2023 Fiscal Year Annual Research Report
熱電・磁性複合材料におけるゼーベックアシスト型横熱電効果の研究
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22K20494
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
周 偉男 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 若手国際研究センター, ICYSリサーチフェロー (20961593)
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| Project Period (FY) |
2022-08-31 – 2024-03-31
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| Keywords | 横熱電効果 / スピンカロリトロニクス / 熱電変換 / 異常ネルンスト効果 / 磁性材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，熱電材料と磁性材料からなる新規な複合材料や複合構造を作製することにより，熱電材料のゼーベック効果を磁性材料の異常ホール効果によって横熱電効果に変換させる新規なゼーベックアシスト型横熱電効果を開拓し，大きな横熱電能を実現することである．
本目的を達成するために，熱電材料と磁性材料の単体，及びその複合材料の輸送特性を全面的に評価する必要がある．従って，試料に温度勾配と外部磁場をかけて，その熱電能と横熱電能を室温から低温領域までに定量評価できる測定システムを立ち上げた．この測定システムを用いて，磁性材料の異常ネルンスト伝導率を評価する新しい手法を提案実証した．磁性材料の両端を非磁性金属材料で繋いて閉回路を作る際に，横熱電能が磁性材料の抵抗率と異常ネルンスト伝導率からなる内因性的な項に近似することができる．これにより，閉回路の横熱電能と磁性材料の抵抗率が分かれば異常ネルンスト伝導率を推算することが可能になり，従来手法と比べて必要なパラメータが半減し，測定時間が短縮できる．一方，熱電材料と磁性材料を組み合わせる際に，絶縁体を介さず直接接触させた二層構造が最もシンプルな構造である．一般的に磁性金属材料のゼーベック効果は小さいため，熱電材料と積層すれば複合材料のゼーベック効果は磁性材料単体よりも増大するが，熱電材料自身は磁化に由来した横熱電能を示さないため，複合化によって横熱電能を小さくしてしまう逆の効果も生じさせる．このせめぎ合いを定量化して横熱電能の変化を見積もるために，適切な仮定の下で熱電材料と磁性材料の各物性値を考慮した理論モデルを構築した．二層構造の横熱電能が厚さの比で変わり，最適な厚さの比で横熱電能がピークを取ることを予測した．この傾向が実験で再現され，最適な厚さの比を持つ試料において磁性材料の異常ネルンスト効果を大きく上回る横熱電能を得ることに成功した．
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