WO2015115056A1

WO2015115056A1 - Thermoelectric transducer, thermoelectric transducer module, and manufacturing method for thermoelectric transducer

Info

Publication number: WO2015115056A1
Application number: PCT/JP2015/000225
Authority: WO
Inventors: 悠真岩崎; 滋河本; 石田　真彦; 明宏桐原; 和紀井原; 広瀬　賢二; 染谷　浩子; 明日華福江
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2015-08-06
Also published as: JPWO2015115056A1; JP6565689B2

Abstract

In related thermoelectric transducers, it is difficult to efficiently increase electromotive force. This thermoelectric transducer comprises: a magnetic layer (110) which produces a spin Seebeck effect; a first electromotive layer (120) the direction of electromotive force of which is a first direction (A), the electromotive force being determined by the direction of a magnetic field and the direction of a temperature gradient in the magnetic layer; a second electromotive layer (130) the direction of electromotive force of which is a second direction (B) that is opposite to the first direction; and a connecting part (140) which electrically connects the first electromotive layer and the second electromotive layer such that the starting point of the first direction and the ending point of the second direction are continuous, and the first electromotive layer and the second electromotive layer are connected to the magnetic layer, and disposed apart from each other in a direction approximately perpendicular to the first direction and the second direction.

Description

熱電変換素子、熱電変換素子モジュールおよび熱電変換素子の製造方法Thermoelectric conversion element, thermoelectric conversion element module, and method of manufacturing thermoelectric conversion element

　本発明は、熱電変換素子、熱電変換素子モジュールおよび熱電変換素子の製造方法に関し、特に、スピンゼーベック効果および逆スピンホール効果を用いた熱電変換素子、熱電変換素子モジュールおよび熱電変換素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion element, a thermoelectric conversion element module, and a method of manufacturing a thermoelectric conversion element, and more particularly, to a thermoelectric conversion element, a thermoelectric conversion element module, and a method of manufacturing a thermoelectric conversion element using a spin Seebeck effect and an inverse spin Hall effect. .

　近年、持続可能な社会に向けた環境・エネルギー問題への取り組みが活発化している。このような背景の中で、熱電変換素子への期待が高まっている。その理由は、熱は体温、太陽光、エンジン、工業排熱などあらゆる媒体から得ることができる最も一般的なエネルギー源だからである。今後、低炭素社会におけるエネルギー利用の高効率化のため、またユビキタス端末やセンサ等への給電といった用途において、熱電変換素子はますます重要となることが予想される。 In recent years, efforts for environmental and energy issues toward a sustainable society have become active. Against this background, expectations for thermoelectric conversion elements are increasing. The reason is that heat is the most common energy source that can be obtained from any medium such as body temperature, sunlight, engine, industrial waste heat. In the future, thermoelectric conversion elements are expected to become increasingly important for the purpose of improving the efficiency of energy use in a low-carbon society and for applications such as power supply to ubiquitous terminals and sensors.

　また、最近の研究により、磁性体における「スピンゼーベック効果（Ｓｐｉｎ－Ｓｅｅｂｅｃｋ　Ｅｆｆｅｃｔ）」の存在が明らかになっている。スピンゼーベック効果とは、磁性体に温度勾配が印加されると、温度勾配と平行方向に電子のスピン角運動量の流れ（スピン流）が発生する現象である（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１には、強磁性体であるＮｉＦｅ膜におけるスピンゼーベック効果が記載されており、特許文献２には、イットリウム鉄ガーネット（Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２：ＹＩＧ）といった磁性絶縁体と金属膜との界面におけるスピンゼーベック効果が記載されている。 Also, recent studies have revealed the existence of the “Spin-Seebeck Effect” in magnetic materials. The spin Seebeck effect is a phenomenon in which, when a temperature gradient is applied to a magnetic material, a flow (spin flow) of spin angular momentum of electrons occurs in a direction parallel to the temperature gradient (see, for example, Patent Documents 1 and 2). . Patent Document 1 describes a spin Seebeck effect in a NiFe film that is a ferromagnetic material, and Patent Document 2 describes a magnetic insulator such as yttrium iron garnet (Y ₃ Fe ₅ O ₁₂ : YIG), a metal film, and the like. The spin Seebeck effect at the interface is described.

　上述した温度勾配によって発生したスピン流は、逆スピンホール効果（Ｉｎｖｅｒｓｅ　Ｓｐｉｎ－Ｈａｌｌ　ｅｆｆｅｃｔ）により、電流に変換できることが知られている（特許文献１、２参照）。ここで、逆スピンホール効果とは、物質のスピン軌道相互作用（ｓｐｉｎ　ｏｒｂｉｔ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ）によってスピン流が電流に変換される現象である。逆スピンホール効果は、スピン軌道相互作用の大きな物質、例えば白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）などにおいて顕著に発現する。 It is known that the spin current generated by the above-described temperature gradient can be converted into a current by an inverse spin Hall effect (Inverse Spin-Hall effect) (see Patent Documents 1 and 2). Here, the reverse spin Hall effect is a phenomenon in which a spin current is converted into a current by spin orbit coupling of matter. The reverse spin Hall effect is remarkably exhibited in a substance having a large spin orbit interaction, such as platinum (Pt) or gold (Au).

　スピンゼーベック効果と逆スピンホール効果を利用し、スピンを介して温度勾配を電流に変換する技術である「スピン熱電変換」が注目されている。このようなスピン熱電変換技術を用いた新しい熱電変換素子の一例が特許文献１に記載されている。 “Spin thermoelectric conversion”, which is a technology that uses the spin Seebeck effect and the inverse spin Hall effect to convert a temperature gradient into an electric current through spin, has attracted attention. An example of a new thermoelectric conversion element using such a spin thermoelectric conversion technique is described in Patent Document 1.

　図１４に、特許文献１に記載された関連する熱スピン流変換素子１０の構成を示す。関連する熱スピン流変換素子１０は、サファイア基板１１の表面に、熱スピン流変換部１２およびＰｔ電極１６を設けた構成としている。熱スピン流変換部１２は、Ｔａ膜１３、ＰｄＰｔＭｎ膜１４、およびＮｉＦｅ膜１５を順次堆積することにより形成される。そして、Ｐｔ電極１６の両端に端子１７－１、１７－２を設けることによってスピン流を利用した熱電対、すなわちサーモスピンカップルを形成することとしている。 FIG. 14 shows a configuration of a related thermal spin current conversion element 10 described in Patent Document 1. The related thermal spin current conversion element 10 has a configuration in which a thermal spin current conversion unit 12 and a Pt electrode 16 are provided on the surface of a sapphire substrate 11. The thermal spin current converter 12 is formed by sequentially depositing a Ta film 13, a PdPtMn film 14, and a NiFe film 15. Then, by providing terminals 17-1 and 17-2 at both ends of the Pt electrode 16, a thermocouple using a spin current, that is, a thermo spin couple is formed.

　このように構成された関連する熱スピン流変換素子１０において、Ｐｔ電極１６を設けていない側を測定対象熱源に当接あるいは近接させることによって、Ｐｔ電極１６を設けた側との間に熱勾配が形成されて熱スピン流が発生する。このとき発生した熱スピン流がＰｔ電極１６に注入されると逆スピンホール効果によってＰｔ電極１６の両端に電位差が発生する。この電位差を端子１７－１、１７－２を介して検出することによって、測定対象熱源の温度を推定することが可能になる、としている。 In the related thermal spin current conversion element 10 configured in this way, the thermal gradient between the side where the Pt electrode 16 is provided by bringing the side where the Pt electrode 16 is not provided into contact with or close to the heat source to be measured. Is formed and a thermal spin current is generated. When the heat spin current generated at this time is injected into the Pt electrode 16, a potential difference is generated between both ends of the Pt electrode 16 due to the reverse spin Hall effect. By detecting this potential difference via the terminals 17-1 and 17-2, it is possible to estimate the temperature of the heat source to be measured.

　また、特許文献２には、熱起電力の高出力化を図った熱電変換素子が記載されている。図１５に、特許文献２に記載された関連する熱電変換素子２０の構成を示す。 Further, Patent Document 2 describes a thermoelectric conversion element that achieves higher thermoelectromotive force output. In FIG. 15, the structure of the related thermoelectric conversion element 20 described in patent document 2 is shown.

　関連する熱電変換素子２０は、磁性体２１、起電体２２、導電体２３、および出力端子２４、２５を備える。 The related thermoelectric conversion element 20 includes a magnetic body 21, an electromotive body 22, a conductor 23, and

output terminals

24 and 25.

　磁性体２１は、少なくとも１つの磁化方向を有する材料であり、例えばイットリウム鉄ガーネット（Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２：ＹＩＧ）などの磁性絶縁体が好適に用いられる。起電体２２には、スピン軌道相互作用の比較的大きな例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、およびパラジウム（Ｐｄ）などの金属材料、またはそれらの合金材料が用いられる。 The magnetic body 21 is a material having at least one magnetization direction. For example, a magnetic insulator such as yttrium iron garnet (Y ₃ Fe ₅ O ₁₂ : YIG) is preferably used. For the electromotive body 22, a metal material such as gold (Au), platinum (Pt), and palladium (Pd) having a relatively large spin orbit interaction, or an alloy material thereof is used.

　起電体２２は、磁性体２１の磁化方向に対して略平行な面に複数設けられており、磁性体２１の磁化方向に対して略垂直方向に長手方向を有する形状である。複数の起電体２２が、互いに略平行に並んで配設されている。そして導電体２３は、起電体２２の延伸方向における一方の端部と、隣り合う起電体２２の他方の端部とを接続している。つまり、起電体２２と導電体２３とが互いに交互に連続して接続しており、図１５に示すような折り返し形状（ジグザグ型のミアンダ形状）を形成している。なお、起電体２２の起電力生成効率は、導電体２３の起電力生成効率よりも大きい。 A plurality of electromotive bodies 22 are provided on a surface substantially parallel to the magnetization direction of the magnetic body 21, and have a longitudinal direction substantially perpendicular to the magnetization direction of the magnetic body 21. A plurality of electromotive bodies 22 are arranged substantially parallel to each other. The conductor 23 connects one end portion in the extending direction of the electromotive body 22 and the other end portion of the adjacent electromotive body 22. That is, the electromotive bodies 22 and the conductors 23 are alternately and continuously connected to each other to form a folded shape (zigzag meander shape) as shown in FIG. Note that the electromotive force generation efficiency of the electromotive body 22 is larger than the electromotive force generation efficiency of the conductor 23.

　関連する熱電変換素子２０において、磁性体２１の平面方向に作用している磁化方向に対して、鉛直方向に温度勾配が印加されると、磁性体２１のスピンゼーベック効果により、温度勾配方向にスピンの流れ（スピン流）が誘起される。この磁性体２１において生成されたスピン流は、互いに直列接続された起電体２２のスピンホール効果によって、磁化方向と垂直方向である起電体２２および導電体２３の延伸方向に流れる電流に変換される。ここで起電体２２は導電体２３と比べて起電力生成効率が大きいため、出力端子２４から出力端子２５に向かう一方向に電流が流れる。 In the related thermoelectric conversion element 20, when a temperature gradient is applied in the vertical direction with respect to the magnetization direction acting in the plane direction of the magnetic body 21, the spin in the temperature gradient direction is caused by the spin Seebeck effect of the magnetic body 21. Current (spin current) is induced. The spin current generated in the magnetic body 21 is converted into a current flowing in the extending direction of the electromotive body 22 and the conductor 23 that are perpendicular to the magnetization direction by the spin Hall effect of the electromotive bodies 22 connected in series with each other. Is done. Here, since the electromotive body 22 has higher electromotive force generation efficiency than the conductor 23, a current flows in one direction from the output terminal 24 toward the output terminal 25.

　関連する熱電変換素子２０によれば、出力端子２４から出力端子２５に向かって起電力を有効に加算することができるので、熱電変換素子２０のサイズを大きくすることなく、省スペースで高い出力の取り出しが可能となる、としている。 According to the related thermoelectric conversion element 20, since the electromotive force can be effectively added from the output terminal 24 toward the output terminal 25, space-saving and high output can be achieved without increasing the size of the thermoelectric conversion element 20. It can be removed.

特開２００９－１３００７０号公報（［００４５］～［００４７］、図１０）JP 2009-130070 ([0045] to [0047], FIG. 10) 特開２０１２－１０９３６７号公報（［００１４］～［００４０］、図２）JP 2012-109367 A ([0014] to [0040], FIG. 2)

　上述した関連する熱電変換素子２０においては、起電体２２と導電体２３は直列に接続されているが、それぞれの起電力の向きは逆向きであるので、関連する熱電変換素子２０の等価回路は図１６に示すようになる。この等価回路からわかるように、導電体２３で発生する起電力が、起電体２２で発生する起電力をキャンセルしてしまうことになるので、効率的に起電力を高めることができない。 In the related thermoelectric conversion element 20 described above, the electromotive body 22 and the conductor 23 are connected in series. However, since the directions of the electromotive forces are opposite, the equivalent circuit of the related thermoelectric conversion element 20 is used. Is as shown in FIG. As can be seen from this equivalent circuit, the electromotive force generated in the conductor 23 cancels the electromotive force generated in the electromotive body 22, and thus the electromotive force cannot be increased efficiently.

　このように、関連する熱電変換素子においては、効率よく起電力の増大を図ることが困難である、という問題があった。 Thus, the related thermoelectric conversion element has a problem that it is difficult to efficiently increase the electromotive force.

　本発明の目的は、上述した課題である、熱電変換素子においては、効率よく起電力の増大を図ることが困難である、という課題を解決する熱電変換素子、熱電変換素子モジュールおよび熱電変換素子の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is a thermoelectric conversion element, a thermoelectric conversion element module, and a thermoelectric conversion element that solve the problem that it is difficult to efficiently increase electromotive force in the thermoelectric conversion element, which is the above-described problem. It is to provide a manufacturing method.

　本発明の熱電変換素子は、スピンゼーベック効果を発現する磁性体層と、磁性体層における磁場の方向および温度勾配の方向によって定まる起電力の向きが第１の方向である第１の起電層と、起電力の向きが第１の方向と反対である第２の方向である第２の起電層と、第１の方向の始点と第２の方向の終点が連続するように、第１の起電層と第２の起電層を電気的に接続する接続部、とを有し、第１の起電層と第２の起電層は、それぞれ磁性体層と接続し、第１の方向および第２の方向と略垂直な方向に離間して配置している。 The thermoelectric conversion element of the present invention includes a magnetic layer that exhibits a spin Seebeck effect, and a first electromotive layer in which the direction of an electromotive force determined by the direction of a magnetic field and the direction of a temperature gradient in the magnetic layer is a first direction. The first electromotive force direction so that the first electromotive force direction is opposite to the first direction, the second electromotive layer being the second direction, and the first direction end point and the second direction end point being continuous. The electromotive layer and the second electromotive layer are electrically connected to each other, and the first electromotive layer and the second electromotive layer are connected to the magnetic layer, respectively. And a direction substantially perpendicular to the second direction and the second direction.

　本発明の熱電変換素子の製造方法は、スピンゼーベック効果を発現する磁性体層の一の面に、磁性体層における磁場の方向および温度勾配の方向によって定まる起電力の向きが第１の方向である第１の起電層を積層し、磁性体層の他の面に起電力の向きが第１の方向と反対である第２の方向である第２の起電層を積層し、第１の方向の始点と第２の方向の終点が連続するように、第１の起電層と第２の起電層を電気的に接続する。 In the method for manufacturing a thermoelectric conversion element of the present invention, the direction of the electromotive force determined by the direction of the magnetic field and the direction of the temperature gradient in the magnetic layer is the first direction on one surface of the magnetic layer that exhibits the spin Seebeck effect. A first electromotive layer is laminated, and a second electromotive layer having a second direction in which the direction of electromotive force is opposite to the first direction is laminated on the other surface of the magnetic layer. The first electromotive layer and the second electromotive layer are electrically connected so that the starting point in the direction of and the end point in the second direction are continuous.

　本発明の熱電変換素子、熱電変換素子モジュールおよび熱電変換素子の製造方法によれば、効率よく起電力の増大を図ることができる。 According to the thermoelectric conversion element, thermoelectric conversion element module, and thermoelectric conversion element manufacturing method of the present invention, the electromotive force can be increased efficiently.

本発明の第１の実施形態に係る熱電変換素子の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態に係る熱電変換素子の別の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows another structure of the thermoelectric conversion element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態に係る熱電変換素子のさらに別の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows another structure of the thermoelectric conversion element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態に係る熱電変換素子の概略の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the outline of the thermoelectric conversion element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態に係る熱電変換素子の概略の構成を示す上面図である。It is a top view which shows the schematic structure of the thermoelectric conversion element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態に係る熱電変換素子の等価回路図である。It is an equivalent circuit schematic of the thermoelectric conversion element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態に係る熱電変換単位素子の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion unit element which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態に係る熱電変換素子モジュールの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion element module which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態に係る熱電変換素子モジュールの等価回路図である。It is an equivalent circuit schematic of the thermoelectric conversion element module which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施形態に係る熱電変換単位素子の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion unit element which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施形態に係る熱電変換素子モジュールの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion element module which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施形態に係る熱電変換単位素子を構成する起電層の特性を説明するための図であって、試料の断面図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of the electromotive layer which comprises the thermoelectric conversion unit element which concerns on the 4th Embodiment of this invention, Comprising: It is sectional drawing of a sample. 本発明の第４の実施形態に係る熱電変換単位素子を構成する起電層の特性を説明するための図であって、測定結果を示す図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of the electromotive layer which comprises the thermoelectric conversion unit element which concerns on the 4th Embodiment of this invention, Comprising: It is a figure which shows a measurement result. 本発明の第４の実施形態に係る熱電変換単位素子を構成する別の起電層の特性を説明するための図であって、試料の断面図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of another electromotive layer which comprises the thermoelectric conversion unit element which concerns on the 4th Embodiment of this invention, Comprising: It is sectional drawing of a sample. 本発明の第４の実施形態に係る熱電変換単位素子を構成する別の起電層の特性を説明するための図であって、測定結果を示す図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of another electromotive layer which comprises the thermoelectric conversion unit element which concerns on the 4th Embodiment of this invention, Comprising: It is a figure which shows a measurement result. 本発明の第５の実施形態に係る熱電変換素子モジュールの構成を示す概略図であって、上面図である。It is the schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion element module which concerns on the 5th Embodiment of this invention, Comprising: It is a top view. 本発明の第５の実施形態に係る熱電変換素子モジュールの構成を示す概略図であって、ｘ方向側面図である。It is the schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion element module which concerns on the 5th Embodiment of this invention, Comprising: It is a x direction side view. 本発明の第５の実施形態に係る熱電変換素子モジュールの構成を示す概略図であって、ｙ方向側面図である。It is the schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion element module which concerns on the 5th Embodiment of this invention, Comprising: It is a y direction side view. 関連する熱スピン流変換素子の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a related thermal spin current conversion element. 関連する熱電変換素子の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the related thermoelectric conversion element. 関連する熱電変換素子の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a related thermoelectric conversion element.

　以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

　〔第１の実施形態〕
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱電変換素子１００の構成を示す概略図である。熱電変換素子１００は、磁性体層１１０、第１の起電層１２０、第２の起電層１３０、および接続部１４０、とを有する。 [First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a thermoelectric conversion element 100 according to the first embodiment of the present invention. The thermoelectric conversion element 100 includes a magnetic layer 110, a first electromotive layer 120, a second electromotive layer 130, and a connection part 140.

　磁性体層１１０はスピンゼーベック効果を発現する磁性体材料から構成される。この磁性体材料は、強磁性金属であってもよいし磁性絶縁体であってもよい。 The magnetic layer 110 is made of a magnetic material that exhibits a spin Seebeck effect. This magnetic material may be a ferromagnetic metal or a magnetic insulator.

　第１の起電層１２０は、磁性体層１１０における磁場の方向および温度勾配の方向によって定まる起電力の向きが第１の方向（図中の矢印Ａ）である。一方、第２の起電層１３０は、この起電力の向きが第１の方向と反対である第２の方向である（図中の矢印Ｂ）。 In the first electromotive layer 120, the direction of the electromotive force determined by the direction of the magnetic field and the direction of the temperature gradient in the magnetic layer 110 is the first direction (arrow A in the figure). On the other hand, the second electromotive layer 130 has a second direction in which the direction of the electromotive force is opposite to the first direction (arrow B in the figure).

　接続部１４０は、図１に示すように、第１の方向の始点と第２の方向の終点が連続するように、第１の起電層１２０と第２の起電層１３０を電気的に接続する。 As shown in FIG. 1, the connecting portion 140 electrically connects the first electromotive layer 120 and the second electromotive layer 130 so that the start point in the first direction and the end point in the second direction are continuous. Connecting.

　第１の起電層１２０と第２の起電層１３０は、それぞれ磁性体層１１０と接続し、第１の方向および第２の方向と略垂直な方向に離間して配置している。 The first electromotive layer 120 and the second electromotive layer 130 are connected to the magnetic layer 110, respectively, and are spaced apart in a direction substantially perpendicular to the first direction and the second direction.

　このような構成とすることにより、本実施形態の熱電変換素子１００によれば、第１の起電層１２０および第２の起電層１３０でそれぞれ発生する起電力が加算される。そのため、熱電変換素子１００における起電力を効率よく増大させることができる。 With such a configuration, according to the thermoelectric conversion element 100 of the present embodiment, the electromotive forces generated in the first electromotive layer 120 and the second electromotive layer 130 are added. Therefore, the electromotive force in the thermoelectric conversion element 100 can be increased efficiently.

　ここで、第１の起電層１２０は第１の金属材料を含み、第２の起電層１３０は第２の金属材料を含み、第１の金属材料と第２の金属材料はスピン軌道相互作用の正負の符号が互いに異なる構成とすることができる。これは、スピン軌道相互作用の符号が異なると、逆スピンホール効果によってスピン流が電流に変換される際に、起電層で発生する起電力の向き（電流の向き）も異なることになるからである。 Here, the first electromotive layer 120 includes a first metal material, the second electromotive layer 130 includes a second metal material, and the first metal material and the second metal material are spin-orbit mutually. It can be set as the structure from which the sign of an effect | action differs mutually. This is because the direction of the electromotive force (current direction) generated in the electromotive layer differs when the spin current is converted into current by the reverse spin Hall effect if the sign of the spin orbit interaction is different. It is.

　具体的な金属材料としては、第１の金属材料はスピン軌道相互作用の符号が正であるとした場合、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、およびビスマス（Ｂｉ）のいずれかを用いることができる。また、第２の金属材料はスピン軌道相互作用の符号が負であるとした場合、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブテン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、およびタンタル（Ｔａ）のいずれかを用いることができる。 As a specific metal material, when the sign of the spin orbit interaction is positive, the first metal material is iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), silver ( Any of Ag), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), and bismuth (Bi) can be used. When the sign of the spin orbit interaction is negative, the second metal material is any of titanium (Ti), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), and tantalum (Ta). Can be used.

　図１では、熱電変換素子１００が第１の起電層１２０と第２の起電層１３０をそれぞれ１層ずつ合計２層だけ備える構成を示したが、起電層の個数は２個に限らず、複数個の起電層を接続することにより、発生する起電力をさらに増大させることが可能である。起電層を３個備えた熱電変換素子１０１の構成を図２に示す。 Although FIG. 1 shows a configuration in which the thermoelectric conversion element 100 includes the first electromotive layer 120 and the second electromotive layer 130, each including two layers in total, the number of electromotive layers is limited to two. First, it is possible to further increase the generated electromotive force by connecting a plurality of electromotive layers. The structure of the thermoelectric conversion element 101 provided with three electromotive layers is shown in FIG.

　熱電変換素子１０１が備える第２の起電層は、第１の起電層１２０を挟んで離間して配置している上側第２の起電層１３１と下側第２の起電層１３２を含む構成とすることができる。そして、接続部は、第１の接続部１４１と第２の接続部１４２から構成される。 The second electromotive layer included in the thermoelectric conversion element 101 includes an upper second electromotive layer 131 and a lower second electromotive layer 132 that are disposed with the first electromotive layer 120 interposed therebetween. It can be set as the structure containing. The connection unit includes a first connection unit 141 and a second connection unit 142.

　ここで、第１の接続部１４１は、第１の方向（矢印Ａ）の始点と第２の方向（矢印Ｂ）の終点が連続するように、第１の起電層１２０と上側第２の起電層１３１を接続する。また、第２の接続部１４２は、第１の方向（矢印Ａ）の終点と第２の方向（矢印Ｂ）の始点が連続するように、第１の起電層１２０と下側第２の起電層１３２を接続する。 Here, the first connecting portion 141 is connected to the first electromotive layer 120 and the upper second layer so that the start point in the first direction (arrow A) and the end point in the second direction (arrow B) are continuous. The electromotive layer 131 is connected. In addition, the second connecting portion 142 is connected to the first electromotive layer 120 and the lower second so that the end point in the first direction (arrow A) and the start point in the second direction (arrow B) are continuous. The electromotive layer 132 is connected.

　このとき、図３に示すように、第１の起電層１２０も、互いに接続している上側第１の起電層１２１と下側第１の起電層１２２を含む構成とすることができる。この場合、第１の接続部１４１は、第１の方向の始点と第２の方向の終点が連続するように、上側第１の起電層１２１と上側第２の起電層１３１を接続する。また、第２の接続部１４２は、第１の方向の終点と第２の方向の始点が連続するように、下側第１の起電層１２２と下側第２の起電層１３２を接続する。 At this time, as shown in FIG. 3, the first electromotive layer 120 may also include an upper first electromotive layer 121 and a lower first electromotive layer 122 that are connected to each other. . In this case, the first connection portion 141 connects the upper first electromotive layer 121 and the upper second electromotive layer 131 so that the start point in the first direction and the end point in the second direction are continuous. . The second connecting portion 142 connects the lower first electromotive layer 122 and the lower second electromotive layer 132 so that the end point in the first direction and the start point in the second direction are continuous. To do.

　このように、磁性体層１１０と第１の起電層１２０と第２の起電層１３０と接続部１４０を備えた熱電変換素子１００を複数個備えた熱電変換素子モジュールを構成することができる。このとき、複数の熱電変換素子１００がそれぞれ備える複数の第１の起電層１２０のうち少なくとも２層が互いに接続し、同様に、複数の第２の起電層１３０のうち少なくとも２層が互いに接続した構成とすることができる。 As described above, a thermoelectric conversion element module including a plurality of thermoelectric conversion elements 100 including the magnetic layer 110, the first electromotive layer 120, the second electromotive layer 130, and the connection portion 140 can be configured. . At this time, at least two of the plurality of first electromotive layers 120 included in each of the plurality of thermoelectric conversion elements 100 are connected to each other, and similarly, at least two layers of the plurality of second electromotive layers 130 are connected to each other. A connected configuration can be adopted.

　上述した構成とすることにより、各起電層でそれぞれ発生する起電力が加算されるので、熱電変換素子１０１における起電力を効率よくさらに増大させることができる。 With the above-described configuration, the electromotive force generated in each electromotive layer is added, so that the electromotive force in the thermoelectric conversion element 101 can be further increased efficiently.

　ここで第１の起電層１２０および第２の起電層１３０は、磁性体層１１０を挟んで積層された構成とすることができる。このとき、熱電変換素子１００は、磁性体層１１０が積層している基板を有することとしてもよい。すなわち、磁性体層１１０は、基板の一の面に積層している第１の磁性体層と、基板の他の面に積層している第２の磁性体層を含む構成とすることができる。この場合、第１の起電層１２０は第１の磁性体層と接続し、第２の起電層１３０は第２の磁性体層と接続した構成とすることができる。このように、基板を挟んで起電層と磁性体層を積層した構成とすることにより、熱電変換素子の製造が容易になり、熱電変換素子の機械強度を増強することができる。 Here, the first electromotive layer 120 and the second electromotive layer 130 may be stacked with the magnetic layer 110 interposed therebetween. At this time, the thermoelectric conversion element 100 may include a substrate on which the magnetic layer 110 is stacked. That is, the magnetic layer 110 can include a first magnetic layer stacked on one surface of the substrate and a second magnetic layer stacked on the other surface of the substrate. . In this case, the first electromotive layer 120 can be connected to the first magnetic layer, and the second electromotive layer 130 can be connected to the second magnetic layer. As described above, the configuration in which the electromotive layer and the magnetic layer are stacked with the substrate interposed therebetween facilitates the manufacture of the thermoelectric conversion element, and can increase the mechanical strength of the thermoelectric conversion element.

　次に、本実施形態による熱電変換素子の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to the present embodiment will be described.

　本実施形態の熱電変換素子の製造方法ではまず、スピンゼーベック効果を発現する磁性体層の一の面に、磁性体層における磁場の方向および温度勾配の方向によって定まる起電力の向きが第１の方向である第１の起電層を積層する。また、磁性体層の他の面に起電力の向きが第１の方向と反対である第２の方向である第２の起電層を積層する。そして、第１の方向の始点と第２の方向の終点が連続するように、第１の起電層と第２の起電層を電気的に接続する。以上により、熱電変換素子が完成する。 In the manufacturing method of the thermoelectric conversion element of the present embodiment, first, the direction of the electromotive force determined by the direction of the magnetic field and the direction of the temperature gradient in the magnetic layer is first on one surface of the magnetic layer that exhibits the spin Seebeck effect. A first electromotive layer having a direction is laminated. A second electromotive layer having a second direction in which the direction of the electromotive force is opposite to the first direction is laminated on the other surface of the magnetic layer. Then, the first electromotive layer and the second electromotive layer are electrically connected so that the start point in the first direction and the end point in the second direction are continuous. Thus, the thermoelectric conversion element is completed.

　上述したように、熱電変換素子１００は、第１の起電層１２０および第２の起電層１３０が磁性体層１１０を挟んで積層された構成とすることができる。しかし、これに限らず、特許文献２に記載された関連する熱電変換素子２０（図１５）と同様に、第１の起電層１２０および第２の起電層１３０がそれぞれ磁性体層１１０の一の表面上に配置した構成としてもよい。 As described above, the thermoelectric conversion element 100 can have a configuration in which the first electromotive layer 120 and the second electromotive layer 130 are stacked with the magnetic layer 110 interposed therebetween. However, the present invention is not limited to this, and similarly to the related thermoelectric conversion element 20 (FIG. 15) described in Patent Document 2, the first electromotive layer 120 and the second electromotive layer 130 are each formed of the magnetic layer 110. It is good also as a structure arrange | positioned on one surface.

　〔第２の実施形態〕
　次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４Ａ、４Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る熱電変換素子２００の構成を示す概略図であり、図４Ａは断面図、図４Ｂは上面図である。 [Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. 4A and 4B are schematic views showing the configuration of the thermoelectric conversion element 200 according to the second embodiment of the present invention, where FIG. 4A is a cross-sectional view and FIG. 4B is a top view.

　熱電変換素子２００は、磁性体層２１０、スピン軌道相互作用の符号が異なる２種類の起電層２２１、２２２、および２種類の起電層２２１、２２２を接続する接続部２３０を備え、それぞれが相互に積層した構成である。 The thermoelectric conversion element 200 includes a magnetic layer 210, two types of electromotive layers 221 and 222 having different signs of spin-orbit interaction, and a connection part 230 that connects the two types of electromotive layers 221 and 222. It is the structure laminated | stacked mutually.

　起電層２２１、２２２を構成する材料には、スピン軌道相互作用の大きな金属、例えば白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、その他のｆ軌道を有する金属材料、またはそれらを含有する合金材料を用いることができる。また、銅（Ｃｕ）などの一般的な金属膜材料に白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ビスマス（Ｂｉ）などの材料を約０．５％から１０％程度だけ添加（ドープ）した材料であってもよい。 The materials constituting the electromotive layers 221 and 222 include metals having a large spin orbit interaction, such as platinum (Pt), gold (Au), tungsten (W), palladium (Pd), iridium (Ir), and other f A metal material having an orbit or an alloy material containing them can be used. Further, a material such as platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), iridium (Ir), and bismuth (Bi) is added to a general metal film material such as copper (Cu) from about 0.5% to 10%. The material may be added (doped) by about%.

　本実施形態による熱電変換素子２００は、起電層２２１と起電層２２２のスピン軌動相互作用の符号が異なることを特徴とする。したがって、例えば起電層２２１に白金（Ｐｔ）を用いた場合には、起電層２２２には白金（Ｐｔ）とはスピン軌道相互作用の符号が異なる材料、例えばタングステン（Ｗ）などを用いる。 The thermoelectric conversion element 200 according to the present embodiment is characterized in that the sign of the spin orbit interaction between the electromotive layer 221 and the electromotive layer 222 is different. Therefore, for example, when platinum (Pt) is used for the electromotive layer 221, a material having a sign of spin orbit interaction different from that of platinum (Pt), such as tungsten (W), is used for the electromotive layer 222.

　また、起電層２２１および起電層２２２の厚さは、少なくとも金属材料のスピン拡散長以上に設定するのが好ましい。例えば、白金（Ｐｔ）を用いる場合には、その厚さを約１０ナノメートル（ｎｍ）以上に設定することが望ましい。 In addition, it is preferable that the thickness of the electromotive layer 221 and the electromotive layer 222 is set to be at least the spin diffusion length of the metal material. For example, when platinum (Pt) is used, it is desirable to set the thickness to about 10 nanometers (nm) or more.

　磁性体層２１０は、スピンゼーベック効果を発現する材料で構成される。磁性体層２１０を構成する材料は、強磁性金属であってもよいし、磁性絶縁体であってもよい。強磁性金属としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなどを用いることができる。磁性絶縁体としては、イットリウム鉄ガーネット（Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２；ＹＩＧ）や、ビスマス（Ｂｉ）をドープしたＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ）、ランタン（Ｌａ）をドープしたＹＩＧ（Ｌａ：ＹＩＧ）などを用いることができる。なお、伝導電子による熱伝導を抑制する観点から、磁性絶縁体を用いることが望ましい。また、磁性体層２１０の厚さは、熱電発電の用途や温度領域に応じて設定することが可能である。典型的には、約１００ナノメートル（ｎｍ）から５００マイクロメートル（μｍ）程度とすることができる。 The magnetic layer 210 is made of a material that exhibits a spin Seebeck effect. The material constituting the magnetic layer 210 may be a ferromagnetic metal or a magnetic insulator. As the ferromagnetic metal, NiFe, CoFe, CoFeB, or the like can be used. Examples of magnetic insulators include yttrium iron garnet (Y ₃ Fe ₅ O ₁₂ ; YIG), YIG doped with bismuth (Bi) (Bi: YIG), and YIG doped with lanthanum (La) (La: YIG). Can be used. Note that it is desirable to use a magnetic insulator from the viewpoint of suppressing heat conduction by conduction electrons. In addition, the thickness of the magnetic layer 210 can be set according to the use of thermoelectric power generation and the temperature range. Typically, it can be about 100 nanometers (nm) to about 500 micrometers (μm).

　接続部２３０は、起電層２２１と起電層２２２とを電気的に接続できる材料であれば任意の材料を用いることができる。例えば、起電層２２１または起電層２２２に用いた金属材料を用いてもよいし、電気伝導率の高い銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）などの金属を用いることとしてもよい。ただし、接続部２３０は熱電発電には寄与しないため、電気抵抗として作用する。そのため、起電層で生成した電力を消費してしまう。したがって、接続部２３０の電気抵抗が低いほど、本実施形態の熱電変換素子２００が生成する起電力や出力は高くなる。以上より、接続部２３０の材料としては、電気伝導率の高い銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）などが特に好ましい。 The connecting portion 230 can be made of any material as long as it can electrically connect the electromotive layer 221 and the electromotive layer 222. For example, a metal material used for the electromotive layer 221 or the electromotive layer 222 may be used, or a metal such as silver (Ag) or copper (Cu) having high electrical conductivity may be used. However, since the connection part 230 does not contribute to thermoelectric power generation, it acts as an electrical resistance. Therefore, power generated in the electromotive layer is consumed. Therefore, the lower the electrical resistance of the connecting portion 230, the higher the electromotive force and output generated by the thermoelectric conversion element 200 of the present embodiment. As described above, as the material of the connection portion 230, silver (Ag), copper (Cu), or the like having high electrical conductivity is particularly preferable.

　熱電変換素子２００の面内の一方向（ｘ方向）に磁場を、積層方向（ｚ方向）に温度勾配ΔＴを印加すると、スピンゼーベック効果によって積層方向（ｚ方向）にスピン流が発生する。このスピン流が起電層２２１および起電層２２２に流入すると、逆スピンホール効果によってスピン流から起電力が発生する。このとき、起電層２２１と起電層２２２のスピン軌道相互作用の符号が異なるため、起電層２２１で発生する起電力の向きと、起電層２２２で発生する起電力の向きは逆向きになる。 When a magnetic field is applied in one direction (x direction) in the plane of the thermoelectric conversion element 200 and a temperature gradient ΔT is applied in the stacking direction (z direction), a spin current is generated in the stacking direction (z direction) by the spin Seebeck effect. When this spin current flows into the electromotive layer 221 and the electromotive layer 222, an electromotive force is generated from the spin current due to the reverse spin Hall effect. At this time, since the sign of the spin orbit interaction between the electromotive layer 221 and the electromotive layer 222 is different, the direction of the electromotive force generated in the electromotive layer 221 is opposite to the direction of the electromotive force generated in the electromotive layer 222. become.

　ここで、起電層２２１と起電層２２２を接続部２３０によって接続することにより、起電層同士が電気的に直列に接合されることになる。すなわち、起電層２２１および起電層２２２において生成された起電力が加算されるように接続される。 Here, when the electromotive layer 221 and the electromotive layer 222 are connected by the connecting portion 230, the electromotive layers are electrically joined in series. That is, the electromotive force generated in the electromotive layer 221 and the electromotive layer 222 is connected so as to be added.

　図５に、熱電変換素子２００の等価回路を示す。図１６に示した関連する熱電変換素子２０の等価回路では上述したように、導電体２３で発生する起電力が起電体２２で発生する起電力を打ち消すように接続されている。それに対して、本実施形態による熱電変換素子２００は、図５に示すように、起電層２２１および起電層２２２において生成された起電力が加算されるように接続されている。そのため、起電層に接続した端子２４１および端子２４２から、より大きな起電力（Ｖ）を取り出すことができる。 FIG. 5 shows an equivalent circuit of the thermoelectric conversion element 200. In the equivalent circuit of the related thermoelectric conversion element 20 shown in FIG. 16, the electromotive force generated in the conductor 23 is connected so as to cancel the electromotive force generated in the electromotive body 22 as described above. On the other hand, the thermoelectric conversion element 200 according to the present embodiment is connected so that the electromotive forces generated in the electromotive layer 221 and the electromotive layer 222 are added, as shown in FIG. Therefore, a larger electromotive force (V) can be extracted from the

terminals

241 and 242 connected to the electromotive layer.

　さらに、本実施形態の熱電変換素子２００によれば、関連する熱電変換素子２０に比べより大きな出力電力（Ｗ）を得ることができる。この点について、以下に説明する。 Furthermore, according to the thermoelectric conversion element 200 of the present embodiment, a larger output power (W) than that of the related thermoelectric conversion element 20 can be obtained. This point will be described below.

　　図１６に示した関連する熱電変換素子２０において、起電体２２および導電体２３にはそれぞれ抵抗が存在するが、これは関連する熱電変換素子２０から電力を取り出す際の内部抵抗となる。このとき、熱電変換素子２０の開放電圧をＶ、内部抵抗をｒとすると、関連する熱電変換素子２０から取り出すことができる最大の出力Ｐは次式（１）により表すことができる。
Ｐ＝Ｖ^２／４ｒ　　　　　　　　　　（１）
　また、起電体２２および導電体２３の伝導方向の長さをＬ、その断面積をＡ、電気抵抗率をρとすると、内部抵抗ｒは次式（２）によって表すことができる。
ｒ＝ρＬ／Ａ　　　　　　　　　　（２）
　関連する熱電変換素子２０では図１６に示すように、折り返し形状（ジグザグ型のミアンダ形状）とすることにより、磁性体の表面上に全面に起電体を積層した場合に比べて、単位面積当たりの起電力（Ｖ）を向上することができる。しかし、起電体２２および導電体２３の長さＬが増加し、その断面積Ａが減少するため、内部抵抗ｒは増大してしまう。そのため、関連する熱電変換素子２０では、単位面積当たりの出力電力（Ｗ）を向上させることはできない。 In the related thermoelectric conversion element 20 shown in FIG. 16, resistance exists in each of the electromotive body 22 and the conductor 23, and this becomes an internal resistance when power is extracted from the related thermoelectric conversion element 20. At this time, when the open-circuit voltage of the thermoelectric conversion element 20 is V and the internal resistance is r, the maximum output P that can be extracted from the related thermoelectric conversion element 20 can be expressed by the following equation (1).
P = V ² / 4r (1)
Further, when the length of the electromotive body 22 and the conductor 23 in the conduction direction is L, the cross-sectional area is A, and the electrical resistivity is ρ, the internal resistance r can be expressed by the following equation (2).
r = ρL / A (2)
As shown in FIG. 16, the related thermoelectric conversion element 20 has a folded shape (zigzag meander shape), so that the unit area per unit area is larger than that in the case where the electromotive member is laminated on the entire surface of the magnetic material. The electromotive force (V) can be improved. However, since the length L of the electromotive body 22 and the conductor 23 increases and the cross-sectional area A decreases, the internal resistance r increases. Therefore, the related thermoelectric conversion element 20 cannot improve the output power (W) per unit area.

　それに対して本実施形態の熱電変換素子２００は、磁性体層２１０および２種類の起電層２２１、２２２が相互に積層した構成としているので、内部抵抗ｒを減少させることができる。その結果、関連する熱電変換素子２０と比べ、単位面積当たりの出力電力（Ｗ）を増大させることが可能である。 On the other hand, since the thermoelectric conversion element 200 of the present embodiment has a configuration in which the magnetic layer 210 and the two types of electromotive layers 221 and 222 are stacked on each other, the internal resistance r can be reduced. As a result, the output power (W) per unit area can be increased as compared with the related thermoelectric conversion element 20.

　上述したように、本実施形態の熱電変換素子２００は、起電層２２１および起電層２２２で生成された起電力が加算されるように接続された構成としているので、効率よく起電力（Ｖ）の増大を図ることができる。さらに、本実施形態の熱電変換素子２００によれば、起電層２２１、２２２の断面積Ａを増大させ内部抵抗ｒを低減した構成とすることができる。そのため、単位面積当たりの出力電力（Ｗ）を増大させることができる。 As described above, the thermoelectric conversion element 200 of the present embodiment is configured to be connected so that the electromotive forces generated in the electromotive layer 221 and the electromotive layer 222 are added, so that the electromotive force (V ) Can be increased. Furthermore, according to the thermoelectric conversion element 200 of the present embodiment, the cross-sectional area A of the electromotive layers 221 and 222 can be increased to reduce the internal resistance r. Therefore, the output power (W) per unit area can be increased.

　〔第３の実施形態〕
　次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図６は、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換単位素子３００の構成を示す概略図である。この熱電変換単位素子３００を複数個積層することにより、図７に示すような熱電変換素子モジュール１０００が構成される。 [Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a thermoelectric conversion unit element 300 according to the third embodiment of the present invention. A plurality of thermoelectric conversion unit elements 300 are stacked to form a thermoelectric conversion element module 1000 as shown in FIG.

　熱電変換単位素子３００は、磁性体層３１０の一方の面に起電層３２１が、他片の面に起電層３２２が形成され、片側の側面部に接続部３３０を備えた構成である。 The thermoelectric conversion unit element 300 has a configuration in which an electromotive layer 321 is formed on one surface of a magnetic layer 310, an electromotive layer 322 is formed on the other surface, and a connection portion 330 is provided on one side surface.

　起電層３２１、３２２を構成する材料には、スピン軌道相互作用の大きな金属、例えば白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、その他のｆ軌道を有する金属材料、またはそれらを含有する合金材料を用いることができる。また、銅（Ｃｕ）などの一般的な金属膜材料に白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ビスマス（Ｂｉ）などの材料を約０．５％から１０％程度だけ添加（ドープ）した材料であってもよい。 The materials constituting the

electromotive layers

321 and 322 include metals having a large spin orbit interaction, such as platinum (Pt), gold (Au), tungsten (W), palladium (Pd), iridium (Ir), and other f A metal material having an orbit or an alloy material containing them can be used. Further, a material such as platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), iridium (Ir), and bismuth (Bi) is added to a general metal film material such as copper (Cu) from about 0.5% to 10%. The material may be added (doped) by about%.

　本実施形態による熱電変換単位素子３００は、起電層３２１と起電層３２２のスピン軌動相互作用の符号が異なることを特徴とする。したがって、例えば起電層３２１に白金（Ｐｔ）を用いた場合には、起電層３２２には白金（Ｐｔ）とはスピン軌道相互作用の符号が異なる材料、例えばタングステン（Ｗ）などを用いる。 The thermoelectric conversion unit element 300 according to the present embodiment is characterized in that the sign of the spin orbit interaction between the electromotive layer 321 and the electromotive layer 322 is different. Therefore, for example, when platinum (Pt) is used for the electromotive layer 321, a material having a different sign of spin orbit interaction from platinum (Pt), such as tungsten (W), is used for the electromotive layer 322.

　また、起電層３２１および起電層３２２の厚さは、少なくとも金属材料のスピン拡散長以上に設定するのが好ましい。例えば、白金（Ｐｔ）を用いる場合には、その厚さを約１０ナノメートル（ｎｍ）以上に設定することが望ましい。 In addition, it is preferable that the thickness of the electromotive layer 321 and the electromotive layer 322 is set to at least the spin diffusion length of the metal material. For example, when platinum (Pt) is used, it is desirable to set the thickness to about 10 nanometers (nm) or more.

　磁性体層３１０は、スピンゼーベック効果を発現する材料で構成される。磁性体層３１０を構成する材料は、強磁性金属であってもよいし、磁性絶縁体であってもよい。強磁性金属としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなどを用いることができる。磁性絶縁体としては、イットリウム鉄ガーネット（Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２；ＹＩＧ）や、ビスマス（Ｂｉ）をドープしたＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ）、ランタン（Ｌａ）をドープしたＹＩＧ（Ｌａ：ＹＩＧ）などを用いることができる。なお、伝導電子による熱伝導を抑制する観点から、磁性絶縁体を用いることが望ましい。また、磁性体層３１０の厚さは、熱電発電の用途や温度領域に応じて設定することが可能である。典型的には、約１００ナノメートル（ｎｍ）から５００マイクロメートル（μｍ）程度とすることができる。 The magnetic layer 310 is made of a material that exhibits a spin Seebeck effect. The material constituting the magnetic layer 310 may be a ferromagnetic metal or a magnetic insulator. As the ferromagnetic metal, NiFe, CoFe, CoFeB, or the like can be used. Examples of magnetic insulators include yttrium iron garnet (Y ₃ Fe ₅ O ₁₂ ; YIG), YIG doped with bismuth (Bi) (Bi: YIG), and YIG doped with lanthanum (La) (La: YIG). Can be used. Note that it is desirable to use a magnetic insulator from the viewpoint of suppressing heat conduction by conduction electrons. In addition, the thickness of the magnetic layer 310 can be set according to the application of the thermoelectric power generation and the temperature range. Typically, it can be about 100 nanometers (nm) to about 500 micrometers (μm).

　接続部３３０は、起電層３２１と起電層３２２とを電気的に接続できる材料であれば任意の材料を用いることができる。例えば、起電層３２１または起電層３２２に用いた金属材料を用いてもよいし、電気伝導率の高い銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）などの金属を用いることとしてもよい。ただし、接続部３３０は熱電発電には寄与しないため、電気抵抗として作用する。そのため、起電層で生成した電力を消費してしまう。したがって、接続部３３０の電気抵抗が低いほど、本実施形態の熱電変換単位素子３００が生成する起電力や出力は高くなる。以上より、接続部３３０の材料としては、電気伝導率の高い銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）などが特に好ましい。 The connecting portion 330 can be made of any material as long as it can electrically connect the electromotive layer 321 and the electromotive layer 322. For example, a metal material used for the electromotive layer 321 or the electromotive layer 322 may be used, or a metal such as silver (Ag) or copper (Cu) having high electrical conductivity may be used. However, since the connection part 330 does not contribute to thermoelectric power generation, it acts as an electrical resistance. Therefore, power generated in the electromotive layer is consumed. Therefore, the lower the electrical resistance of the connecting portion 330, the higher the electromotive force and output generated by the thermoelectric conversion unit element 300 of the present embodiment. As described above, as the material of the connection portion 330, silver (Ag), copper (Cu), or the like having high electrical conductivity is particularly preferable.

　この熱電変換単位素子３００を図７に示すように積層し、各熱電変換単位素子３００の起電層３２１同士、および起電層３２２同士を物理的に接触させ電気的に導通させる。 The thermoelectric conversion unit elements 300 are stacked as shown in FIG. 7, and the electromotive layers 321 and the electromotive layers 322 of the thermoelectric conversion unit elements 300 are physically brought into electrical contact with each other.

　熱電変換単位素子３００の面内の一方向（ｘ方向）に磁場を、積層方向（ｚ方向）に温度勾配ΔＴを印加すると、スピンゼーベック効果によって積層方向（ｚ方向）にスピン流が発生する。このスピン流が起電層３２１および起電層３２２に流入すると、逆スピンホール効果によってスピン流から起電力が発生する。このとき、起電層３２１と起電層３２２のスピン軌道相互作用の符号が異なるため、起電層３２１で発生する起電力の向きと、起電層３２２で発生する起電力の向きは逆向きになる。 When a magnetic field is applied in one direction (x direction) in the plane of the thermoelectric conversion unit element 300 and a temperature gradient ΔT is applied in the stacking direction (z direction), a spin current is generated in the stacking direction (z direction) by the spin Seebeck effect. When this spin current flows into the electromotive layer 321 and the electromotive layer 322, an electromotive force is generated from the spin current due to the reverse spin Hall effect. At this time, since the sign of the spin orbit interaction between the electromotive layer 321 and the electromotive layer 322 is different, the direction of the electromotive force generated in the electromotive layer 321 is opposite to the direction of the electromotive force generated in the electromotive layer 322. become.

　ここで、起電層３２１と起電層３２２を接続部３３０によって接続することにより、起電層同士が電気的に直列に接合されることになる。すなわち、起電層３２１および起電層３２２において生成された起電力が加算されるように接続される。 Here, by connecting the electromotive layer 321 and the electromotive layer 322 by the connecting portion 330, the electromotive layers are electrically joined in series. That is, it connects so that the electromotive force produced | generated in the electromotive layer 321 and the electromotive layer 322 may be added.

　図８に、熱電変換素子モジュール１０００の等価回路を示す。起電層３２１同士および起電層３２２同士が物理的に接触して並列接続され、並列接続された２層の起電層が接続部３３０を介してそれぞれ直列に接続された構成となる。図１６に示した関連する熱電変換素子２０の等価回路では上述したように、導電体２３で発生する起電力が起電体２２で発生する起電力を打ち消すように接続されている。それに対して、本実施形態による熱電変換素子モジュール１０００は、図８に示すように、各起電層３２１および各起電層３２２において生成された起電力が加算されるように接続されている。そのため、起電層に接続した端子１０１０および端子１０２０から、より大きな起電力（Ｖ）および出力電力（Ｗ）を取り出すことができる。 FIG. 8 shows an equivalent circuit of the thermoelectric conversion element module 1000. The electromotive layers 321 and the electromotive layers 322 are in physical contact with each other and connected in parallel, and the two electromotive layers connected in parallel are connected in series via the connection portion 330. In the equivalent circuit of the related thermoelectric conversion element 20 shown in FIG. 16, the electromotive force generated in the conductor 23 is connected so as to cancel the electromotive force generated in the electromotive body 22 as described above. On the other hand, the thermoelectric conversion element module 1000 according to the present embodiment is connected such that the electromotive forces generated in the electromotive layers 321 and the electromotive layers 322 are added, as shown in FIG. Therefore, a larger electromotive force (V) and output power (W) can be extracted from the

terminals

1010 and 1020 connected to the electromotive layer.

　上述したように、本実施形態の熱電変換素子モジュール１０００は、各起電層３２１および各起電層３２２で生成された起電力が加算されるように接続された構成としているので、効率よく起電力（Ｖ）の増大を図ることができる。さらに、本実施形態の熱電変換素子モジュール１０００によれば、起電層３２１、３２２の断面積Ａを増大させ内部抵抗ｒを低減した構成とすることができる。そのため、単位面積当たりの出力電力（Ｗ）を向上させることができる。 As described above, the thermoelectric conversion element module 1000 according to the present embodiment is configured to be connected so that the electromotive forces generated in the electromotive layers 321 and the electromotive layers 322 are added. The increase in power (V) can be achieved. Furthermore, according to the thermoelectric conversion element module 1000 of the present embodiment, it is possible to increase the cross-sectional area A of the

electromotive layers

321 and 322 and reduce the internal resistance r. Therefore, the output power (W) per unit area can be improved.

　次に、本実施形態による熱電変換単位素子３００および熱電変換素子モジュール１０００の製造方法について、図６、図７を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the thermoelectric conversion unit element 300 and the thermoelectric conversion element module 1000 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

　本実施形態による熱電変換単位素子３００の製造方法においては、まず、磁性体層３１０の両面に起電層３２１および起電層３２２を形成する。次に、この起電層３２１と起電層３２２の導通をとるために、起電層３２１、３２２の一方の側に接続部３３０を形成する。以上により、熱電変換単位素子３００が完成する。 In the method of manufacturing the thermoelectric conversion unit element 300 according to the present embodiment, first, the electromotive layer 321 and the electromotive layer 322 are formed on both surfaces of the magnetic layer 310. Next, in order to establish conduction between the electromotive layer 321 and the electromotive layer 322, a connection portion 330 is formed on one side of the

electromotive layers

321 and 322. Thus, the thermoelectric conversion unit element 300 is completed.

　続いて、各熱電変換単位素子３００の起電層３２１同士、および起電層３２２同士が互いに物理的に接触し導通するように積層し、図７に示した熱電変換素子モジュール１０００を形成する。これにより、それぞれの起電層３２１、３２２が直列に接続されるので、端子１０１０および端子１０２０から起電力を取り出すことができる。なお、熱電変換単位素子３００の磁性体層３１０を構成する磁性体膜は磁化している必要があるが、そのための磁化処理は、いずれの工程で実施することとしてもよい。 Subsequently, the thermoelectric conversion unit modules 300 are stacked so that the electromotive layers 321 and the electromotive layers 322 are in physical contact with each other to be conductive, thereby forming the thermoelectric conversion element module 1000 shown in FIG. Thereby, since each

electromotive layer

321 and 322 is connected in series, an electromotive force can be taken out from the terminal 1010 and the terminal 1020. In addition, although the magnetic body film which comprises the magnetic body layer 310 of the thermoelectric conversion unit element 300 needs to be magnetized, the magnetization process for it may be implemented in any process.

　〔第４の実施形態〕
　次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図９は、本発明の第４の実施形態に係る熱電変換単位素子４００の構成を示す概略図である。この熱電変換単位素子４００を複数個積層することにより、図１０に示すような熱電変換素子モジュール２０００が構成される。 [Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration of a thermoelectric conversion unit element 400 according to the fourth embodiment of the present invention. A plurality of thermoelectric conversion unit elements 400 are stacked to form a thermoelectric conversion element module 2000 as shown in FIG.

　熱電変換単位素子４００は、磁性体を成長させる基板４４０を有し、基板４４０の両側に磁性体層４１０が形成されている。そして、基板４４０の一方の面に形成された磁性体層４１０に起電層４２１が、基板４４０の他片の面に形成された磁性体層４１０に起電層４２２が形成され、片側の側面部に接続部４３０を備えた構成である。 The thermoelectric conversion unit element 400 has a substrate 440 on which a magnetic material is grown, and magnetic layers 410 are formed on both sides of the substrate 440. Then, the electromotive layer 421 is formed on the magnetic layer 410 formed on one surface of the substrate 440, and the electromotive layer 422 is formed on the magnetic layer 410 formed on the other surface of the substrate 440. It is the structure which provided the connection part 430 in the part.

　起電層４２１、４２２を構成する材料には、スピン軌道相互作用の大きな金属、例えば白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、その他のｆ軌道を有する金属材料、またはそれらを含有する合金材料を用いることができる。また、銅（Ｃｕ）などの一般的な金属膜材料に白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ビスマス（Ｂｉ）などの材料を約０．５％から１０％程度だけ添加（ドープ）した材料であってもよい。 The materials constituting the

electromotive layers

421 and 422 include metals having a large spin orbit interaction, such as platinum (Pt), gold (Au), tungsten (W), palladium (Pd), iridium (Ir), and other f A metal material having an orbit or an alloy material containing them can be used. Further, a material such as platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), iridium (Ir), and bismuth (Bi) is added to a general metal film material such as copper (Cu) from about 0.5% to 10%. The material may be added (doped) by about%.

　本実施形態による熱電変換単位素子４００は、起電層４２１と起電層４２２のスピン軌動相互作用の符号が異なることを特徴とする。したがって、例えば起電層４２１に白金（Ｐｔ）を用いた場合には、起電層４２２には白金（Ｐｔ）とはスピン軌道相互作用の符号が異なる材料、例えばタングステン（Ｗ）などを用いる。 The thermoelectric conversion unit element 400 according to the present embodiment is characterized in that the sign of the spin orbit interaction between the electromotive layer 421 and the electromotive layer 422 is different. Therefore, for example, when platinum (Pt) is used for the electromotive layer 421, a material having a sign of spin orbit interaction different from that of platinum (Pt), such as tungsten (W), is used for the electromotive layer 422.

　また、起電層４２１および起電層４２２の厚さは、少なくとも金属材料のスピン拡散長以上に設定するのが好ましい。例えば、白金（Ｐｔ）を用いる場合には、その厚さを約１０ナノメートル（ｎｍ）以上に設定することが望ましい。 In addition, the thickness of the electromotive layer 421 and the electromotive layer 422 is preferably set to at least the spin diffusion length of the metal material. For example, when platinum (Pt) is used, it is desirable to set the thickness to about 10 nanometers (nm) or more.

　基板４４０の両側に磁性体層４１０が形成される。そのため、基板４４０を構成する材料は、結晶構造および格子定数などの材料特性が磁性体層４１０と近似した材料であることが望ましい。 A magnetic layer 410 is formed on both sides of the substrate 440. Therefore, the material constituting the substrate 440 is desirably a material whose material characteristics such as crystal structure and lattice constant are similar to those of the magnetic layer 410.

　磁性体層４１０は、スピンゼーベック効果を発現する材料で構成される。磁性体層４１０を構成する材料は、強磁性金属であってもよいし、磁性絶縁体であってもよい。強磁性金属としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなどを用いることができる。磁性絶縁体としては、イットリウム鉄ガーネット（Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２；ＹＩＧ）や、ビスマス（Ｂｉ）をドープしたＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ）、ランタン（Ｌａ）をドープしたＹＩＧ（Ｌａ：ＹＩＧ）などを用いることができる。なお、伝導電子による熱伝導を抑制する観点から、磁性絶縁体を用いることが望ましい。また、磁性体層４１０の厚さは、熱電発電の用途や温度領域に応じて設定することが可能である。典型的には、約１００ナノメートル（ｎｍ）から５００マイクロメートル（μｍ）程度とすることができる。 The magnetic layer 410 is made of a material that exhibits a spin Seebeck effect. The material constituting the magnetic layer 410 may be a ferromagnetic metal or a magnetic insulator. As the ferromagnetic metal, NiFe, CoFe, CoFeB, or the like can be used. Examples of magnetic insulators include yttrium iron garnet (Y ₃ Fe ₅ O ₁₂ ; YIG), YIG doped with bismuth (Bi) (Bi: YIG), and YIG doped with lanthanum (La) (La: YIG). Can be used. Note that it is desirable to use a magnetic insulator from the viewpoint of suppressing heat conduction by conduction electrons. In addition, the thickness of the magnetic layer 410 can be set according to the use of thermoelectric power generation and the temperature range. Typically, it can be about 100 nanometers (nm) to about 500 micrometers (μm).

　接続部４３０は、起電層４２１と起電層４２２とを電気的に接続できる材料であれば任意の材料を用いることができる。例えば、起電層４２１または起電層４２２に用いた金属材料を用いてもよいし、電気伝導率の高い銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）などの金属を用いることとしてもよい。ただし、接続部４３０は熱電発電には寄与しないため、電気抵抗として作用する。そのため、起電層で生成した電力を消費してしまう。したがって、接続部４３０の電気抵抗が低いほど、本実施形態の熱電変換単位素子４００が生成する起電力や出力は高くなる。以上より、接続部４３０の材料としては、電気伝導率の高い銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）などが特に好ましい。 Any material can be used for the connecting portion 430 as long as it can electrically connect the electromotive layer 421 and the electromotive layer 422. For example, a metal material used for the electromotive layer 421 or the electromotive layer 422 may be used, or a metal such as silver (Ag) or copper (Cu) having high electrical conductivity may be used. However, since the connection part 430 does not contribute to thermoelectric power generation, it acts as an electrical resistance. Therefore, power generated in the electromotive layer is consumed. Therefore, the lower the electrical resistance of the connection portion 430, the higher the electromotive force and output generated by the thermoelectric conversion unit element 400 of the present embodiment. As described above, as the material of the connection portion 430, silver (Ag), copper (Cu), or the like having high electrical conductivity is particularly preferable.

　この熱電変換単位素子４００を図１０に示すように積層することによって、各熱電変換単位素子４００の起電層４２１同士、および起電層４２２同士が物理的に接触し電気的に導通する。 The thermoelectric conversion unit elements 400 are stacked as shown in FIG. 10 so that the electromotive layers 421 and the electromotive layers 422 of the thermoelectric conversion unit elements 400 are in physical contact with each other and are electrically connected.

　熱電変換単位素子４００の面内の一方向（ｘ方向）に磁場を、積層方向（ｚ方向）に温度勾配ΔＴを印加すると、スピンゼーベック効果によって積層方向（ｚ方向）にスピン流が発生する。このスピン流が起電層４２１および起電層４２２に流入すると、逆スピンホール効果によってスピン流から起電力が発生する。このとき、起電層４２１と起電層４２２のスピン軌道相互作用の符号が異なるため、起電層４２１で発生する起電力の向きと、起電層４２２で発生する起電力の向きは逆向きになる。 When a magnetic field is applied in one direction (x direction) in the plane of the thermoelectric conversion unit element 400 and a temperature gradient ΔT is applied in the stacking direction (z direction), a spin current is generated in the stacking direction (z direction) by the spin Seebeck effect. When this spin current flows into the electromotive layer 421 and the electromotive layer 422, an electromotive force is generated from the spin current due to the reverse spin Hall effect. At this time, since the sign of the spin orbit interaction between the electromotive layer 421 and the electromotive layer 422 is different, the direction of the electromotive force generated in the electromotive layer 421 is opposite to the direction of the electromotive force generated in the electromotive layer 422. become.

　ここで、起電層４２１と起電層４２２を接続部４３０によって接続することにより、起電層同士が電気的に直列に接合されることになる。すなわち、起電層４２１および起電層４２２において生成された起電力が加算されるように接続される。 Here, by connecting the electromotive layer 421 and the electromotive layer 422 by the connecting portion 430, the electromotive layers are electrically joined in series. That is, the electromotive force generated in the electromotive layer 421 and the electromotive layer 422 is connected so as to be added.

　熱電変換素子モジュール２０００の等価回路は図８と同様である。起電層４２１同士および起電層４２２同士が物理的に接触して並列接続され、並列接続された２層の起電層が接続部４３０を介してそれぞれ直列に接続された構成となる。図１６に示した関連する熱電変換素子２０の等価回路では上述したように、導電体２３で発生する起電力が起電体２２で発生する起電力を打ち消すように接続されている。それに対して、本実施形態による熱電変換素子モジュール２０００は、図８に示すように、各起電層４２１および各起電層４２２において生成された起電力が加算されるように接続されている。そのため、起電層に接続した端子２０１０および端子２０２０から、より大きな起電力（Ｖ）および出力電力（Ｗ）を取り出すことができる。 The equivalent circuit of the thermoelectric conversion element module 2000 is the same as that shown in FIG. The electromotive layers 421 and the electromotive layers 422 are in physical contact with each other and connected in parallel, and the two electromotive layers connected in parallel are connected in series via the connection portion 430. In the equivalent circuit of the related thermoelectric conversion element 20 shown in FIG. 16, the electromotive force generated in the conductor 23 is connected so as to cancel the electromotive force generated in the electromotive body 22 as described above. On the other hand, as shown in FIG. 8, the thermoelectric conversion element module 2000 according to the present embodiment is connected so that the electromotive forces generated in the electromotive layers 421 and the electromotive layers 422 are added. Therefore, a larger electromotive force (V) and output power (W) can be extracted from the

terminals

2010 and 2020 connected to the electromotive layer.

　上述したように、本実施形態の熱電変換素子モジュール２０００は、各起電層４２１および各起電層４２２で生成された起電力が加算されるように接続された構成としているので、効率よく起電力（Ｖ）の増大を図ることができる。また、本実施形態の熱電変換素子モジュール２０００によれば、起電層４２１、４２２の断面積Ａを増大させ内部抵抗ｒを低減した構成とすることができる。そのため、単位面積当たりの出力電力（Ｗ）を向上させることができる。さらに、本実施形態の熱電変換単位素子４００は、基板４４０を挟んで磁性体層４１０と起電層４２１、４２２とを積層した構成としているので、熱電変換単位素子４００の製造が容易になり、熱電変換単位素子４００の機械強度を増強することができる。 As described above, the thermoelectric conversion element module 2000 according to the present embodiment is configured to be connected so that the electromotive forces generated in the electromotive layers 421 and the electromotive layers 422 are added. The increase in power (V) can be achieved. Moreover, according to the thermoelectric conversion element module 2000 of the present embodiment, the cross-sectional area A of the

electromotive layers

421 and 422 can be increased to reduce the internal resistance r. Therefore, the output power (W) per unit area can be improved. Furthermore, since the thermoelectric conversion unit element 400 of the present embodiment has a configuration in which the magnetic layer 410 and the

electromotive layers

421 and 422 are stacked with the substrate 440 interposed therebetween, the manufacture of the thermoelectric conversion unit element 400 becomes easy. The mechanical strength of the thermoelectric conversion unit element 400 can be increased.

　次に、本実施形態の熱電変換素子モジュール２０００について、具体的な構成を用いてさらに詳細に説明する。 Next, the thermoelectric conversion element module 2000 of the present embodiment will be described in more detail using a specific configuration.

　まず、本実施形態の熱電変換単位素子４００を構成する起電層４２１と起電層４２２において、スピン軌動相互作用の符号が異なる特徴について図１１Ａ、１１Ｂ、図１２Ａ、１２Ｂを用いて説明する。図１１Ａ、図１２Ａはそれぞれ、基板上に磁性体膜を形成し、さらにその上に金属膜を形成した試料の断面図を示す。また図１１Ｂ、図１２Ｂはそれぞれ、図１１Ａ、図１２Ａに示した試料に対してｘ方向に磁場を、ｚ方向に温度差ΔＴ＝８Ｋを印加したときにｙ方向に生じる電圧を測定した結果を示す。 First, the features of the electromotive layer 421 and the electromotive layer 422 constituting the thermoelectric conversion unit element 400 of the present embodiment having different signs of the spin orbit interaction will be described with reference to FIGS. 11A, 11B, 12A, and 12B. . 11A and 12A are cross-sectional views of samples in which a magnetic film is formed on a substrate and a metal film is further formed thereon. 11B and 12B show the results of measuring the voltage generated in the y direction when a magnetic field is applied in the x direction and a temperature difference ΔT = 8K in the z direction is applied to the sample shown in FIGS. 11A and 12A, respectively. Show.

　図１１Ａに示した試料Ａでは、起電層として白金（Ｐｔ）金属膜を、図１２Ａに示した試料Ｂでは、起電層としてタングステン（Ｗ）金属膜を用いた。また、試料Ａ（図１１Ａ）、試料Ｂ（図１２Ａ）のいずれも、磁性体膜はビスマス（Ｂｉ）をドープしたＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ）膜であり、磁性膜（Ｂｉ：ＹＩＧ）を成長させる基板はＳＧＧＧ（Ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ　Ｇａｄｏｌｉｎｉｕｍ　Ｇａｌｌｉｕｍ　Ｇａｒｎｅｔ）基板とした。 In the sample A shown in FIG. 11A, a platinum (Pt) metal film was used as the electromotive layer, and in the sample B shown in FIG. 12A, a tungsten (W) metal film was used as the electromotive layer. In both sample A (FIG. 11A) and sample B (FIG. 12A), the magnetic film is a YIG (Bi: YIG) film doped with bismuth (Bi), and the magnetic film (Bi: YIG) is grown. The substrate was an SGGG (Substituted Gadolinium Gallium Garnet) substrate.

　図１１Ｂ、図１２Ｂに示したグラフにおいて、横軸はｘ方向の磁場の大きさＨであり、縦軸は発生した起電力の大きさＶ_ＩＳＨＥである。印加している磁場の方向および温度勾配の方向が同じであるにもかかわらず、試料Ａ（図１１Ａ）と試料Ｂ（図１２Ａ）では発生する起電力の符号が反転している。これは、白金（Ｐｔ）とタングステン（Ｗ）のスピン軌動相互作用の符号が異なるからである。 In the graphs shown in FIG. 11B and FIG. 12B, the horizontal axis is the magnitude H of the magnetic field in the x direction, and the vertical axis is the magnitude V _ISHE of the generated electromotive force. Despite the fact that the direction of the applied magnetic field and the direction of the temperature gradient are the same, the sign of the electromotive force generated in the sample A (FIG. 11A) and the sample B (FIG. 12A) is reversed. This is because the sign of the spin orbit interaction between platinum (Pt) and tungsten (W) is different.

　上述した発生する起電力の符号が反転する特性を利用して、以下のような積層構造を作成することにより、大きな起電力が得られる熱電変換単位素子を作成することができる。 A thermoelectric conversion unit element capable of obtaining a large electromotive force can be created by creating the following laminated structure using the above-described characteristic that the sign of the generated electromotive force is inverted.

　最初に、ＳＧＧＧ基板の両面に金属有機化合物分解法（Ｍｅｔａｌ－Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＤ）により、Ｂｉ：ＹＩＧ磁性膜を形成する。具体的には例えば以下の手順により作成することができる。まず、ＳＧＧＧ基板上にＢｉ：ＹＩＧのＭＯＤ材料溶液をスピンコーターにより塗布し、その後、有機溶剤を除去するために乾燥する。次に仮焼成を行うことによって、有機物を分解、揮発させる。最後に焼成を行うことにより、酸化物化、結晶化を行う。以上の工程をＳＧＧＧ基板の両面に対して行う。 First, Bi: YIG magnetic films are formed on both sides of the SGGG substrate by a metal-organic compound decomposition method (Metal-Organic Decomposition: MOD). Specifically, for example, it can be created by the following procedure. First, a Bi: YIG MOD material solution is applied onto an SGGG substrate by a spin coater, and then dried to remove the organic solvent. Next, temporary baking is performed to decompose and volatilize the organic matter. Finally, firing is performed to oxidize and crystallize. The above process is performed on both sides of the SGGG substrate.

　次に、ＳＧＧＧ基板上に作成したＢｉ：ＹＩＧ磁性膜の一方の面にＰｔ金属膜を、他方の面にＷ金属膜をスパッタリング法により形成する。 Next, a Pt metal film is formed on one surface of the Bi: YIG magnetic film formed on the SGGG substrate, and a W metal film is formed on the other surface by a sputtering method.

　最後に、Ｐｔ金属膜とＷ金属膜の導通をとるために、図１１Ａ、図１２Ａ中のｙ方向の一側面に銀（Ａｇ）ペーストを塗布することにより、図９に示した熱電変換単位素子４００の構成が完成する。 Finally, in order to establish conduction between the Pt metal film and the W metal film, the thermoelectric conversion unit element shown in FIG. 9 is applied by applying a silver (Ag) paste on one side surface in the y direction in FIGS. 11A and 12A. 400 configurations are completed.

　複数の熱電変換単位素子４００をそれぞれ構成するＰｔ起電層同士、およびＷ起電層同士が接触し、かつ、Ｐｔ起電層で生成された起電力とＷ起電層で生成された起電力とが加算されるように積層する。これにより、図１０に示した熱電変換素子モジュール２０００の構成が完成する。このとき、それぞれの熱電変換単位素子４００のＰｔ金属膜同士、およびＷ金属膜同士が物理的に接触し導通する。その結果、起電力を生じるＰｔ金属膜とＷ金属膜が直列に接続されるので、端子２０１０および端子２０２０から加算された大きな起電力を取り出すことができる。 The Pt electromotive layers constituting the thermoelectric conversion unit elements 400 and the W electromotive layers are in contact with each other, and the electromotive force generated in the Pt electromotive layer and the electromotive force generated in the W electromotive layer. Laminate so that and are added. Thereby, the structure of the thermoelectric conversion element module 2000 shown in FIG. 10 is completed. At this time, the Pt metal films and the W metal films of each thermoelectric conversion unit element 400 are in physical contact with each other and are electrically connected. As a result, the Pt metal film and the W metal film that generate an electromotive force are connected in series, so that a large electromotive force added from the

terminals

2010 and 2020 can be taken out.

　〔第５の実施形態〕
　次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、本発明の第５の実施形態に係る熱電変換素子モジュール３０００の構成を示す概略図であり、図１３Ａは上面図、図１３Ｂはｘ方向側面図、図１３Ｃはｙ方向側面図である。 [Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. 13A, 13B, and 13C are schematic views illustrating a configuration of a thermoelectric conversion element module 3000 according to the fifth embodiment of the present invention, in which FIG. 13A is a top view, FIG. 13B is an x-direction side view, and FIG. It is a direction side view.

　本実施形態による熱電変換素子モジュール３０００は、図１３Ｃに示すように、熱電変換単位素子５００が水平方向から傾いて積層した構成である。すなわち、熱電変換素子モジュール３０００は、複数の熱電変換単位素子５００が、熱電変換単位素子５００を構成する磁性体層の法線方向と温度勾配の方向（ｚ方向）がなす角度が零度より大きく９０度以下であるように傾いて積層している。熱電変換単位素子５００には、上述した実施形態による熱電変換単位素子３００または熱電変換単位素子４００を用いることができる。 As shown in FIG. 13C, the thermoelectric conversion element module 3000 according to the present embodiment has a configuration in which the thermoelectric conversion unit elements 500 are stacked inclined from the horizontal direction. That is, in the thermoelectric conversion element module 3000, the angle formed by the plurality of thermoelectric conversion unit elements 500 between the normal direction of the magnetic layer constituting the thermoelectric conversion unit element 500 and the direction of the temperature gradient (z direction) is greater than zero degrees. It is inclined and laminated so that it is less than the degree. As the thermoelectric conversion unit element 500, the thermoelectric conversion unit element 300 or the thermoelectric conversion unit element 400 according to the above-described embodiment can be used.

　次に、熱電変換単位素子５００を傾けて積層したことによる効果について説明する。図１３Ｃに示すように、熱電変換素子モジュール３０００の厚さをａ、幅をｂとする。例えば、熱電変換単位素子５００を垂直に傾けて積層した場合、熱電変換単位素子５００を水平に積層した場合に比べて、ｂ（幅）／ａ（厚さ）倍の個数の熱電変換単位素子５００を充填することができる。したがって、熱電変換素子モジュール３０００に充填された各熱電変換単位素子５００のｙ方向の長さの総計もｂ／ａ倍にすることができる。 Next, the effect of laminating the thermoelectric conversion unit elements 500 will be described. As shown in FIG. 13C, the thermoelectric conversion element module 3000 has a thickness a and a width b. For example, when the thermoelectric conversion unit elements 500 are stacked while being inclined vertically, the number of thermoelectric conversion unit elements 500 b (width) / a (thickness) times as many as the case where the thermoelectric conversion unit elements 500 are stacked horizontally. Can be filled. Therefore, the total length in the y direction of each thermoelectric conversion unit element 500 filled in the thermoelectric conversion element module 3000 can also be b / a times.

　ここで、各熱電変換単位素子５００で発生する起電力（Ｖ）はｙ方向の長さに比例するので、熱電変換素子モジュール３０００で発生する起電力（Ｖ）はｂ／ａ倍になる。一方、熱電変換単位素子５００の全面積は変わらない。上述した式（１）と式（２）より、熱電変換単位素子５００から取り出すことができる最大の出力（Ｐ）は面積（ｘ×ｙ）に比例するので、熱電変換素子モジュール３０００の出力（Ｐ）は一定に保つことができる。以上より、熱電変換単位素子５００を水平方向から傾けて積層することにより、出力（Ｐ）を一定に保ったままで、起電力（Ｖ）をｂ（幅）／ａ（厚さ）倍以下の範囲で可変することが可能である。 Here, since the electromotive force (V) generated in each thermoelectric conversion unit element 500 is proportional to the length in the y direction, the electromotive force (V) generated in the thermoelectric conversion element module 3000 is b / a times. On the other hand, the total area of the thermoelectric conversion unit element 500 does not change. Since the maximum output (P) that can be taken out from the thermoelectric conversion unit element 500 is proportional to the area (x × y) from the above formulas (1) and (2), the output (P) of the thermoelectric conversion element module 3000 is ) Can be kept constant. From the above, by laminating the thermoelectric conversion unit elements 500 from the horizontal direction and keeping the output (P) constant, the electromotive force (V) is a range of b (width) / a (thickness) times or less. Can be varied.

　熱電変換単位素子５００をシート状とした場合について、さらに詳細に説明する。この場合、熱電変換素子モジュール３０００の厚さａは幅ｂに比べて十分に小さい（ａ＜＜ｂ）と仮定することができる。 The case where the thermoelectric conversion unit element 500 is in the form of a sheet will be described in more detail. In this case, it can be assumed that the thickness a of the thermoelectric conversion element module 3000 is sufficiently smaller than the width b (a << b).

　熱電変換単位素子５００の高さ（ｚ方向）をｃ、熱電変換単位素子５００を傾けないで積層した時の熱電変換単位素子５００の個数をＮ１とする。このとき、図１３Ｃに示した側面の面積（ａ×ｂ）は、
ａ×ｂ＝ｃ×Ｎ１×ｂ
となる。この式から
Ｎ１＝ａ／ｃ　　　　　　　　　（３）
が成り立つ。 The height (z direction) of the thermoelectric conversion unit element 500 is c, and the number of thermoelectric conversion unit elements 500 when the thermoelectric conversion unit elements 500 are stacked without being inclined is N1. At this time, the area (a × b) of the side surface shown in FIG.
a × b = c × N1 × b
It becomes. From this equation, N1 = a / c (3)
Holds.

　一方、熱電変換単位素子５００を傾けて積層した場合、熱電変換単位素子５００の平均の幅をｂ／ｍ（図１３Ｃ参照）、熱電変換素子モジュール３０００に充填される熱電変換単位素子５００の個数をＮ２とする。このとき、図１３Ｃに示した側面の面積（ａ×ｂ）は、
ａ×ｂ＝ｃ×ｂ／ｍ×Ｎ２
と表わすことができる。この式から
Ｎ２＝ｍａ／ｃ　　　　　　　　（４）
が成り立つ。 On the other hand, when the thermoelectric conversion unit elements 500 are inclined and stacked, the average width of the thermoelectric conversion unit elements 500 is b / m (see FIG. 13C), and the number of thermoelectric conversion unit elements 500 filled in the thermoelectric conversion element module 3000 is Let N2. At this time, the area (a × b) of the side surface shown in FIG.
a × b = c × b / m × N2
Can be expressed as From this equation, N2 = ma / c (4)
Holds.

　式（３）と（４）から、熱電変換単位素子５００を傾けて積層することにより、熱電変換素子モジュール３０００に充填することができる熱電変換単位素子５００の個数はｍ倍になることがわかる。これにより、各熱電変換単位素子５００のｙ方向の長さの総計もｍ倍になるので、熱電変換素子モジュール３０００で発生する起電力（Ｖ）をｍ倍にすることができる。 From formulas (3) and (4), it can be seen that the number of thermoelectric conversion unit elements 500 that can be filled in the thermoelectric conversion element module 3000 is increased by m times by tilting and laminating the thermoelectric conversion unit elements 500. Thereby, since the total of the length of the y direction of each thermoelectric conversion unit element 500 also becomes m times, the electromotive force (V) which generate | occur | produces in the thermoelectric conversion element module 3000 can be m times.

　上述した構成とすることにより、熱電変換素子モジュールで発生する起電力をさらに増大させることができる。 By using the above-described configuration, the electromotive force generated in the thermoelectric conversion element module can be further increased.

　以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。 The present invention has been described above using the above-described embodiment as an exemplary example. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment. That is, the present invention can apply various modes that can be understood by those skilled in the art within the scope of the present invention.

　この出願は、２０１４年１月２９日に出願された日本出願特願２０１４－０１３９１１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。 This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2014-013911 filed on January 29, 2014, the entire disclosure of which is incorporated herein.

　１００、１０１、２００　　熱電変換素子
　１１０、２１０、３１０、４１０　　磁性体層
　１２０　　第１の起電層
　１２１　　上側第１の起電層
　１２２　　下側第１の起電層
　１３０　　第２の起電層
　１３１　　上側第２の起電層
　１３２　　下側第２の起電層
　１４０、２３０、３３０、４３０　　接続部
　１４１　　第１の接続部
　１４２　　第２の接続部
　２２１、２２２、３２１、３２２、４２１、４２２　　起電層
　２４１、２４２、１０１０、１０２０、２０１０、２０２０　　端子
　３００、４００　　熱電変換単位素子
　４４０　　基板
　１０００、２０００、３０００　　熱電変換素子モジュール
　１０　　関連する熱スピン流変換素子
　１１　　サファイア基板
　１２　　熱スピン流変換部
　１３　　Ｔａ膜
　１４　　ＰｄＰｔＭｎ膜
　１５　　ＮｉＦｅ膜
　１６　　Ｐｔ電極
　１７－１、１７－２　　端子
　２０　　関連する熱電変換素子
　２１　　磁性体
　２２　　起電体
　２３　　導電体
　２４、２５　　出力端子 100, 101, 200

Thermoelectric conversion elements

110, 210, 310, 410 Magnetic layer 120 First electromotive layer 121 Upper first electromotive layer 122 Lower first electromotive layer 130 Second electromotive layer 131 Upper second electromotive layer 132 Lower second

electromotive layer

140, 230, 330, 430 Connection part 141 First connection part 142

Second connection part

221, 222, 321, 322, 421, 422

Electromotive force Layers

241, 242, 1010, 1020, 2010, 2020

Terminals

300, 400 Thermoelectric conversion unit element 440

Substrate

1000, 2000, 3000 Thermoelectric conversion element module 10 Related thermal spin current conversion element 11 Sapphire substrate 12 Thermal spin current conversion unit 13 Ta Film 14 PdPtMn film 15 NiFe film 16 Pt electrode 17-1, 17-2 Terminal 20 Thermoelectric conversion elements 21 magnetic body 22 electromotive element 23

conductors

24, 25 an output terminal which communicates

Claims

スピンゼーベック効果を発現する磁性体層と、
　前記磁性体層における磁場の方向および温度勾配の方向によって定まる起電力の向きが第１の方向である第１の起電層と、
　前記起電力の向きが前記第１の方向と反対である第２の方向である第２の起電層と、
　前記第１の方向の始点と前記第２の方向の終点が連続するように、前記第１の起電層と前記第２の起電層を電気的に接続する接続手段、とを有し、
　前記第１の起電層と前記第２の起電層は、それぞれ前記磁性体層と接続し、前記第１の方向および前記第２の方向と略垂直な方向に離間して配置している
　熱電変換素子。 A magnetic layer that exhibits a spin Seebeck effect;
A first electromotive layer in which the direction of the electromotive force determined by the direction of the magnetic field and the direction of the temperature gradient in the magnetic layer is the first direction;
A second electromotive layer having a second direction in which the direction of the electromotive force is opposite to the first direction;
Connection means for electrically connecting the first electromotive layer and the second electromotive layer so that a start point in the first direction and an end point in the second direction are continuous;
The first electromotive layer and the second electromotive layer are connected to the magnetic layer, respectively, and are spaced apart in the first direction and a direction substantially perpendicular to the second direction. Thermoelectric conversion element.
請求項１に記載した熱電変換素子において、
　前記第１の起電層は、第１の金属材料を含み、
　前記第２の起電層は、第２の金属材料を含み、
　前記第１の金属材料と前記第２の金属材料は、スピン軌道相互作用の正負の符号が互いに異なる
　熱電変換素子。 In the thermoelectric conversion element according to claim 1,
The first electromotive layer includes a first metal material;
The second electromotive layer includes a second metal material;
The first metal material and the second metal material are thermoelectric conversion elements having different signs of spin orbit interaction.
請求項１または２に記載した熱電変換素子において、
　前記第２の起電層は、前記第１の起電層を挟んで離間して配置している上側第２の起電層と下側第２の起電層を含み、
　前記接続手段は、第１の接続手段と、第２の接続手段を含み、
　前記第１の接続手段は、前記第１の方向の始点と前記第２の方向の終点が連続するように、前記第１の起電層と前記上側第２の起電層を接続し、
　前記第２の接続手段は、前記第１の方向の終点と前記第２の方向の始点が連続するように、前記第１の起電層と前記下側第２の起電層を接続する
　熱電変換素子。 In the thermoelectric conversion element according to claim 1 or 2,
The second electromotive layer includes an upper second electromotive layer and a lower second electromotive layer that are spaced apart from each other with the first electromotive layer interposed therebetween,
The connection means includes a first connection means and a second connection means,
The first connection means connects the first electromotive layer and the upper second electromotive layer so that a start point in the first direction and an end point in the second direction are continuous,
The second connecting means connects the first electromotive layer and the lower second electromotive layer so that the end point in the first direction and the start point in the second direction are continuous. Conversion element.
請求項３に記載した熱電変換素子において、
　前記第１の起電層は、互いに接続している上側第１の起電層と下側第１の起電層を含み、
　前記第１の接続手段は、前記第１の方向の始点と前記第２の方向の終点が連続するように、前記上側第１の起電層と前記上側第２の起電層を接続し、
　前記第２の接続手段は、前記第１の方向の終点と前記第２の方向の始点が連続するように、前記下側第１の起電層と前記下側第２の起電層を接続する
　熱電変換素子。 In the thermoelectric conversion element according to claim 3,
The first electromotive layer includes an upper first electromotive layer and a lower first electromotive layer connected to each other;
The first connecting means connects the upper first electromotive layer and the upper second electromotive layer so that a start point in the first direction and an end point in the second direction are continuous,
The second connection means connects the lower first electromotive layer and the lower second electromotive layer so that an end point in the first direction and a start point in the second direction are continuous. A thermoelectric conversion element.
請求項１から４のいずれか一項に記載した熱電変換素子において、
　前記第１の起電層および前記第２の起電層は、前記磁性体層を挟んで積層されている
　熱電変換素子。 In the thermoelectric conversion element as described in any one of Claim 1 to 4,
The first electromotive layer and the second electromotive layer are laminated with the magnetic layer interposed therebetween.
請求項５に記載した熱電変換素子において、
　前記磁性体層が積層している基板を有し、
　前記磁性体層は、前記基板の一の面に積層している第１の磁性体層と、前記基板の他の面に積層している第２の磁性体層を含み、
　前記第１の起電層は前記第１の磁性体層と接続し、
　前記第２の起電層は前記第２の磁性体層と接続している
　熱電変換素子。 In the thermoelectric conversion element according to claim 5,
A substrate on which the magnetic layer is laminated;
The magnetic layer includes a first magnetic layer laminated on one surface of the substrate and a second magnetic layer laminated on the other surface of the substrate,
The first electromotive layer is connected to the first magnetic layer;
The thermoelectric conversion element in which the second electromotive layer is connected to the second magnetic layer.
請求項１から４のいずれか一項に記載した熱電変換素子において、
　前記第１の起電層および前記第２の起電層は、前記磁性体層上に配置している
　熱電変換素子。 In the thermoelectric conversion element as described in any one of Claim 1 to 4,
The first electromotive layer and the second electromotive layer are thermoelectric conversion elements disposed on the magnetic layer.
請求項５または６に記載した熱電変換素子を複数個備え、
　複数の前記熱電変換素子がそれぞれ備える複数の前記第１の起電層のうち少なくとも２層が互いに接続し、
　複数の前記熱電変換素子がそれぞれ備える複数の前記第２の起電層のうち少なくとも２層が互いに接続している
　熱電変換素子モジュール。 A plurality of thermoelectric conversion elements according to claim 5 or 6,
At least two layers of the plurality of first electromotive layers included in each of the plurality of thermoelectric conversion elements are connected to each other,
A thermoelectric conversion element module in which at least two of the plurality of second electromotive layers provided in each of the plurality of thermoelectric conversion elements are connected to each other.
請求項８に記載した熱電変換素子モジュールにおいて、
　前記複数の熱電変換素子は、前記磁性体層の法線方向と前記温度勾配の方向がなす角度が零度より大きく９０度以下であるように傾いて積層している
　熱電変換素子モジュール。 In the thermoelectric conversion element module according to claim 8,
The thermoelectric conversion element module, wherein the plurality of thermoelectric conversion elements are inclined and stacked such that an angle formed between a normal direction of the magnetic layer and the direction of the temperature gradient is greater than zero and 90 degrees or less.
スピンゼーベック効果を発現する磁性体層の一の面に、前記磁性体層における磁場の方向および温度勾配の方向によって定まる起電力の向きが第１の方向である第１の起電層を積層し、
　前記磁性体層の他の面に前記起電力の向きが前記第１の方向と反対である第２の方向である第２の起電層を積層し、
　前記第１の方向の始点と前記第２の方向の終点が連続するように、前記第１の起電層と前記第２の起電層を電気的に接続する
　熱電変換素子の製造方法。 A first electromotive layer in which the direction of the electromotive force determined by the direction of the magnetic field and the temperature gradient in the magnetic layer is a first direction is laminated on one surface of the magnetic layer that exhibits the spin Seebeck effect. ,
A second electromotive layer having a second direction in which the direction of the electromotive force is opposite to the first direction is stacked on the other surface of the magnetic layer;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element which electrically connects the said 1st electromotive layer and the said 2nd electromotive layer so that the start point of the said 1st direction and the end point of the said 2nd direction may continue.