| 研究課題/領域番号 |
18J02115
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
三浦 飛鳥 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点 スピンエネルギーグループ, 特別研究員(PD)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| キーワード | 熱電変換 / 異方性磁気ペルチェ効果 / 異常エッチングスハウゼン効果 / 強磁性金属 |
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| 研究実績の概要 |
異方性磁気ペルチェ効果(AMPE)および異常エッチングスハウゼン効果(AEE)の原理解明および出力向上に向けて、AMPEの系統的な物質依存性の測定を行った。AMPEとは、強磁性体において磁化と電流の相対角に依存してペルチェ係数が変化する現象である。磁化方向が一様ではない試料に電流を印加した場合、相対角が異なる領域の間で放熱・吸熱が生じる。一般的なペルチェ効果はペルチェ係数の異なる2つの導電体の接合や複雑な素子構造が必要であるのに対し、AMPEに基づく電子冷却・加熱は、異物質接合のない単一材料において機能することから、汎用性の高い熱制御技術への展開が期待される。相反現象である異方性磁気ゼーベック効果の観測や、面内スピンバルブ構造などのスピントロニクス素子を用いた実験から、AMPEの存在は古くから予測されており、2018年には一様に磁化させたU字型Niに電流を流すことでU字型試料の角部分においてAMPEに由来する温度変調が直接観測されている。しかし、異方性磁気ゼーベック効果に関する先行研究を含めても、これまでに熱電効果の磁化方向に対する異方性に関する系統的な研究は報告されておらず、その原理解明および出力向上にはより系統的な物質依存性の検証が必要である。そこで本研究では、11種類の強磁性金属におけるAMPEを測定した。強磁性体単体であるNi, Feおよびそれらの合金を用いて測定を行うことで、強磁性母材料の組成がAMPEに与える影響を評価した。また、AMPEはスピン軌道相互作用に起因する現象であるため、強磁性金属にスピン軌道相互作用の強い元素をドープし、その影響も評価した。
AEEに関しては、遷移金属系合金のみならず、希土類元素を含む強磁性体を用いた物質依存性測定や薄膜を用いた材料探索も進めた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
ナノ構造制御による熱スピン変換複合バルク材料の創製に関する実験は順調に進展しており成果も得られている。スピン駆動型熱電変換現象である異方性磁気ペルチェ効果や異常エッチングスハウゼン効果の原理解明・出力向上に向けた系統的な物質依存性に関して主に研究を進め、国内学会での口頭発表や共著者として学術論文発表を行った。大きな異常エッチングスハウゼン効果を示す磁性材料に関して網羅的な熱物性・熱電特性評価も進めており、次年度中に筆頭著者として複数編の論文掲載が期待できる結果がすでに得られている。
本年度に行った系統的な材料評価に基づいて方針を決定することで、次年度以降の研究をスムーズに進めることができると期待される。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度に系統的な材料評価を行い決定した組成をもつ強磁性体を用いてナノ構造化熱スピン変換複合バルク材料の作製を行う。強磁性体としては 、イットリウム鉄ガーネット(Y3Fe5O12, YIG)および希土類元素を含む強磁性体を用いる。
各材料に対して、系統的に粒径および常磁性体金属の種類を変化させナノ構造化熱スピン変換複合バルク材料の作製および熱電特性の評価を行う。ナノ構造化熱スピン変換複合バルク材料の作製においてはナノ粒子の焼結・液体急冷法によって行い、ナノ構造化による熱電特性の改善を目指す。ナノ粒子の焼結は、まずボールミル装置・ジェットミル装置を用いて強磁性体ナノ粒子を作製する。磁性体/金属界面を多数形成するためにスピン軌道相互作用の強い金属(Pt, Au, Biなど)ナノ粒子の添加やALD法・スパッタリング法による強磁性体ナノ粒子表面への金属薄膜の成膜を行った後、磁場中成形および焼結によりバルク化する。粒径およびナノ構造はナノ粒子の作製条件や焼結条件により制御可能であるため、系統的なナノ構造化熱スピン変換複合バルク材料の性能評価を行うことができる。
一方、熱電特性の評価は、熱伝導率測定にレーザーフラッシュ法・定常法測定装置、電気伝導率測定に直流四端子法測定装置を用いる。また、ロックインサーモグラフィー装置を用いて、スピンゼーベック効果や異常ネルンスト効果の相反現象であるスピンペルチェ効果や異常エッチングスハウゼン効果を評価する。ロックインサーモグラフィー装置を用いた評価は、動的な熱画像からフーリエ解析により熱スピン変換現象に起因する温度変化のみを抽出可能であるため、高精度かつハイスループットな材料探索に適した手法である。
熱電特性および磁気特性(飽和磁化・保持力・キュリー温度)の評価に加え、透過型・走査型電子顕微鏡などを用いた構造解析も行い熱電特性とナノ構造の関係も明らかにする。
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