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物性・原理

新機構の“横型”熱電効果を実証 ~熱電材料と磁性材料の組み合わせで巨大な熱起電力を生成,熱電技術の応用展開に新たな道~

 国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)と同 科学技術振興機構(JST)は2021年1月19日,NIMS 磁性材料グループの研究チームが,熱電材料と磁性材料を組み合わせた複合構造において生じる新原理の熱電効果を発案し,与えた温度勾配と直交する方向に起電力を生む「横型」熱電効果として世界最高値となる熱電能を観測することに成功したことを発表した.本研究成果は英国科学誌Nature Materialsにオンライン掲載された(註).また,本研究は,JST戦略的創造研究推進事業さきがけ及びCRESTの支援を受け,NEDO先導研究プログラム未踏チャレンジの一環として行われた.

 IoT(モノのインターネット)が普及するスマート社会では,これに接続する無数のセンサー群を駆動するための自立電源として,ゼーベック効果を利用した熱電発電技術が期待されている.ゼーベック効果は,金属や半導体に加わる温度勾配と平行な方向に起電力が生じる「縦型」の熱電現象である.大きな電気エネルギーを得るには,ゼーベック係数の符号が異なる2種の材料を直列的に接続する複雑なモジュール構造を作る必要があり,低コスト化,広い熱源活用のためのモジュールの大面積化が難しい等様々な問題があった.新しいアプローチとして近年,磁性材料で生じる「異常ネルンスト 効果」という熱電変換現象が注目されている.与えられた温度勾配と直交する方向に起電力が発生する「横型」の熱電現象であるため,熱源面に沿った方向に電流や電圧を生成することができ,磁性材料を直列接続する単純な構造によって,出力電圧・電力を増強できる.大きな熱源の活用やモジュールの低コスト化等の向上が望める.しかし,熱電能の大きさが10μV/Kにも満たず,異常ネルンスト効果が大きい材料の探索研究が世界的に進められている.

 今回,NIMSの研究チームは,異常ネルンスト効果の熱起電力の一部は,磁性材料自体で生じるゼーベック効果による縦方向へのキャリアの流れが,外部磁場の中で磁性材料特有のホール効果「異常ホール効果」によって横方向へ変換されることで生じている点に注目した.一般的に磁性材料では,ゼーベック効果は小さいので異常ホール効果とのかけ合わせによる横方向への熱起電力は小さい.そこで研究チームは,「磁性材料に,半導体や半金属などの大きなゼーベック効果を示す熱電材料を接合して閉回路を構成した複合構造を構築し,そのゼーベック効果を駆動力としてキャリアを磁性材料に流し込めば,大きな横熱電効果が出現するのではないか?」というアイデアを着想し,この効果を「ゼーベック駆動横型熱電効果(Seebeck-driven transverse thermoelectric generation)」と名付けた.この原理による横熱電能算出の理論モデルを構築した結果,熱電材料と磁性材料の電気伝導率とサイズの比率を最適化することによって,100μV/Kを超える熱電能を示す横熱電効果を見出した.実験的検証のため,大きな異常ホール効果で知られる磁性材料Co2MnGaと,大きなゼーベック熱電能をもつSiを組み合わせた複合構造を作製した.負のゼーベック係数を持つn型Siの場合+82μV/K,正のゼーベック係数を持つp型Siの場合-41μV/Kという極めて大きな横型熱電能を観測すること成功した.また,高い磁気異方性をもつFePtとSiの組み合わせで同様の実験を行い,外部磁場を印加しなくても異常ネルンストよりもはるかに大きい+34μV/Kの熱電能が得られることを示した.今後,新しい環境発電技術や高感度な熱流センサーなどへの展開が期待される.

(註)W. Zhou, K. Yamamoto, A. Miura, R. Iguchi, Y. Miura, K. Uchida & Y. Sakuraba, "Seebeck-driven transverse thermoelectric generation", Nature Materials, (2021), DOI: 10.1038/s41563-020-00884-2; Pub-lished: 18 January 2021