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室温・ゼロ磁場で世界最高の磁気熱電効果を実現する鉄系材料

 東京大学,金沢大学,東北大学,国立研究開発法人理化学研究所(理研),同 科学技術振興機構(JST)は2020年4月28日,東京大学 物性研究所の酒井 明人助教,中辻 知教授らの研究グループが,金沢大学の石井 史之准教授(理化学研究所客員研究員)ら,東北大学大学院理学研究科物理学専攻の是常 隆准教授らと協力して,鉄を含む汎用材料で鉄単体より20倍大きな磁気熱電効果(=異常ネルンスト効果)が得られることを発見したと発表した.本研究は,JST戦略的創造研究推進事業チーム型研究(CREST)等の支援を受け,成果は英国科学誌Natureで公開された(注).

 身の回りの環境で排出される熱や振動などの微小エネルギーを回収して電力にする環境発電はIoTにおけるセンサの駆動電源応用が期待され,その一つの熱電発電は排熱の電力変換の手段としても注目されている.しかし,熱電発電の研究開発の多くは,物質中の温度勾配によって起電力が発生するゼーベック効果を利用するものが中心であった.ところが,これに用いられる熱電材料にはセレンなどの有害物質が含まれ,温度差と同じ方向に起電力が発生するため柱状の多数の素子を立体的に並べるモジュール構造となって薄膜化・フレキシブル化や大面積化が難しいといった課題があった.

 一方,近年,磁性体の磁気熱電効果の異常ネルンスト効果が注目されるようになった.この効果では,温度差と磁化に垂直方向に起電力が発生し,発電方向は磁化の方向で制御できるため,大面積の薄膜かつ無接合のモジュー ル構造実現が期待できる.そこで,研究グループはありふれた元素で大きな磁気熱電効果を実現する材料の探索を行った.

 まず,東北大学を中心として第一原理計算を用いた磁気熱電効果を自動的に計算するハイスループット計算手法を開発し,磁気熱電効果の理論値をデータベース化した.論文には1400を超える元素組み合わせについて結晶構造・熱電効果等の理論値を示す表がある.次いで,その中から,安価かつ工業的にも利用しやすい鉄系材料に着目し,鉄(Fe)にアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)を25%添加したFe3Al,Fe3Gaを作製し,結晶構造や磁気熱電特性を測定した.いずれも鉄単体に比べて10倍以上大きな磁気熱電効果を示し,Fe3Al,では20倍に達した.また,ゼロ磁場,100℃の高温から-100℃の低温まで高い性能を維持し,耐久性・耐熱性にも優れていた.さらに,MgO基板上に厚さ50nmのFe3Al,Fe3Gaの薄膜作製にも成功した.一方,金沢大学,理研を中心とするグループは電子状態の詳細な解析を行い,この優れた特性がノーダルウェブと呼ばれるトポロジカルなバンド構造に由来していることを明らかにした.

 研究グループは,本成果により今後の材料開発の指針が明らかになったとし,磁気熱電効果を利用した熱電変換デバイスの開発が加速され,IoT機器の自立電源などに利用されることを期待している.

(注)Akito Sakai, Susumu Minami, Takashi Koretsune, Taishi Chen, Tomoya Higo, Yangming Wang, Takuya Nomoto, Motoaki Hirayama, Shinji Miwa, Daisuke Nishio-Hamane, Fumiyuki Ishii, Ryotaro Ari-ta, and Satoru Nakatsuji, "Iron-based Binary Ferromagnets for Transverse Thermoelectric Conversion", Nature (2020), DOI: 10.1038/s41586-020-2230-z; Published: 27 April 2020