過する熱エネルギー／熱流を効率的に利用する熱電対列構造を有する熱電発電デバイスに関する。
　磁性体において発現する熱電効果「異常ネルンスト効果」を利用した熱電発電や熱流センサの実現に向けた基礎と応用面の研究開発が進んでいる。一般的なゼーベック効果は、熱の流れと同じ方向に起電力が生じるが、異常ネルンスト効果は、熱の流れと直交方向に起電力が現れることが最大の特徴であり、これを利用することで、ゼーベック効果を利用した従来の熱電発電では実現できない熱電発電や熱流センシングが可能となる。
　異常ネルンスト効果では面直方向への熱流に対して面内方向へ出力が現れるため、磁性線を面内に並べ直列接続を作ることで直列電圧を高めることができるが、"行き"と"戻り"で磁性体の異常ネルンストによる熱電能の大きさまたは符号が異なるか、磁化が逆方向を向いていることが求められる。
　また、磁性体における異常ネルンスト効果は、磁化と温度勾配の外積方向（∇Ｔ×Ｍ）に電界を生じさせる現象である。これを利用すると、単純な面内接続型の熱電対列（正と負の符号の熱電能を持つ磁性体の直列接続）構造で電圧を増幅できるため、熱電発電応用や熱流センサへの応用が期待できる（図３、特許文献１）。
　しかし、異常ネルンスト効果を用いた熱電発電や熱流センサにおいて、熱エネルギー／熱流を無駄にしないような構造を構築するためには、熱電対列で正負の大きな熱電能を持つ２種類の磁性材料を利用するか、磁化反転制御により隣接する磁性線の磁化が逆方向に向くように制御を加える必要があり、その作製は容易ではないという課題がある。
　また、現在まで報告されている異常ネルンスト効果の熱電能で大きいものは、ＦｅＡｌ合金で＋３．４μＶ／Ｋ（非特許文献１），Ｃｏ２ＭｎＧａホイスラー合金で＋６μＶ／Ｋ（非特許文献２）、ＦｅＧａ合金で＋２．１μＶ／Ｋ（非特許文献３）、ＳｍＣｏ５永久磁石で＋３μＶ／Ｋ（非特許文献４）、Ｄ０３－Ｆｅ３ＧａやＦｅ３Ａｌで３－６μＶ／Ｋ（非特許文献５）であり、符号が正の材料に限られており、符号が負で異常ネルンスト効果による熱電能の大きい材料は未だ探索の途上にある。そこで、これまでに報告のある熱電対列の構造は繋ぎの金属線を非磁性体とした構造（ユニレグ型構造）がほとんどである（非特許文献１、５）。
特許第６０７９９９５号
W. Zhou, Y. Sakuraba Appl. Phys.Express 13, 043001 (2020). Sakai et al., Nature Physics,14 1119 (2018) Nakayama et al., Phys. Rev. Mat. 3, 114412 (2019) Miura et al., Appl. Phys. Lett. 115, 222403 (2019) Sakai et al., Nature 581, 53-57 (2020) Sakuraba et al., Appl. Phys. Express 6, 033003 (2013).
　従来の異常ネルンスト効果による熱電能を用いた熱電発電デバイスでは、非磁性体部分を通過する熱流／熱エネルギーは、電圧出力／電力を生み出さないため、無駄になってしまう問題がある。
　本発明の目的は、発電モデュール／熱流センサを通過する熱エネルギー／熱流を効率的に利用する熱電対列構造を有する熱電発電デバイスを提供することを目的とする。
　発明者らは、上記課題を解決するため、図１に示すように、異常ネルンスト効果の熱電能の大きな１つの磁性材料の磁性線列を極めて狭い隙間で敷き詰めた構造を、絶縁膜を介して非磁性線で直列接続させた構造を持つ熱電発電デバイスを考案した。
　本構造によって、熱流が通過する面のほぼ全領域を１つの磁性材料でカバーすることが可能になり、熱電発電モデュール／熱流センサの性能の向上させることができる。本発明のおける非磁性線部分を、磁性線部分と逆の熱電能を持つ磁性材料に置き換えることで、さらに高い性能を得ることもできる。
〔１〕本発明の熱電発電デバイスは、例えば図１に示すように、絶縁材料よりなる絶縁膜２２と、異常ネルンスト効果による熱電能の大きな単一の磁性材料よりなり、絶縁膜２２の一方の面に並列に配置され、配列方向２６へ異常ネルンスト電界を発生させる薄膜細線形状又は棒材形状の複数の磁性線２１と、非磁性材料よりなり、絶縁膜２２の他方の面に複数の磁性線２１の配列方向に対して平行又は斜めに並列に配置された、薄膜細線形状又は棒材形状の複数の非磁性線２３と、複数の磁性線２１のうち隣接する第１磁性線２１ａ及び第２磁性線２１ｂを、非磁性線２３を介して直列接続可能なように、絶縁膜２２を貫通し複数の磁性線２１と複数の非磁性線２３を電気的に接続する貫通接触穴２４と、絶縁材料、又は絶縁材料で被覆された導電性材料よりなり、複数の磁性線２１、絶縁膜２２、及び複数の非磁性線２３の積層体を保持し、積層体と熱的に接触している基板２０と、を備える。
〔２〕本発明の熱電発電デバイスにおいて、隣接する第１及び第２磁性線２１ａ，２１ｂを接続する非磁性線２３ａの配列方向の両端部は、それぞれ、第１磁性線２１ａの配列方向の一方の端部と、第２磁性線２１ｂの配列方向の他方の端部と、導体材料で充填された貫通接触穴２４を介して電気的に接続されてもよい。
〔３〕本発明の熱電発電デバイスにおいて、好ましくは、複数の非磁性線２３の非磁性材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、又はＰｄおよびこれらを含む合金材料の何れか１種類であるとよい。
〔４〕本発明の熱電発電デバイスにおいて、例えば図２に示すように、絶縁材料よりなる絶縁膜２２と、異常ネルンスト効果による熱電能の大きな単一の磁性材料よりなり、絶縁膜２２の一方の面に並列に配置された薄膜細線形状又は棒材形状の複数の磁性線２１と、複数の磁性線を構成する磁性材料と逆符号の熱電能を持つ磁性材料よりなり、絶縁膜２２の他方の面に複数の磁性線２１の配列方向に対して平行又は斜めに並列に配置された、薄膜細線形状又は棒材形状の複数の逆磁性線２７と、複数の磁性線２１のうち隣接する第１磁性線及び第２磁性線２１ａ，２１ｂを、複数の逆磁性線２７のうちの１つを介して直列接続可能なように、絶縁膜２２を貫通し複数の磁性線２１と複数の逆磁性線２７を電気的に接続する貫通接触穴２４と、絶縁材料、又は絶縁材料で被覆された導電性材料よりなり、複数の磁性線２１、絶縁膜２２、及び複数の逆磁性線２７の積層体を保持し、積層体と熱的に接触している基板２０と、を備える。
〔５〕本発明の熱電発電デバイスにおいて、隣接する第１及び第２磁性線２１ａ，２１ｂを接続する逆磁性線２７ａの配列方向の両端部は、それぞれ、第１磁性線２１ａの配列方向の一方の端部と、第２磁性線２１ｂの配列方向の他方の端部と、導体材料で充填された貫通接触穴２４を介して電気的に接続されてもよい。
〔６〕本発明の熱電発電デバイスにおいて、複数の磁性線２１を構成する磁性材料は、正の熱電能を持ち、複数の逆磁性線２７を構成する磁性材料は、負の熱電能を持ってもよい。
〔７〕本発明の熱電発電デバイスにおいて、記複数の磁性線２１を構成する磁性材料は、負の熱電能を持ち、複数の逆磁性線２７を構成する磁性材料は、正の熱電能を持ってもよい。
〔８〕本発明の熱電発電デバイスにおいて、好ましくは、複数の磁性線２１の間隔は、磁性線２１の長さ又は幅の少なくとも一方よりも狭いとよい。
〔９〕本発明の熱電発電デバイスにおいて、好ましくは、複数の磁性線２１を構成する磁性材料は、Ｆｅ－Ａｌ、Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ｓｎ、Ｆｅ－Ｐｔ、Ｍｎ－Ｇａ、Ｍｎ－Ｇｅ、Ｍｎ－Ｓｎ、Ｎｉ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｇｄ、Ｆｅ４Ｎ、Ｍｎ３ＡＮ（Ａ＝Ｍｎ、Ｐｔ、又はＮｉ）、Ｃｏ２ＹＺ（Ｙ＝Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｚ＝Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、又はＳｂ）ホイスラー合金、Ｓｍ－Ｃｏ永久磁石材料、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ永久磁石材料、又はＧａＭｎＡｓの何れか１種類であるとよい。
〔１０〕本発明の熱電発電デバイスにおいて、好ましくは、絶縁膜２２を構成する絶縁材料は、ＭｇＯ、Ｓｉ－Ｏ、Ｓｉ－Ｎ、Ａｌ－Ｏ、Ａｌ－Ｎ、ＢＮ、又はＣの何れか１種類であるとよい。
〔１１〕本発明の熱電発電デバイスにおいて、基板２０を構成する材料は、好ましくは、絶縁材料として、ＭｇＯ、熱酸化膜付きシリコン、Ｓｉ－Ｏ、Ｓｉ－Ｎ、Ａｌ－Ｏ、Ａｌ－Ｎ、ＳｉＣ、サファイア、ガラス、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、又はダイヤモンドの何れか１種であり、あるいは、絶縁材料での被覆された導電性材料として、シリコン、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、又はＰｄの何れか１種類であるとよい。
〔１２〕本発明の熱電発電デバイスにおいて、好ましくは、上記熱電発電デバイスが熱流センサに用いられる場合においては、磁性線２１は薄膜細線形状であり、幅Ｗが１０ｎｍ～１ｍｍ、厚さＴが１ｎｍ～１００μｍ、長さＬが１μｍ～１０ｃｍであるとよい。
〔１３〕本発明の熱電発電デバイスにおいて、好ましくは、上記熱電発電デバイスが熱電発電モデュールに用いられる場合においては、磁性線２１は棒材形状であり、幅Ｗが１０μｍ～５ｍｍ、厚さＴが１０μｍ～１ｃｍ、長さＬが１ｍｍ～１００ｃｍであるとよい。
〔１４〕本発明の熱電発電デバイスにおいて、好ましくは、絶縁膜２２の膜厚は、１ｎｍ～１ｃｍであるとよい。
〔１５〕本発明の熱電発電デバイスにおいて、好ましくは、基板２０の膜厚は、３μｍ～３ｍｍであるとよい。
　本発明の熱電発電デバイスによれば、異常ネルンスト効果を用いた熱電発電モデュール／熱流センサを１つの磁性材料で構築することが可能になり、大きな異常ネルンスト効果を示す一つの磁性材料が実現されれば、熱エネルギー／熱流をデバイス構造的にはロスしない熱電発電モデュール／熱流センサを作製することができる。
　本発明の熱電発電デバイスにおいて、好ましくは、〔４〕のように、磁性線２１の磁性材料と逆符号の熱電能を持つ磁性材料である逆磁性線２７を用いると、非磁性線２３の場合と比較して、熱流センサの場合はその感度、発電モデュールの場合はその発電性能を更に高めることができる。
本発明の一実施形態を示す熱電発電デバイスの概念的構成を示す構成図である。 本発明の他の実施形態を示す熱電発電デバイスの概念的構成を示す構成図である。 従来の異常ネルンスト効果に基づく熱電変換装置を説明する概念的構成を示す構成図である。 本発明の実施例１として作製したデバイスの熱流センサ性能の評価結果を示すグラフである。 本発明の実施例２として作製した３０ｍｍ角サイズの熱流センサの外観写真（Ａ）とその性能評価結果を示すグラフ（Ｂ）である。 本発明の実施例３として作製した３０ｍｍ角サイズの熱流センサの外観写真（Ａ）と、その内部写真（Ｂ）と、その性能評価結果を示すグラフ（Ｃ）である。
　以下、本明細書で用いる技術用語の定義を記載する。
（１）ネルンスト効果（Nernst effect）
　ネルンスト効果とは、温度勾配があって熱が流れている導体（金属または半導体）に，熱流の方向（ΔＴｚ）に垂直な方向（Ｍｙ）に磁場を作用させると，両者に垂直な方向（Ｖｘ）に電位差を生ずる現象をいう。ここで、座標系Ｖｘ、Ｍｙ、ΔＴｚは図３（Ａ）に示すような座標系としている。
（２）異常ネルンスト効果（anomalous Nernst effect:ANE）
　異常ネルンスト効果とは、自発磁化を持つ金属または半導体に、自発磁化と垂直方向に温度差があると、それらの外積方向に電位差が生じる現象である。このため、異常ネルンスト効果を利用すると、例えば、Ｍｙ方向に磁化を持つ強磁性体に、ΔＴｚ方向に面直熱勾配を加えるだけでＭｙ面内方向で電圧が得られ、Ｖｘ方向の距離を稼ぐだけで簡便に大電圧を得ることができる。また、異常ネルンスト効果は、自発磁化の向きによって電流が流れる方向が異なる、性能指数に対する発電効率はゼーベック効果よりも高い、出力電圧は温度差と直交する方向の長さに比例するため、温度差を自由に設計できる、通常のネルンスト効果と比較して、残留磁化を利用すれば磁場を印加する必要がない、という特徴を有している。
（３）ゼーベック効果（Seebeck effect）は、金属や半導体の温度差が電圧に直接変換される現象で、熱電効果の一種である。キャリアが電子かホールかによってゼーベック係数の符号が異なるという特徴を有している。
　なお数値範囲を示す『～』については、下限値と上限値の間の数値範囲を示すもので、本明細書においては、特に明記する場合を除いて、下限値以上で上限値以下の範囲を表すものとする。
　図１は、本発明の一実施形態を示す熱電発電デバイスの概念的構成を示す構成図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図を示している。
　図１において、熱電発電デバイス１８は、基板２０、複数の磁性線２１、絶縁膜２２、複数の非磁性線２３、及び貫通接触穴２４を備えている。本発明は、複数の磁性線２１が、複数の非磁性線２３を介して直列接続される構造（熱電対列構造）を有する。
　基板２０は、複数の磁性線２１、絶縁膜２２、複数の非磁性線２３の積層体を保持するものである。図１は、基板２０との接合面側に複数の磁性線２１が配置された場合を示しているが、これに限定されるものではなく、複数の磁性線２１、絶縁膜２２、複数の非磁性線２３の積層体の積層順序を逆にして、基板２０との接合面側に複数の非磁性線２３が配置されてもよい。
　基板２０は、電気的な絶縁性を持つか絶縁体で被覆された導電性材料よりなる。基板２０を構成する材料は、熱伝導率が高いものが好ましく、例えばＭｇＯ基板が好ましいが、ＭｇＯ基板に限定されるものではなく、熱酸化膜付きシリコン、Ｓｉ－Ｏ、Ｓｉ－Ｎ、Ａｌ－Ｏ、Ａｌ－Ｎ、ＳｉＣ、サファイア、ガラス、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、又はダイヤモンドの何れか１種類であってもよい。あるいは、絶縁材料での被覆された導電性材料として、シリコン、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ箔などを用いると、また柔軟性のある基板が得られる。
　基板２０の膜厚は、１μｍ～１ｍであるとよい。好ましくは、基板２０の膜厚は、好適範囲としては３μｍ～３ｍｍ、最適範囲として５μｍ～１ｍｍであるとよい。
　複数の磁性線２１は、異常ネルンスト効果の熱電能の大きな単一の磁性材料よりなり、薄膜細線形状又は棒材形状の第１及び第２磁性線２１ａ、２１ｂが複数並列に配置されたものである。複数の磁性線２１は、絶縁膜２２の一方の面に縦縞状に配列され、例えば、基板２０側に配置される。磁性材料としては、異常ネルンスト効果を生じる全ての磁性材料を用いることができるが、好ましくは異常ネルンスト効果が大きいＦｅ－Ａｌ、Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ｓｎ、Ｆｅ－Ｐｔ、Ｍｎ－Ｇａ、Ｍｎ－Ｇｅ、Ｍｎ－Ｓｎ、Ｎｉ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｇd、Ｆｅ４Ｎ、Ｍｎ３ＡＮ(Ａ＝Ｍｎ、Ｐｔ、Ｎｉ)、Ｃｏ２ＹＺ（Ｙ＝Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ；Ｚ＝Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｂ）ホイスラー合金、Ｓｍ－Ｃｏ、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ永久磁石材料、ＧａＭｎＡｓなどが望ましい。
　複数の磁性線２１の間隔は、出力電圧の観点から、磁性線２１の長さ又は幅の少なくとも一方よりも狭いとよい。
　複数の非磁性線２３は、非磁性材料よりなり、薄膜細線形状又は棒材形状の非磁性線２３ａが複数並列して配置されたものであり、絶縁膜２２の他方の面に複数の磁性線２１の配列方向に対して平行又は斜めに並列に配置される。つまり、複数の非磁性線２３は、磁性線２１に対して平行な縦縞状又は斜め縦縞状に配列される。
　非磁性線２３ａは、その配列方向の両端において、複数の磁性線２１のうちの隣接する第１及び第２磁性線２１ａ，２１ｂをつなぐ構造を持つ。
　非磁性線２３ａは、第１及び第２磁性線２１ａ，２１ｂの電気抵抗に比べて無視されるほど小さい電気抵抗を持つとともに、第１及び第２磁性線２１ａ，２１ｂとの間に磁性線部分の抵抗に比べて小さい電気的な接触抵抗をもつことが望ましい。
　非磁性材料は、電気伝導性がある全ての材料を用いることができるが、電気伝導性が高い材料が好ましく、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄおよびこれらを含む合金材料などが望ましい。
　絶縁膜２２は、絶縁材料よりなるもので、複数の磁性線２１と複数の非磁性線２３の対向面に位置して、複数の磁性線２１と複数の非磁性線２３を絶縁している。絶縁材料は、電気的な絶縁性を持つ材料であれば全て用いることができるが、熱伝導率が高いものが好ましく、ＭｇＯ、Ｓｉ－Ｏ、Ｓｉ－Ｎ、Ａｌ－Ｏ、Ａｌ－Ｎ、ＢＮ、Ｃなどが望ましい。絶縁膜２２は非磁性線２３ａと第１及び第２磁性線２１ａ，２１ｂとを接続する貫通接触穴２４以外で電気的な接触を生まない範囲で十分に薄いことが好ましく、例えば膜厚が１ｎｍ～１ｃｍであるとよい。好ましくは、絶縁膜２２の膜厚は、好適範囲としては１０ｎｍ～５ｍｍ、最適範囲として３０ｎｍ～１ｍｍであるとよい。絶縁膜２２は非磁性線２３と磁性線２１とを接続する貫通接触穴２４以外で電気的な接触を生まない範囲で十分に薄いことが好ましい。
　貫通接触穴２４は、複数の磁性線２１のうち隣接する第１磁性線２１ａ及び第２磁性線２１ｂを、非磁性線２３を介して直列接続可能なように、絶縁膜２２を貫通し複数の磁性線２１と複数の非磁性線２３を電気的に接続する。
　貫通接触穴２４は、典型的には、絶縁膜２２における磁性線２１aの配列方向の両方の端部近傍部位に設けられるものであり、絶縁膜２２の一方の面に位置する第１磁性線２１ａの端部近傍部位と、絶縁膜２２の他方の面に位置する非磁性線２３ａの端部近傍部位とが接続されるように、絶縁膜２２を貫通する形状を有する。
　斜め縦縞状に配置された複数の非磁性線２３は、第１磁性線２１ａと隣接して配置された第２磁性線２１ｂについて、貫通接触穴２４を介して非磁性線２３ａの両方の端部により直列接続される構造を備えることができる。
　隣接する第１及び第２磁性線２１ａ，２１ｂを接続する非磁性線２３ａの配列方向の両端部は、それぞれ、第１磁性線２１ａの配列方向の一方の端部と、第２磁性線２１ｂの配列方向の他方の端部と、導体材料で充填された貫通接触穴２４を介して電気的に接続されてもよい。
　絶縁膜２２の膜厚が薄い場合は、貫通接触穴２４は、磁性線２１ａの端部と非磁性線２３ａの端部とが、屈曲して直接接触して導電性を獲得するものでもよい。また絶縁膜２２の膜厚が厚い場合は、貫通接触穴２４が銀ペーストのような導体材料で充填されていることで、第１磁性線２１ａの端部と非磁性線２３ａの端部の対向面を電気的に接続してもよい。
　このように構成された熱電発電デバイスでは、磁性線を高密度で配置できることで、該熱電発電デバイスを熱流センサに適用した場合、高い感度が得られ、該熱電発電デバイスを発電モデュールに適用した場合には、高い出力電圧が得られる。
　本発明の熱電発電デバイスにおいて、好ましくは、上記熱電発電デバイスが熱流センサに用いられる場合においては、磁性線２１は薄膜細線形状であり、幅Ｗが１０ｎｍ～１ｍｍ、厚さＴが１ｎｍ～１００μｍ、長さＬが１μｍ～１０ｃｍであるとよい。
　好ましくは、熱流センサにおいては、磁性線２１の幅Ｗ、厚さＴ、長さＬが、好適範囲としては１μｍ～１ｍｍ、１０ｎｍ～１０μｍ、１００μｍ～５ｃｍ、最適範囲としては、１０μｍ～５００μｍ、１００ｎｍ～５μｍ、１ｍｍ～３ｃｍであるとよい。
　本発明の熱電発電デバイスにおいて、好ましくは、上記熱電発電デバイスが熱電発電モデュールに用いられる場合においては、磁性線２１は棒材形状であり、幅Ｗが１０μｍ～５ｍｍ、厚さＴが１０μｍ～１ｃｍ、長さＬが１ｍｍ～１００ｃｍであるとよい。
　好ましくは、熱電発電モデュールにおいては、磁性線２１の幅Ｗ、厚さＴ、長さＬが、好適範囲としては１００μｍ～３ｍｍ、１００μｍ～５ｍｍ、３ｍｍ～５０ｃｍ、最適範囲としては、３００μｍ～２ｍｍ、５００μｍ～３ｍｍ、５ｍｍ～３０ｃｍであるとよい。
　図２は、本発明の他の実施形態を示す熱電発電デバイスの概念的構成を示す構成図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図を示している。なお、図２において、前出の図１の発明特定事項と同一作用をするものには同一符号を付して説明を省略する。
　本実施形態においては、熱電発電デバイス１８での非磁性線２３ａに代えて、磁性線２１の磁性材料と逆符号の熱電能を持つ磁性材料に置き換えた逆磁性線２７を有する熱電発電デバイス１９を示している。
　例えば、複数の磁性線２１を構成する磁性材料は、正の熱電能を持ち、複数の逆磁性線２７を構成する磁性材料は、負の熱電能を持ってもよい。
　このとき、磁性線２１が正の熱電能を持つ材料として、Ｆｅ－Ａｌ、Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ｓｎ、Ｆｅ－Ｐｔ、Ｍｎ－Ｓｎ、Ｆｅ４Ｎ、Ｍｎ３ＡＮ(Ａ＝Ｍｎ、Ｐｔ、又はＮｉ)又はＣｏ２ＹＺ（Ｙ＝Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、又はＦｅ；Ｚ＝Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、又はＳｂ）ホイスラー合金、Ｓｍ－Ｃｏ永久磁石材料の何れかである場合は、逆磁性線２７は、負の熱電材料を持つ材料として、Ｍｎ－Ｇａ、Ｍｎ－Ｇｅ、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ永久磁石材料、又はＧａＭｎＡｓの何れか１種類であるとよい。
　例えば、複数の磁性線２１を構成する磁性材料は、負の熱電能を持ち、複数の逆磁性線２７を構成する磁性材料は、正の熱電能を持ってもよい。
　このとき、磁性線２１が負の熱電能を持つ材料として、Ｍｎ－Ｇａ、Ｍｎ－Ｇｅ、又はＮｄ－Ｆｅ－Ｂ永久磁石材料の何れかである場合は、逆磁性線２７が正の熱電材料を持つ材料として、Ｆｅ－Ａｌ、Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ｓｎ、Ｆｅ－Ｐｔ、Ｍｎ－Ｓｎ、Ｃｏ２ＹＺ（Ｙ＝Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、又はＦｅ；Ｚ＝Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、又はＳｂ）ホイスラー合金、Ｓｍ－Ｃｏ永久磁石材料の何れか１種類であるとよい。
　即ち、熱電発電デバイス１９は、絶縁材料からなる基板２０と、絶縁材料よりなる絶縁膜２２と、異常ネルンスト効果の熱電能の大きな単一の磁性材料よりなり、配列方向２６へ異常ネルンスト電界を発生させる薄膜細線形状又は棒材形状の第１及び第２磁性線２１ａ，２１ｂが複数並列して配置され、絶縁膜２２の一方の面に縦縞状に配列される複数の磁性線２１と、磁性線２１ａの磁性材料と逆符号の熱電能を持つ磁性材料よりなり、薄膜細線形状又は棒材形状の逆磁性線２７ａが複数並列して配置され、絶縁膜２２の他方の面に複数の磁性線２１に対して平行又は斜めに配置（平行な縦縞状又は斜め縦縞状に配列）される複数の逆磁性線２７と、絶縁膜２２における磁性線２１ａの両方の端部近傍部位に設けられた貫通接触穴２４とを備える。
　基板２０は、磁性線２１、絶縁膜２２、逆磁性線２７の積層体を保持する機械的な耐久性があって、該積層体と熱的に接触していると共に、貫通接触穴２４は、絶縁膜２２の一方の面に位置する磁性線の端部近傍部位と、絶縁膜２２の他方の面に位置する非磁性線の端部近傍部位とが接続されるように絶縁膜２２を貫通する。複数の逆磁性線２７は、典型的には、第１磁性線２１ａと隣接して配置された第２磁性線２１ｂについて、貫通接触穴２４を介して逆磁性線２７ａの配列方向の両端部により直列接続されるように配置される。
　図３は、従来の異常ネルンスト効果に基づく熱電変換デバイスを説明する概念的構成を示し、異常ネルンスト効果を利用した熱電発電／熱流センサの基本的な構造を示す。（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図を示している。
　図３に示すように、従来の熱電発電デバイス１０は、基板１１と発電体１２と接続体１３とを有している。
　基板１１は、少なくとも表層がＭｇＯから成っている。基板１１は、例えば、ＭｇＯ単層から成るものや、Ａｕ層の上にＭｇＯ層が載っているものから成っている。
　発電体１２は、基板１１の表面に沿って互いに平行（Ｖｘ）に配置された複数の細線１２ａから成っている。各細線１２ａは、高磁気異方性を有するＬ１０型規則合金の強磁性体から成り、同じ方向（Ｍｙ）に磁化している。図３（Ａ）および（Ｂ）に示す具体的な一例では、各細線１２ａは、基板１１上に成膜したＦｅＰｔ薄膜を細線化して形成され、幅方向に磁化している（Ｍｙ）。発電体１２は、異常ネルンスト効果により、磁化の方向に対して垂直の方向の温度差（ΔＴｚ）で発電するよう構成されている。
　接続体１３は、基板１１の表面に沿って、発電体１２の各細線１２ａに平行に、各細線１２ａの間に配置された複数の細線１３ａから成っている。接続体１３の各細線１３ａは、発電体１２の各細線１２ａの一端部と、各細線１２ａの一方の側で隣り合う細線１２ａの他端部とを電気的に接続している。これにより、接続体１３は、発電体１２の各細線１２ａを電気的に直列に接続している。図３（Ａ）に示す具体的な一例では、接続体１３は、各細線１２ａの磁化の方向とは反対方向に磁化した強磁性体から成り、図３（Ｂ）に示す具体的な一例では、接続体１３は、非磁性体のＣｒから成っている。なお、接続体１３は、各細線１２ａとは逆符号のネルンスト係数を有する強磁性体から成っていてもよい。
　図３（Ｂ）に示す具体的な一例では、基板の大きさは、１０ｍｍ×１０ｍｍで、発電体１２の細線１２ａの数は、６０本である。
　次に、作用について説明する。
　熱電発電デバイス１０は、異常ネルンスト効果を利用することにより、電位差が温度差と垂直の方向に発生するため、ゼーベック効果を利用したものと比べて、単純な構造で構成することができるため、比較的容易に作製することができ、大面積を利用した発電デバイスを実現することもできる。しかし、比較例で示す、従来の異常ネルンスト効果の熱電能を用いた熱電発電デバイスでは、熱電対列で正負の大きな熱電能を持つ２種類の磁性材料を利用するか、磁化反転制御により隣接する磁性線の磁化が逆方向に向くように制御を加える必要があり、その作製は容易ではないという課題がある。
　また、熱電発電デバイス１０は、異常ネルンスト効果を利用するため、ゼーベック効果を利用するものと比べて同じ性能指数に対する発電効率が高く、熱電変換効率を高めることができる。また、通常のネルンスト効果とは異なり、保磁力や交換バイアスを利用することにより、外部磁場を印加しなくとも発電することができる。
　熱電発電デバイス１０は、発電体１２として高磁気異方性を有するＬ１０型規則合金を使用し、各細線１２ａの幅方向に磁化しているため、例えば細線１２ａの幅を数十ナノメートルサイズまで狭小化しても自発磁化を得ることができる。このため、小面積であってもｍＶを超える大きな電圧を実現することができ、微細化が有効である。
　なお、上記実施の形態においては、正の熱電能を持つ材料として、Ｆｅ－Ａｌ、Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ｓｎ、Ｆｅ－Ｐｔ、Ｍｎ－Ｓｎ、Ｃｏ２ＹＺ（Ｙ＝Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｚ＝Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｂ）ホイスラー合金、Ｓｍ－Ｃｏ永久磁石材料を示し、負の熱電材料を持つ材料として、Ｍｎ－Ｇａ、Ｍｎ－Ｇｅ、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ永久磁石材料の場合を示しているが、上記材料の元素組成のみから熱電能の符号が定まるものではないことが分かっている。即ち、同じ材料系でも熱電能の符号が正と負になるものもあり（例えばＦｅ－ＧａはＧａが薄い濃度ならば負になる）、この場合は熱電能の符号が正と負の場合を優先して、磁性材料の組み合わせを定めるとよい。
　以下、本実施形態の実施例について説明する。しかし、本発明は以下に説明する構成に限定されない。
　図４は、本発明の実施例１として作製した熱流センサの性能評価結果を示すグラフである。
　ここでは、基板２０は厚さ５００μｍの熱酸化膜付きシリコン、磁性線２１には厚さ３０ｎｍ、幅２００μｍ、長さ６ｍｍのＦｅ７２Ｇａ２８、絶縁膜２２として３００ｎｍのＳｉＯ２、非磁性線２３として厚さ３５０ｎｍ、幅４０μｍのＣｕを用い、２０本のＦｅ７２Ｇａ２８線が直列につながるようにフォトリソグラフィーを用いてパターニングを行いサンプルを作製した。
　図４（Ｂ）は、熱流束密度（Ｗ/ｍ２）に対するサンプルの異常ネルンスト効果による電圧シグナル（ｍＶ）である。その結果、０．０２７μＶ／（Ｗ・ｍ－２）の感度を実現し、２０本のＦｅ７２Ｇａ２８の直列接続が構築され、高い感度が得られていることが確認された。なお、貫通接触穴２４の内径は１６０μｍとしている。
　この感度はセンサの実質有効面積で規格化すると１ｃｍ２あたりで０．１０μＶ／（Ｗ・ｍ－２）の感度が得られていることを示す。この面積あたりの感度は、例えば、非特許文献２においてＦｅ７２Ｇａ２８よりも熱電能の高いＦｅ８１Ａｌ１９を用いた従来構造のセンサの感度が１ｃｍ２あたりで、０．０４μＶ／（Ｗ・ｍ－２）と報告されているのと比較しても明らかに大きく、本発明が面積あたりの感度を増大させるために有効であることを示している。
　実施例２
　図５は、本発明の実施例１として作製した３０ｍｍ角サイズの熱流センサの外観写真（Ａ）とその性能評価結果（Ｂ）を示す。
　実施例１では、基板２０は厚さ５００μｍの熱酸化膜付きシリコン、磁性線２１ａには厚さ２００ｎｍ、幅１８０μｍ、長さ３０ｍｍのＦｅ７２Ｇａ２８、絶縁膜２２として２００ｎｍのＳｉＯ２、非磁性線２３ａとして厚さ１００ｎｍ、幅１１０μｍのＡｕを用い、１５０本のＦｅ７２Ｇａ２８線が直列につながるようにフォトリソグラフィーを用いてパターニングを行ってサンプルを作製した。尚、ここでは非磁性線２３ａを磁性線２１ａに対して平行に配置した。
　図５（Ｂ）は、作製したサンプルに与えた熱流束密度（Ｗ/ｍ２）に対するサンプルの異常ネルンスト効果による電圧シグナル（ｍＶ）を示したグラフである。
　その結果、外部磁場を印加した飽和状態で測定した場合では(図中、丸印で表記)１．２２６μＶ／（Ｗ・ｍ－２）、外部磁場がない残留磁化状態で測定した場合では(図中、四角印で表記)１．００１μＶ／（Ｗ・ｍ－２）の感度を実現し、１５０本のＦｅ７２Ｇａ２８の直列接続が構築され、非特許文献1で報告される感度０．０４μＶ／（Ｗ・ｍ－２)のおよそ２５～３０倍の高い感度が得られていることが確認された。
　図６は、本発明の実施例３として作製した５５×２３ｍｍ角サイズの異常ネルンスト熱電発電モデュールの外観写真（Ａ）と、その内部写真（Ｂ）と、その性能評価結果を示すグラフ（Ｃ）である。基板２０は厚さ５００μｍのＡｌ－Ｎ基板、磁性線２１ａには厚さ１．５ｍｍ、幅１．４ｍｍ、長さ５５ｍｍのＳｍＣｏ５永久磁石、絶縁膜２２として約５００μｍのシリコンボンド、非磁性線２３ａとして厚さ３０μｍ、幅３００μｍのＡｌを用い、２４本のＳｍＣｏ５線が直列につながるように配線した。その後、上部にもＡｌ－Ｎ基板を配置し熱電発電モデュールとした。尚、ここでは非磁性線２３ａを磁性線２１ａに対して斜めに配置した。
　図６（Ｃ）は、発電モデュールの上下Ａｌ－Ｎ基板に与えた温度差ｄＴに対する外部磁場がない残留磁化状態での最大発電量Ｐｍａｘを示す。ｍｏｄｕｌｅ１、ｍｏｄｕｌｅ２は測定装置に対して面内方向で９０°回転させてセットした測定結果を表し、１ｓｔ、２ｎｄ、３ｒｄは同じ条件で繰り返し測定した結果を示している。６５Ｋの温度差をモデュールに印加の際には出力電圧２５ｍＶ、発電量５６μＷ,４７Ｋの温度差をモデュールに印加際には出力電圧１８ｍＶ、発電量３０μＷを観測し、本発明が熱電発電モデュールに利用できることを示された。
　以上詳細に説明したように、本発明の熱電発電デバイスによれば、発電モデュール／熱流センサを通過する熱エネルギー／熱流を効率的に利用する熱電対列構造が提供できる。
　そこで、本発明の熱電発電デバイスは、例えば、体温と外界温度との差を利用して発電するスーツや鞄、時計、温泉の配管を利用した発電装置、パソコンの廃熱を利用した自発発電リサイクルシステムなどに利用することができる。
１０　従来の熱電発電デバイス
１１　基板
１２　発電体
１２ａ　発電体細線
１３　接続体
１３ａ　接続体細線
１８、１９　熱電発電デバイス
２０　基板（基材）
２１　複数の磁性線
２１ａ　第１磁性線
２１ｂ　第１磁性線２１ａに隣接して配置された第２磁性線
２２　絶縁膜
２３　複数の非磁性線
２３ａ　非磁性線
２４　貫通接触穴
２６　磁性材料の異常ネルンスト電界の方向
２７　複数の逆磁性線
２７ａ　逆磁性線
２８　逆磁性材料の異常ネルンスト電界の方向

Claims (15)

  1. 　絶縁材料よりなる絶縁膜と、
    　異常ネルンスト効果による熱電能の大きな単一の磁性材料よりなり、前記絶縁膜の一方の面に並列に配置された薄膜細線形状又は棒材形状の複数の磁性線と、
    　非磁性材料よりなり、前記絶縁膜の他方の面に前記複数の磁性線の配列方向に対して平行又は斜めに並列に配置された、薄膜細線形状又は棒材形状の複数の非磁性線と、
    　前記複数の磁性線のうち隣接する第１磁性線及び第２磁性線を、前記複数の非磁性線のうちの１つを介して直列接続可能なように、前記絶縁膜を貫通し前記複数の磁性線と前記複数の非磁性線を電気的に接続する貫通接触穴と、
    　絶縁材料、又は絶縁材料で被覆された導電性材料よりなり、前記複数の磁性線、前記絶縁膜、及び前記複数の非磁性線の積層体を保持し、前記積層体と熱的に接触している基板と、
    　を備える、熱電発電デバイス。
  2. 　前記隣接する第１及び第２磁性線を接続する非磁性線の配列方向の両端部は、それぞれ、前記第１磁性線の配列方向の一方の端部と、前記第２磁性線の配列方向の他方の端部と、導体材料で充填された前記貫通接触穴を介して電気的に接続される請求項１に記載の熱電発電デバイス。
  3. 　前記非磁性材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄおよびこれらを含む合金材料の何れか１種類である請求項１又は２に記載の熱電発電デバイス。
  4. 　絶縁材料よりなる絶縁膜と、
    　異常ネルンスト効果による熱電能の大きな単一の磁性材料よりなり、前記絶縁膜の一方の面に並列に配置された薄膜細線形状又は棒材形状の複数の磁性線と、
    　前記複数の磁性線を構成する磁性材料と逆符号の熱電能を持つ磁性材料よりなり、前記絶縁膜の他方の面に前記複数の磁性線の配列方向に対して平行又は斜めに並列に配置された、薄膜細線形状又は棒材形状の複数の逆磁性線と、
    　前記複数の磁性線のうち隣接する第１磁性線及び第２磁性線を、前記複数の逆磁性線のうちの１つを介して直列接続可能なように、前記絶縁膜を貫通し前記複数の磁性線と前記複数の逆磁性線を電気的に接続する貫通接触穴と、
    　絶縁材料、又は絶縁材料で被覆された導電性材料よりなり、前記複数の磁性線、前記絶縁膜、及び前記複数の逆磁性線の積層体を保持し、前記積層体と熱的に接触している基板と、
    　を備える、熱電発電デバイス。
  5. 　前記隣接する第１及び第２磁性線を接続する逆磁性線の配列方向の両端部は、それぞれ、前記第１磁性線の配列方向の一方の端部と、前記第２磁性線の配列方向の他方の端部と、導体材料で充填された前記貫通接触穴を介して電気的に接続される請求項４に記載の熱電発電デバイス。
  6. 　前記複数の磁性線を構成する磁性材料は、正の熱電能を持ち、
    　前記複数の逆磁性線を構成する磁性材料は、負の熱電能を持つ請求項４又は５に記載の熱電発電デバイス。
  7. 　前記複数の磁性線を構成する磁性材料は、負の熱電能を持ち、
    　前記複数の逆磁性線を構成する磁性材料は、正の熱電能を持つ請求項４又は５に記載の熱電発電デバイス。
  8. 　前記複数の磁性線の間隔は、前記磁性線の長さ又は幅の少なくとも一方よりも狭い請求項１乃至７の何れか１項に記載の熱電発電デバイス。
  9. 　前記複数の磁性線の磁性材料は、Ｆｅ－Ａｌ、Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ｓｎ、Ｆｅ－Ｐｔ、Ｍｎ－Ｇａ、Ｍｎ－Ｇｅ、Ｍｎ－Ｓｎ、Ｎｉ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｇｄ、Ｆｅ４Ｎ、Ｍｎ３ＡＮ(Ａ＝Ｍｎ、Ｐｔ、又はＮｉ)、Ｃｏ２ＹＺ（Ｙ＝Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、又はＦｅ；Ｚ＝Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、又はＳｂ）ホイスラー合金、Ｓｍ－Ｃｏ永久磁石材料、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ永久磁石材料、又はＧａＭｎＡｓの何れか１種類である請求項１乃至８の何れか１項に記載の熱電発電デバイス。
  10. 　前記絶縁膜を構成する絶縁材料は、ＭｇＯ、Ｓｉ－Ｏ、Ｓｉ－Ｎ、Ａｌ－Ｏ、Ａｌ－Ｎ、ＢＮ、又はＣの何れか１種類である請求項１乃至９の何れか１項に記載の熱電発電デバイス。
  11. 　前記基板を構成する材料は、好ましくは、絶縁材料として、ＭｇＯ、熱酸化膜付きシリコン、Ｓｉ－Ｏ、Ｓｉ－Ｎ、Ａｌ－Ｏ、Ａｌ－Ｎ、ＳｉＣ、サファイア、ガラス、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、又はダイヤモンドの何れか１種類であり、あるいは、絶縁材料で被覆された導電性材料として、シリコン、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、又はＰｄの何れか１種類である請求項１乃至１０の何れか１項に記載の熱電発電デバイス。
  12. 　前記熱電発電デバイスが熱流センサに用いられる場合においては、前記複数の磁性線は薄膜細線形状であり、幅Ｗが１０ｎｍ～１ｍｍ、厚さＴが１ｎｍ～１００μｍ、長さＬが１μｍ～１０ｃｍである請求項１乃至１１の何れか１項に記載の熱電発電デバイス。
  13. 　前記熱電発電デバイスが熱電発電モデュールに用いられる場合においては、前記複数の磁性線は棒材形状であり、幅Ｗが１０μｍ～５ｍｍ、厚さＴが１０μｍ～１ｃｍ、長さＬが１ｍｍ～１００ｃｍである請求項１乃至１２の何れか１項に記載の熱電発電デバイス。
  14. 　前記絶縁膜の膜厚は、１ｎｍ～１ｃｍである請求項１乃至１３の何れか１項に記載の熱電発電デバイス。
  15. 　前記基板の厚さは、３μｍ～３ｍｍである請求項１乃至１４の何れか１項に記載の熱電発電デバイス。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023141388A (ja) * 2022-03-24 2023-10-05 国立研究開発法人産業技術総合研究所 異常ネルンスト効果を利用した熱流センサおよびその製造方法
JPWO2025062936A1 (ja) * 2023-09-19 2025-03-27

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3554815A (en) * 1963-04-30 1971-01-12 Du Pont Thin,flexible thermoelectric device
JP2008130718A (ja) * 2006-11-20 2008-06-05 Tokai Rika Co Ltd 熱電変換デバイス及びその製造方法
JP2014072256A (ja) * 2012-09-28 2014-04-21 Tohoku Univ 熱電発電デバイス
JP2016103535A (ja) * 2014-11-27 2016-06-02 トヨタ自動車株式会社 熱電体
WO2019009308A1 (ja) * 2017-07-03 2019-01-10 国立大学法人東京大学 熱電変換素子及び熱電変換デバイス
WO2020090638A1 (ja) * 2018-11-01 2020-05-07 日本電気株式会社 外装体、異常検出器及び異常検出システム
WO2020218613A1 (ja) * 2019-04-26 2020-10-29 国立大学法人東京大学 熱電変換素子及び熱電変換装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3447915B2 (ja) * 1997-04-28 2003-09-16 シャープ株式会社 熱電素子及びそれを用いた熱電素子モジュール
FR2946798B1 (fr) 2009-06-12 2011-10-28 Commissariat Energie Atomique Micro-structure pour generateur thermoelectrique a effet seebeck et procede de fabrication d'une telle micro- structure.
JP5533026B2 (ja) 2010-02-26 2014-06-25 富士通株式会社 熱電変換装置及びその製造方法
WO2012114650A1 (en) 2011-02-22 2012-08-30 Panasonic Corporation Thermoelectric conversion element and producing method thereof
WO2017038717A1 (ja) 2015-08-31 2017-03-09 富士フイルム株式会社 熱電変換モジュール
WO2017038553A1 (ja) 2015-08-31 2017-03-09 富士フイルム株式会社 熱電変換モジュール
JP6611167B2 (ja) 2015-10-23 2019-11-27 国立大学法人 東京大学 熱電変換デバイス及び熱電変換素子
JP2018078147A (ja) 2016-11-07 2018-05-17 Tdk株式会社 磁気熱電素子および発電方法
JP7679881B2 (ja) * 2021-06-30 2025-05-20 株式会社村田製作所 熱電変換デバイス

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3554815A (en) * 1963-04-30 1971-01-12 Du Pont Thin,flexible thermoelectric device
JP2008130718A (ja) * 2006-11-20 2008-06-05 Tokai Rika Co Ltd 熱電変換デバイス及びその製造方法
JP2014072256A (ja) * 2012-09-28 2014-04-21 Tohoku Univ 熱電発電デバイス
JP6079995B2 (ja) 2012-09-28 2017-02-15 国立大学法人東北大学 熱電発電デバイス
JP2016103535A (ja) * 2014-11-27 2016-06-02 トヨタ自動車株式会社 熱電体
WO2019009308A1 (ja) * 2017-07-03 2019-01-10 国立大学法人東京大学 熱電変換素子及び熱電変換デバイス
WO2020090638A1 (ja) * 2018-11-01 2020-05-07 日本電気株式会社 外装体、異常検出器及び異常検出システム
WO2020218613A1 (ja) * 2019-04-26 2020-10-29 国立大学法人東京大学 熱電変換素子及び熱電変換装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SAKURABA ET AL., APPL. PHYS. EXPRESS, vol. 6, 2013, pages 033003
See also references of EP4358166A4
W. ZHOUY. SAKURABA, APPL. PHYS.EXPRESS, vol. 13, 2020, pages 043001

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023141388A (ja) * 2022-03-24 2023-10-05 国立研究開発法人産業技術総合研究所 異常ネルンスト効果を利用した熱流センサおよびその製造方法
JP7818270B2 (ja) 2022-03-24 2026-02-20 国立研究開発法人産業技術総合研究所 異常ネルンスト効果を利用した熱流センサおよびその製造方法
JPWO2025062936A1 (ja) * 2023-09-19 2025-03-27
WO2025062936A1 (ja) * 2023-09-19 2025-03-27 国立研究開発法人物質・材料研究機構 熱電積層体及び熱電装置

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