熱電轉換元件和熱電轉換方法

熱電轉換元件和熱電轉換方法
【專利摘要】本發明提供了一種熱電轉換元件，該熱電轉換元件能夠將沿平面內的方向的溫度梯度和沿與平面垂直的方向的溫度梯度同時轉換為電能。該熱電轉換元件具有基片（4）、磁性膜（2）和電極(3、3a、3b)，該磁性膜被設置在基片（4）上并且由多晶磁性絕緣材料構成，多晶磁性絕緣材料具有與膜平面平行的分量并且能夠沿預定方向被磁化，該電極被設置在磁性膜（2）上并且具有一種具有自旋軌道互作用的材料，其中，與磁性膜（2）的表面垂直的溫度梯度能夠作為電極中的一個電極的平面內的電位差被輸出，并且與磁性膜（2）的表面平行的溫度梯度能夠作為電極之間的電位差被輸出。
【專利說明】熱電轉換元件和熱電轉換方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用磁性物質的熱電轉換元件和一種熱電轉換方法。
【背景技術】
[0002]近年來，為了加強解決環境和能源問題以實現社會的可持續發展，對于熱電轉換元件的期望日益增加。
[0003]這是因為熱量是最常見的能源，能夠從各種媒介諸如體熱、陽光、發動機和工業余熱中獲得該能源。
[0004]因此，對于在低碳社會中提高能源的使用效率以及對于預期使用諸如用于將電能輸送到普遍存在的端子或傳感器來說，預計在未來熱電轉換元件將越來越重要。
[0005]為了通過熱電轉換發電，需要適當地利用由各種熱源產生的溫差(溫度梯度)。常規地，通常使用沿與熱源表面垂直的方向(與平面垂直的方向)的溫度梯度。例如，當熱電模塊被結合到高溫熱源表面時，在與高溫熱源保持接觸的高溫側和與之相對的低溫測(氣冷或水冷側)之間生成溫差。因此，能夠發電。
[0006]在未來，在不浪費的情況下，為了將圍繞在我們周圍的熱量用于發電，有必要不僅高效地利用沿與所述平面垂直的方向的溫度梯度，還高效地利用沿熱源的平面內的方向的溫度梯度。在實際中，在各種情況下在建筑物和IT裝置中生成不均勻的平面內的溫度分布。例如，在顯示器的情況下，由于煙囪效應，顯示器的上部具有的溫度高于下部的溫度。月艮務器等在某些部分也具有不均勻的熱產生。因此，為了在不浪費的情況下盡可能多地利用周圍的熟悉的熱能，需要用于與平面垂直的方向和平面內的方向兩者的熱電轉換元件，該熱電轉換元件可以在將沿平面內的方向的溫度梯度轉換為電能的同時，將沿與平面垂直的方向的溫度梯度轉換為電能。
[0007]然而在基于熱電偶的常規熱電轉換元件中，該熱電偶包括一對具有不同的塞貝克系數(Seebeck coefficient)的兩種熱電材料，取決于熱電偶所布置的方向而限制溫度梯度的方向，沿該溫度梯度的方向可以完成熱電轉換。具體地，僅沿與熱電偶結構平行的方向的溫度梯度被轉換為溫差電動勢。可以被用以熱電發電的溫度梯度的方向被限制為一個方向。因此，基于熱電偶的常規熱電轉換元件不能同時將沿與平面垂直的方向的溫度梯度和沿熱源的平面內的方向的溫度梯度轉換為電能。
[0008]另一方面，近年來已發現一種被稱作自旋塞貝克效應的新效應，該自旋塞貝克效應用于通過將溫度梯度施加到磁性材料生成自旋角動量流。專利文獻I和非專利文獻I和2描述了一種基于自旋塞貝克效應的熱電轉換元件，并且公開了一種結構，該結構用于通過逆自旋霍爾效應將角動量流獲取為電流(電動勢)，該角動量流通過自旋塞貝克效應(自旋流)被生成(專利文獻I和非專利文獻I和2)。
[0009]例如，在專利文獻I中說明的熱電轉換元件包括通過濺射法形成的鐵磁體膜和電極。當沿與鐵磁體膜的表面平行的方向施加溫度梯度時，由于自旋塞貝克效應沿溫度梯度的方向引起自旋流。通過在保持與磁性物質接觸的電極中生成的逆自旋霍爾效應，引發的自旋流可以在外面被獲取為電流。因此，能夠執行基于溫差的發電，用于從熱量中獲取電倉泛。
[0010]在非專利文獻I和2中描述的熱電轉換元件中的每個熱電轉換元件均包括磁性物質和電極。非專利文獻I通過一種布置描述了熱電轉換，在該布置中，和專利文獻I的情況一樣，采用了與磁性膜的表面平行的溫度梯度(沿平面內的方向的溫度梯度)。在非專利文獻2中，通過一種布置驗證了熱電轉換，在該布置中垂直的溫度梯度(沿與平面垂直的方向的溫度梯度)被施加到具有厚度為Imm的磁性膜的表面。
[0011]通過布置一對兩種類型的熱電材料(熱電偶)構造了常規熱電轉換元件。考慮到自旋塞貝克效應，上自旋通道和下自旋通道與一對不同的兩個熱電通道對應。具體地，考慮將熱電偶的功能嵌入磁性基體材料中。因此，原理上，對于任何方向的溫度梯度均可以生成自旋流。
[0012]引用列表:
[0013]專利文獻:
[0014]專利文獻I JP 2009-130070 A
[0015]非專利文獻:
[0016]非專利文獻1:Uchida等人,“Spin Seebeck insulator，，, Nature Materials, 2010年，第九卷，第894頁。
[0017]非專利文獻2:Uchida 等人，“Observation of longitudinal spin-Seebeckeffect in magnetic insulators，，, Applied Physics Letters, 2010年,第 97卷,第 172505頁。

【發明內容】

[0018]本發明要解決的問題
[0019]利用如專利文獻I和非專利文獻I和2所述的自旋塞貝克效應的熱電轉換元件具有極好的結構，因為可以容易地以低成本實現大的面積，并且膜熱電轉換是可行的。
[0020]然而，還沒有實現一種熱電轉換元件，該熱電轉換元件可以將沿平面內的方向的溫度梯度和沿與平面垂直的方向的溫度梯度同時高效地轉換為電能。對于所有在專利文獻I和非專利文獻I和2中公開的熱電轉換元件來說，為了將沿平面內的方向的溫度梯度和沿與平面垂直的方向的溫度梯度中的任何一種溫度梯度轉換為電能，唯一地選定磁性物質、基片、電極等的材料、形狀、布置和熱傳導特性(例如，導熱系數)。為了實現一種熱電轉換元件，該熱電轉換元件可以將沿平面內的方向的溫度梯度和沿與平面垂直的方向的溫度梯度同時高效地轉換為電能，有必要具體地檢查磁性物質、基片、電極等的材料、形狀、布置和熱傳導特性以發現哪種元件結構有效，但是上述元件結構還沒有被發現。
[0021]本發明是為了解決上述問題而提出的，并且因此具有的目的是提供一種熱電轉換元件，該熱電轉換元件可以同時轉換沿平面內的方向的溫度梯度和沿與平面垂直的方向的溫度梯度。
[0022]解決問題的方法:
[0023]為了實現上述目的，根據本發明的第一實施例，提供了 一種熱電轉換元件，該熱電轉換元件包括:磁性膜，該磁性膜被設置在基片上，并且由磁性物質構成，該磁性物質能夠沿預定方向磁化，并具有與膜表面平行的分量；以及多個電極，該多個電極被設置到磁性膜，并且由具有自旋軌道互作用的材料制成，該多個電極沿預定方向布置。該多個電極被構造為能夠將與磁性膜的表面垂直的溫度梯度作為多個電極的表面中任何表面中的電位差輸出，并且能夠將與磁性膜的表面平行的溫度梯度作為多個電極的表面中的任何表面中的電位差輸出。
[0024]根據本發明的第二實施例，提供了一種熱電轉換方法，該熱電轉換方法包括:將溫度梯度施加到根據第一實施例的熱電轉換元件的磁性膜，以生成從磁性膜流向多個電極的自旋流；和通過在多個電極中生成的逆自旋霍爾效應，在與預定方向垂直的方向上生成電流。
[0025]本發明的效果:
[0026]根據本發明，可以提供一種熱電轉換元件，該熱電轉換元件能夠同時將沿平面內的方向的溫度梯度和沿與平面垂直的方向的溫度梯度轉換為電能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是示出了根據本發明的第一實施例的熱電轉換元件I的透視圖。
[0028]圖2是示出了當溫度梯度沿與平面垂直的方向被施加到熱電轉換元件I時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0029]圖3是沿圖2的線Dl-Dl截取的剖視圖。
[0030]圖4是示出了當溫度梯度沿平面內的方向被施加到熱電轉換元件I時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0031]圖5是沿圖4的線D2-D2截取的剖視圖。
[0032]圖6是示出了根據本發明的第二實施例的熱電轉換元件Ia的透視圖和基片4a的局部放大視圖。
[0033]圖7是示出了當溫度梯度沿與平面垂直的方向被施加到熱電轉換元件Ia時熱傳導特性的剖視圖。
[0034]圖8是示出了當溫度梯度沿平面內的方向被施加到熱電轉換元件Ia時熱傳導特性的剖視圖。
[0035]圖9是示出了根據本發明的第三實施例的熱電轉換元件Ib的透視圖。
[0036]圖10是圖9的前視圖。
[0037]圖11是圖9的仰視圖。
[0038]圖12是示出了當溫度梯度沿與平面垂直的方向被施加到熱電轉換元件Ib時熱傳導特性的剖視圖。
[0039]圖13是示出了當溫度梯度沿平面內的方向被施加到熱電轉換元件Ib時熱傳導特性的剖視圖。
[0040]圖14是示出了熱電轉換元件Ib的基片4b的制造步驟的視圖。
[0041]圖15是示出了熱電轉換元件Ib的基片4b的制造步驟的另一個視圖。
[0042]圖16是示出了熱電轉換元件Ib的基片4b的制造步驟的另一個視圖。
[0043]圖17是示出了根據本發明的第四實施例的熱電轉換元件Ic的透視圖。
[0044]圖18是示出了當溫度梯度沿與平面垂直的方向被施加到熱電轉換元件Ic時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0045]圖19是沿圖18的線D3-D3截取的剖視圖。
[0046]圖20是示出了當溫度梯度沿平面內的方向被施加到熱電轉換元件Ic時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0047]圖21是沿圖20的線D4-D4截取的剖視圖。
[0048]圖22是示出了根據本發明的第五實施例的熱電轉換元件Id的透視圖。
[0049]圖23是示出了當溫度梯度沿與平面垂直的方向(z向)被施加到熱電轉換元件Id時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0050]圖24是示出了當溫度梯度沿平面內的方向(y向)被施加到熱電轉換元件Id時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0051]圖25是示出了當溫度梯度沿與平面垂直的方向(z向)被施加到熱電轉換元件Id時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0052]圖26是示出了當溫度梯度沿平面內的方向(X向)被施加到熱電轉換元件Id時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0053]圖27是示出了根據本發明的第六實施例的熱電轉換元件Ie的透視圖。
[0054]圖28是示出了當溫度梯度沿與平面垂直的方向被施加到熱電轉換元件Ie時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0055]圖29是示出了當溫度梯度沿平面內的方向被施加到熱電轉換元件Ie時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0056]圖30是示出了當溫度梯度沿與平面垂直的方向被施加到熱電轉換元件Ie時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0057]圖31是示出了當溫度梯度沿平面內的方向被施加到熱電轉換元件Ie時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0058]圖32是示出了對應于第六實施例的變型的熱電轉換元件If的透視圖。
[0059]圖33是示出了當溫度梯度沿與平面垂直的方向被施加到熱電轉換元件If時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0060]圖34是示出了當溫度梯度沿平面內的方向被施加到熱電轉換元件If時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0061]圖35是示出了根據本發明的第七實施例的熱電轉換元件Ig的透視圖。
[0062]圖36是示出了當溫度梯度沿與平面垂直的方向被施加到熱電轉換元件Ig時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0063]圖37是示出了當溫度梯度沿平面內的方向被施加到熱電轉換元件Ig時生成的溫差電動勢的透視圖。
[0064]圖38是示出了根據本發明的第八實施例的熱電轉換元件Ih的透視圖。
[0065]圖39是示出了根據本發明的第九實施例的熱電轉換元件Ii的透視圖。
【具體實施方式】
[0066]現參照附圖具體說明本發明的優選實施例。
[0067]首先，參照圖1至圖5具體說明本發明的第一實施例。[0068]參照圖1首先描述根據第一實施例的熱電轉換元件I的示意性構造。
[0069]如圖1所示，熱電轉換元件I包括磁性膜2和電極3、3a、和3b，該磁性膜2被固定在基片4上，用于通過溫度梯度生成自旋流，該電極被設置在磁性膜2上，用于通過使用逆自旋霍爾效應從自旋流中獲取溫差電動勢。磁性膜2和電極3、3a、和3b構成發電部。圖1所示的電極3、3a、和3b和磁性膜2之間的位置關系可以是顛倒的。
[0070]如在下文中所描述的，電極3 (中心電極)是用于沿與平面垂直的方向將自旋流獲取為電動勢并且設置在磁性膜2上部的中心上的電極。
[0071]如在下文中所描述的，電極3a和3b (端電極)是沿平面中的方向將自旋流獲取為電動勢的電極，并且被設置在磁性膜2的前端和后端，以便橫跨電極3彼此相對。
[0072]通過基于自旋塞貝克效應的電極布置的詳細檢驗，本發明的發明人發現將電極3a和3b布置在磁性物質的兩端上以便通過沿平面內的方向的溫度梯度生成的自旋流盡可能大地轉換成電能是有效的。此外，發明人發現，當通過沿與平面垂直的方向的溫度梯度獲得電能的電極3具有較大面積時獲得較大的電能，但不論電極3在磁性膜2的表面上被布置的位置如何獲得電能的量相同。通過上述檢驗，如圖1所示，電極3a和3b被設置在磁性膜2的兩端，其中，在布置中具有較高自由度的電極3被設置在電極3a和3b之間。此外，如圖1所示，優選地將用于通過沿與平面垂直的方向的溫度梯度獲得電能的電極3構造為具有比電極3a和3b中的每個電極的面積大的面積，以獲得較大的電能。
[0073]此外，熱電轉換元件I包括端子7和9、端子7a和9a以及端子7b和9b，用于獲取溫差電動勢的端子7和9可移動地形成在電極3上的兩個位置處，端子7a和9a可移動地形成在電極3a上的兩個位置處，端子7b和9b可移動地形成在電極3b上的兩個位置處。端子形成溫差電動勢輸出裝置。
[0074]此外，根據需要，熱電轉換元件I包括用于將溫度梯度施加到磁性膜2的溫度梯度施加裝置11。
[0075]此外，根據需要，熱電轉換元件I包括用于沿預定方向(在這種情況下圖1的方向A)磁化磁性膜2的磁化裝置13。
[0076]接下來，具體描述熱電轉換元件I的元件。
[0077]任何材料和結構可以被用作基片4，只要基片4可以支撐磁性膜2和電極3、3a和3b。例如，可以使用由材料諸如硅、玻璃、氧化鋁、藍寶石、釓鎵石榴石(GGG)或聚酰亞胺制成的基片。形狀未必要求是板狀，并且可以具有彎曲的結構，或具有凹面和凸面。此外，建筑物等也可以直接用作基片4。此外，在一種結構中或某情況下，其中，磁性膜2可以被固定到熱源(具體地，在一種結構中或某種情況下，其中熱源也可以用作基片4)，例如，通過將磁性膜2放置在熱源上，基片4并非始終是額外需要的。熱源本身也可以被用作基體(基片4)，該基體(基片4)用于支撐熱電轉換元件I。
[0078]磁性膜2由多晶磁性物質制成，該多晶磁性物質可以至少沿一個磁化方向A被磁化。在第一實施例中，假設磁性膜2具有沿一個方向與膜表面平行的磁化方向(磁化方向A具有至少一個與膜表面平行的分量)。磁性膜2對于具有較小導熱系數的材料具有更有效的熱電效應。因此，優選地，磁性膜2是磁絕緣體。例如，該材料可以使用氧化物磁性材料，諸如鐵石榴石(諸如釔鐵石榴石)或尖晶石鐵氧體。
[0079]通過以雜質諸如Bi局部代替鐵石槽石的乾位(yttrium site)獲得的材料可以用于磁性膜2。通過以此方式代替釔位，這被認為提高了磁性膜2和電極3之間的能級匹配度。因此，能夠在磁性膜2和電極3之間的接觸面處提高自旋流的獲取效率，以提高熱電轉換效率。
[0080]對于具體的成分，給出了以BixY3_xFe5012 (0.5≤x≤1.5)表示的摻雜Bi的釔鐵石榴石。
[0081]用于摻雜的元素并非限制為Bi，只要提高磁性膜2和電極3之間的能級匹配度，也可以使用其它雜質。
[0082]在這種情況下，對于形成磁性膜2的方法，可以在下文的描述中給出該方法，諸如液相外延生長(LPE)、濺射法、激光燒蝕(PLD)、金屬有機沉積方法(MOD method)、溶膠凝膠法、氣溶膠沉積法(AD method)。可以使用通過丘克拉斯基(Czochralski)法或燒結得到的批量磁性物質。
[0083]當具有矯頑力的磁性材料被用作磁性膜2時，磁化方向一旦被外部磁場初始化后，便獲得甚至可以在零磁場中操作的元件。
[0084]電極3、3a和3b由具有自旋軌道互作用的材料制成，以便通過逆自旋霍爾效應獲取溫差電動勢。對于這樣的材料，給出了例如具有較大自旋軌道互作用的金屬，諸如AiuPt或Pd或其合金。為了增強逆自旋霍爾效應，通過將雜質諸如Fe或Cu添加到上述金屬或合金而獲得的材料可以被用作電極3、3a和3b的材料。
[0085]通過濺射法、氣相沉積法、電鍍、絲網印刷術等在磁性膜2上形成膜來形成電極3、3a和3b。優選地，電極厚度被設置為至少比電極材料的自旋擴散的長度長。具體地，例如對于Au來說，期望厚度被設置為50nm或更大，并且對于Pt來說，期望厚度被設置為IOnm或更大。
[0086]對于端子7、9、7a 、9a、7b和9b可以使用任何結構、形狀和位置，只要端子之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢。為了盡可能大地獲得電位差，期望端子沿與磁化方向A垂直的方向被設置在磁性膜2的各個端部上的兩個位置處(使得連接端子7和9的線段、連接端子7a和9a的線段以及連接端子7b和9b的線段與磁化方向A垂直)。
[0087]任何裝置可以被用作溫度梯度施加裝置11，只要溫度梯度被施加到磁性膜2。可以使用各種類型的加熱器或熱導體，該加熱器或熱導體用于將熱量諸如體熱、光熱、發動機熱或工業余熱傳導到磁性膜2。
[0088]當熱源將熱量直接傳導到磁性膜時，溫度梯度施加裝置11并非始終必不可少。
[0089]磁化裝置13是沿磁化方向A磁化磁性膜2的裝置。使用任何結構、材料和類型的磁化裝置，只要磁性膜2的磁化被維持。具體地，例如除了使用線圈等的磁場發生器以外，可以在附近提供用于使用的磁鐵等。可替代地，可以在附近將另一種鐵磁體膜或反鐵磁體膜設置到磁性膜2，以便通過諸如磁相互作用的方法來維持磁性膜2的磁化。
[0090]接下來，參照圖1至圖5說明熱電轉換元件I的操作。
[0091]首先，在圖1中所示的熱電轉換元件I中，在通過使用磁化裝置13將磁場施加到磁性膜2使得磁性膜2沿磁化方向A被磁化后，通過使用溫度梯度施加裝置11等施加溫度梯度。
[0092]然后，通過在磁性膜2中生成的自旋塞貝克效應，沿溫度梯度的方向引起角運動(自旋流)。與常規熱電模塊相比，在該常規熱電模塊中通過熱電偶限制了能夠生成溫差電動勢的溫度梯度方向，而磁性物質中的自旋塞貝克效應不具有該結構各向異性，因此可以通過沿任何方向的溫度梯度生成自旋流。
[0093]為將通過沿任何方向的溫度梯度生成的自旋流獲取為電動勢，在第一實施例中，在附圖中，電極3被布置在磁性膜2的上部的中心上，并且電極3a和3b被布置在磁性膜2的前端和后端。通過上述電極，在磁性物質中沿任何方向的自旋流可以被獲取為電動勢。
[0094]由磁性膜2生成的自旋流流入到附近的電極3、3a和3b內，并且然后通過在電極3、3a和3b中的逆自旋霍爾效應被轉換成電流。
[0095]電流生成電位差，該電位差在端子7和9之間、端子7a和9a之間或端子7b和9b之間中的任何端子之間。因此，可以從端子7和9、7a和9a或7b和9b中獲取為溫差電動勢。
[0096]作為操作的具體實例，當施加具有與熱電轉換元件I的元件表面垂直的分量(方向與平面垂直)的溫度梯度時，自旋流在磁性膜2中沿與平面垂直的方向被生成，并且主要流入到電極3內，如圖2和圖3所示。此后，通過電極3中的逆自旋霍爾效應，在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被轉換為電流。因此，端子7和9之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V11。
[0097]另一方面，如圖4和圖5所示，當沿與元件表面平行的方向(平面內的方向)施加溫度梯度時，在磁性膜2中沿平面內的方向生成自旋流，并且自旋流主要流入到電極3a和3b內。通過電極3a和3b中的逆自旋霍爾效應，在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被轉換為電流。因此，端子7a和9a之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V12，其中，端子7b和9b之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V13。在電極3a和3b中，在與磁性膜2的接觸面處自旋流的流動方向不同。因此，沿彼此非平行的方向生成電動勢。
[0098]圖2和圖3示出了具有沿與平面垂直的方向的溫度梯度的情況，而圖4和圖5示出了具有沿平面內的方向的溫度梯度的情況。具體地，即使在中間情況下，其中沿傾斜方向具有相對于圖1所示的y-z平面中的磁性膜2以0° <θ<90°表示的傾角Θ的溫度梯度，可以高效地獲取溫差電動勢。在這種情況下，當傾斜的溫度梯度向量被分解為沿與平面垂直的方向的分量(Θ =90° )和沿平面內的方向的分量(θ=0° )時，對于沿與平面垂直的方向的分量，在電極3中生成溫差電動勢，同時對于沿平面內的方向的分量，在電極3a和3b中生成溫差電動勢。
[0099]通過上述的電極布置，對于在與平面垂直的和平面內的方向上的溫度梯度中的任何溫度梯度來說，熱電轉換元件I均可以生成電能。
[0100]如上所述，根據第一實施例，熱電轉換元件I包括基片4、磁性膜2和電極3、3a和3b，該磁性膜被設置在基片4上，并且由可以沿預定方向磁化的多晶磁絕緣體材料制成，該電極被設置在磁性膜2上，并且由具有自旋軌道互作用的材料制成，并且熱電轉換元件I被構造為能夠將磁性膜2中沿與平面垂直的方向的溫度梯度作為電極3的表面中的電位差輸出，并且能夠將磁性膜2中沿平面內的方向的溫度梯度作為電極3a和3b的表面中的電位差輸出。
[0101]因此，熱電轉換元件I可以同時將沿平面內的方向的溫度梯度和沿與平面垂直的溫度梯度轉換成電能。
[0102]接下來，參照圖6至圖8具體描述本發明的第二實施例。[0103]第二實施例對應于第一實施例的變型，在該第二實施例中通過包含填料15而被提供有熱傳導各向異性的材料被用于基片4a。
[0104]在第二實施例中，具有和第一實施例的元件功能相同的元件由相同的附圖標記表示。因此，主要描述與第一實施例的不同之處。
[0105]如圖6所示，熱電轉換元件Ia的基片4a具有一種結構，該結構包括板狀基片支撐件6和多個單向取向包含在基片支撐件6中的填料15。
[0106]對于基片支撐件6，使用導熱系數比填料15的導熱系數小的材料，諸如環氧樹脂或有機樹脂。對于填料15，使用導熱系數比基片支撐件6的導熱系數大的材料，諸如碳化纖維、氧化鋁或氮化硼。通過上述結構，沿填料15取向方向的導熱系數變得大于在基片4a中沿與取向方向垂直的方向的導熱系數。因此，生成導熱各向異性。
[0107]在圖6中，填料15在基片4a中沿與平面垂直的方向取向，并且被構造為使得沿與平面垂直的方向的導熱系數大于沿平面內的方向的導熱系數。
[0108]通過使用上述具有導熱各向異性的基片4a，與使用不具有導熱各向異性基片的情況相比，能夠高效地熱電轉換。原因如下。對于給定的熱源來說，為了使熱電轉換性能最大化，磁性膜2的一部分需要盡可能大地維持溫差，在該磁性膜2中產生自旋塞貝克效應。通過使用具有各向異性的基片4a，上述情況同時滿足沿與平面垂直的方向和平面內的方向。
[0109]現參照圖7和圖8具體說明原因。
[0110]首先，如圖7所示，考慮了生成沿與熱電轉換元件Ia的平面垂直的方向的溫度梯度的情況。在這種情況下，將溫差連續地施加到磁性膜2和基片4a。在基片4a中，沿與平面垂直的方向的導熱系數大于沿平面內的方向的導熱系數(具有較小熱阻)。因此，較大的溫差以有效的方式被施加到磁性膜2的一部分(參見圖7所示的多個空心箭頭)。以此方式，對于沿與平面垂直的方向的溫度梯度可以生成大的溫差電動勢。
[0111]接下來，如圖8所示，當生成沿熱電轉換元件Ia的平面內的方向的溫度梯度時，與磁性膜2和基片4a平行地施加溫差。在這種情況下，沿基片4a的平面內的方向的導熱系數小于沿與平面垂直的方向的導熱系數(具有較大的熱阻)。因此，熱流不大可能沿基片4a的平面內的方向(見圖8中的虛線箭頭)流動。因此，大的溫差可以在磁性膜2的兩端之間被維持。以此方式，可以生成沿平面內的方向的溫度梯度的大的溫差電動勢。
[0112]通過上述構造，可以構造一種熱電裝置，對于沿與平面垂直的方向的溫度梯度和沿平面內的方向的溫度梯度中的任何溫度梯度來說，該熱電裝置能夠高效地產生電流。盡管一種結構被用作基片4a，在該結構中取向填料15被包含在基片支撐件6中，而生成導熱各向異性的方法卻不局限于此。例如，即使當具有高的熱傳導特性的結構被嵌入到基片支撐件6內以便沿與平面垂直的方向延伸時，也可以獲得相同的效果。
[0113]此外，在這種情況下，當基片4a沿與平面垂直的方向的導熱系數大于沿平面內的方向的導熱系數時獲得效果。具體地，為了在磁性膜2中維持大的溫差，優選地，基片4a沿與平面垂直的方向的導熱系數大于磁性膜2的垂直導熱系數，并且基片4a的水平導熱系數小于磁性膜2的水平導熱系數。
[0114]根據需要，可以在電極3、3a和3b之間或電極3、3a和3b之上設置保護層。在這種情況下，優選地，保護膜被構造為使得沿與平面垂直的方向的導熱系數變得大于沿平面內的方向的導熱系數。[0115]如上所述，根據第二實施例，熱電轉換元件Ia包括基片4a、磁性膜2和電極3、3a和3b，該磁性膜被設置在基片4a上，并且由可以沿預定方向磁化的多晶磁絕緣體材料制成，該電極被設置在磁性膜2上，并且由具有自旋軌道互作用的材料制成，并且熱電轉換元件Ia被構造為能夠將磁性膜2中沿與平面垂直的方向的溫度梯度作為電極3的表面中的電位差輸出，并且能夠將磁性膜2中沿平面內的方向的溫度梯度作為電極3a和3b的表面中的電位差輸出。
[0116]因此，提供了與第一實施例的效果相同的效果。
[0117]此外，根據第二實施例，在熱電轉換元件Ia中，基片4a具有一種結構，該結構包括基片支撐件6和多個包含在基片支撐件6中的填料15，該填料15單向取向，并且因此具有熱傳導各向異性。
[0118]因此，與第一實施例相比，能夠高效地熱電轉換。
[0119]接下來，參照圖9至圖16描述本發明的第三實施例。
[0120]與第二實施例類似，在第三實施例中將熱傳導各向異性提供到基片。然而與第二實施例相比，不是通過材料而是通過形狀將熱傳導各向異性提供到基片。
[0121]在第三實施例中，具有和第一實施例的元件功能相同的元件由相同的附圖標記表示。因此，主要描述與第一實施例的不同之處。
[0122]如在圖9至圖11所示，根據第三實施例的熱電轉換元件Ib包括基片4b，該基片4b具有用于截止沿平面內的方向的熱傳導的細長狹縫17，該狹縫被設置在基片4b的至少一個表面內。在圖9中，沿與平面垂直的方向平行地形成狹縫17。
[0123]與基片4a類似，通過上述結構，基片4b沿與平面垂直的方向的熱傳導特性大于沿平面內與狹縫17垂直的方向的熱傳導特性，因此具有熱傳導各向異性。
[0124]如上所述，可以通過修改基片的形狀生成熱傳導各向異性。
[0125]和在第二實施例中一樣，通過使用具有熱傳導各向異性的基片4b，能夠沿與平面垂直的方向和平面內的方向高效地熱電轉換。
[0126]具體地如圖12所示，當沿與熱電轉換元件Ib的面垂直的方向(在圖12中由多個空心箭頭所示的方向)施加溫度梯度時，大的溫差被有效地施加到磁性膜2的部分，因為基片4b沿與平面垂直的方向具有相當大的熱傳導特性(具有較小的熱阻)。以此方式，對于沿與平面垂直的方向的溫度梯度來說，可以生成大的溫差電動勢。
[0127]另一方面，如圖13所示，當沿平面內的方向將溫度梯度施加到熱電轉換元件Ib時，基片4b的沿平面內的方向的熱傳導被狹縫17截止。因此，熱流不大可能沿基片4b的平面內的方向(見圖13所示的虛線箭頭)流動。因此，磁性膜2兩端之間的大的溫差被維持。以此方式，對于沿平面內的方向的溫度梯度來說，也可以生成大的溫差電動勢。
[0128]盡管一種布置細長直線切口的結構被用作狹縫17，但狹縫17的形狀不限制于此。例如，可以使用具有格子圖案或多孔的切口的結構。可以使用任何細節諸如圖案形狀，只要結構沿與平面垂直的方向和沿平面內的方向生成熱傳導各向異性。導熱系數小于基片4b的導熱系數的材料可以被嵌入到狹縫17中，以提高機械強度。
[0129]例如，給出印跡法作為形成狹縫17的方法。
[0130]具體地，在形成狹縫17前，根據需要基片4b被提前布置在容易通過加熱、超聲波照射、紫外線照射等處理的狀態中。通過倒轉如圖14所示的狹縫17獲得的具有凸出形狀的模板21壓靠基片4b，以形成如圖15所示的狹縫17。此后如圖16所示，將模板21從基片4b處移走，以制造具有各向異性的熱傳導特性的基片4b。
[0131]如上所述，根據第三實施例，熱電轉換元件Ib包括基片4b、磁性膜2和電極3、3a和3b，該磁性膜被設置在基片4b上，并且由可以沿預定方向磁化的多晶磁絕緣體材料制成，該電極被設置在磁性膜2上，并且由具有自旋軌道互作用的材料制成，并且熱電轉換元件Ib被構造為能夠將磁性膜2中沿與平面垂直的方向的溫度梯度作為電極3的表面中的電位差輸出，并且能夠將磁性膜2中沿平面內的方向的溫度梯度作為電極3a和3b的表面中的電位差輸出。
[0132]因此，提供了與第一實施例的效果相同的效果。
[0133]此外，根據第三實施例，在熱電轉換元件Ib中，基片4b至少在其一個表面中具有用于截止熱傳導的狹縫17，并且因此具有熱傳導各向異性。
[0134]因此，與第一實施例相比，能夠高效地熱電轉換。
[0135]接下來，參照圖17至圖21描述本發明的第四實施例。
[0136]第四實施例對應于第一實施例的變型，在該第四實施例中電極被設置在磁性膜2的兩個表面上。
[0137]在第四實施例中，具有和第一實施例的元件功能相同的元件由相同的附圖標記表示。因此，主要說明與第一實施例的不同之處。
[0138]如圖17所示，根據第四實施例的熱電轉換元件Ic包括設置在基片4和磁性膜2之間的電極33、33a和33b。
[0139]電極33、33a和33b具有分別與電極3、3a和3b的形狀對應的形狀，并且根據相對于平面的位置被設置，以與電極3、3a和3b對應。
[0140]具體地，電極33、33a和33b被形成在基片4上，以分別橫跨磁性膜2與電極3、3a和3b相對。
[0141]與電極3類似地，端子37和39可移動地形成在電極33的兩端上。類似地，端子37a和39a可移動地形成在電極33a的兩端，其中，端子37b和39b可移動地形成在電極33b的兩端。
[0142]此外，間隔件20被設置在電極33和33a之間和電極33和33b之間。
[0143]間隔件20用來以電和磁的方式將電極彼此隔離。例如，可以使用非磁性絕緣體，諸如SiO2。此外，如果使用聚烯烴(諸如聚乙烯或聚丙烯)或者聚酯(諸如PET或PEN)，可以通過印刷工藝形成間隔件20。
[0144]間隔件20是不直接涉及熱電轉換的部分，因此被期望盡可能地薄。
[0145]考慮到優化沿平面內的方向和與平面垂直的方向的熱電轉換，優選地，間隔件20沿垂直方向的熱傳導特性高于沿水平方向的熱傳導特性。具體地，更加優選地，間隔件沿垂直方向具有比磁性膜2高的導熱系數，且沿水平方向具有比磁性膜2低的導熱系數。
[0146]如上所述，電極可以不僅被設置在磁性膜2的一個表面上，還可以被設置在磁性膜2的兩個表面上。以此方式，與電極僅被設置在一個表面上的情況相比，可以更有效地從自旋流中獲取溫差電動勢。
[0147]例如，如圖18和19所示，當沿與熱電轉換元件Ic的元件表面垂直的方向施加溫度梯度時，在磁性膜2中沿與平面垂直的方向生成自旋流，并且自旋流流入到上電極3和下電極33內。此后，通過在電極3和33中生成的逆自旋霍爾效應，在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被轉換為電流。因此，端子7和9之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V11,而端子37和39之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V21。在電極3和33中，自旋流的流向相同，因此沿相同方向生成電動勢。
[0148]另一方面，當沿與如圖20和21所示的熱電轉換元件Ic的元件表面平行的方向(附圖中的前后方向)施加溫度梯度時，在磁性膜2中沿平面內的方向生成自旋流，并且自旋流主要流入到電極3a、33a、3b和33b內。通過電極3a、33a、3b和33b中的逆自旋霍爾效應，在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被轉換為電流。因此，端子7a和9a之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V12，端子7b和9b之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V13,端子37a和39a之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V22,并且端子37b和39b之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V23。
[0149]如上所述，根據第四實施例，熱電轉換元件Ic包括基片4、磁性膜2和電極3、3a和3b，該磁性膜被設置在基片4上，并且由可以沿預定方向磁化的多晶磁絕緣體材料制成，該電極被設置在磁性膜2上，并且由具有自旋軌道互作用的材料制成，并且熱電轉換元件Ic被構造為能夠將磁性膜2中沿與平面垂直的方向的溫度梯度作為電極3的表面中的電位差輸出，并且能夠將磁性膜2中沿平面內的方向的溫度梯度作為電極3a和3b的表面中的電位差輸出。
[0150]因此，提供了與第一實施例的效果相同的效果。
[0151]根據第四實施例，在熱電轉換元件Ic中，電極被設置在磁性膜2的兩個表面上。
[0152]因此，與第一實施例相比，可以更有效地從自旋流中獲取溫差電動勢。
[0153]接下來，參照圖22至圖26說明本發明的第五實施例。
[0154]第五實施例對應于第一實施例的變型，在該第五實施例中，電極49和51 (端電極)被另外設置在磁性膜2的右端和左端上。
[0155]在第五實施例中，具有和第一實施例的兀件功能相同的兀件由相同的附圖標記表示。因此，主要說明與第一實施例的不同之處。
[0156]如圖22所示，根據第五實施例的熱電轉換元件Id包括橫跨電極3在磁性膜2的左立而和右纟而上的電極51和49。纟而子49a和49b在電極49的兩纟而可移動地形成，其中2而子51a和51b在電極51的兩端可移動地形成。
[0157]電極51和49被設置使得其相對表面橫跨(在這種情況下垂直相交)電極3a和3b的相對表面。
[0158]在圖22中，端子50和52甚至在電極3的上端和下端上可移動地形成。
[0159]如上所述，設置在端部上的端電極的對數并非限制為一對，而也可以為兩對。以此方式，與在端部上僅設置了一對的情況相比，可以通過沿平面內的方向的溫度梯度高效地獲取溫差電動勢。
[0160]參照圖23至圖26描述當溫度梯度被施加到熱電轉換元件Id時具體操作的實例。
[0161]假設當通過沿y-χ平面內的方向執行熱電發電時，磁化方向被提前固定到_y向(在圖23和圖24中由空心箭頭A所示的方向)并且當通過沿x-z平面內的方向執行熱電發電時，磁化方向被提前固定到-X向(在圖25和圖26中由空心箭頭C所示的方向)。
[0162]首先，如圖23所示，在布置中當沿與元件表面垂直的方向(附圖中的z向)施加溫度梯度時，在磁性膜2中沿與平面垂直的方向生成的自旋流主要流向電極3，在該元件表面中磁化方向被固定到_y向。此后，通過電極3中的逆自旋霍爾效應，在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被轉換成電流。因此，端子7和9之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V11。
[0163]類似地，如圖24所示，當沿與元件表面平行的前后方向(附圖中的y向)施加溫度梯度時，在磁性膜2中沿平面內的方向生成的自旋流主要流向電極3a和3b。此后，通過電極3a和3b中的逆自旋霍爾效應，在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被轉換成電流。因此，端子7a和9a之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V12，其中端子7b和9b之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V13。磁性膜2界面處電極3a和3b之間的自旋流的流向不同，因此沿彼此反平行的方向生成溫差電動勢。
[0164]圖23示出了具有沿z向的溫度梯度的情況，且圖24示出了具有沿y向的溫度梯度的情況。然而，即使在沿z向的溫度梯度和沿I向的溫度梯度之間的中間情況下，換言之，即使對于y_z平面中的任何溫度梯度而言，可以從多個電極3、3a和3b中高效地獲取溫差電動勢。
[0165]接下來，如圖25所示，在布置中當沿與元件表面垂直的方向(附圖中的z向)施加溫度梯度時，在磁性膜2中沿與平面垂直的方向生成的自旋流主要流向電極3，在該元件表面中磁化方向被固定到-X向。此后，通過電極3中的逆自旋霍爾效應，在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被轉換成電流。因此，端子50和52之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V11。
[0166]另一方面，如圖26所示，當沿與元件表面平行的左右方向(附圖中的X向)施加溫度梯度時，在磁性膜2中沿平面內的方向生成的自旋流主要流向電極49和51。此后，通過電極49和51中的逆自旋霍爾效應，在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被轉換成電流。因此，端子51a和51b之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V14，其中端子49a和49b之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V15。磁性膜2界面處電極49和51之間的自旋流的流向不同，因此沿彼此反平行的方向生成溫差電動勢。
[0167]圖25示出了具有沿z向的溫度梯度的情況。圖26示出了具有沿X向的溫度梯度的情況。然而，即使在沿z向的溫度梯度和沿I向的溫度梯度之間的中間情況下，換言之，即使對于x-z平面中的任何溫度梯度而言，可以從多個電極3、49和51中高效地獲取溫差電動勢。
[0168]當磁化方向被固定到_y向或-X向時，已參照圖23至圖26描述了發電操作。此外，在-y向和-X向之間的中間情況下,換言之,在磁化方向被固定到相對于χ-y平面成45°角的方向時，對于沿三種方向即X向、y向和z向中的任何一個的溫度梯度能夠熱電轉換。
[0169]如上所述，根據溫度梯度待施加的方向提前通過外部磁場等優化磁化方向，使得由多個電極生成的溫差電動勢總量變得最大化，對于任何溫度梯度來說均能夠高效地熱電轉換。此外，如果具有矯頑力的磁性材料被用作磁性膜2，可以提供根據使用目的優化初始化的熱電轉換元件，因為磁化方向一旦被外部磁場等初始化后，熱電轉換元件甚至可以在零磁場中被操作。
[0170]如上所述，根據第五實施例，熱電轉換元件Id包括基片4、磁性膜2和電極3、3a和3b，該磁性膜被設置在基片4上，并且由可以沿預定方向磁化的多晶磁絕緣體材料制成，該電極被設置在磁性膜2上，并且由具有自旋軌道互作用的材料制成，并且熱電轉換元件Id被構造為能夠將磁性膜2中沿與平面垂直的方向的溫度梯度作為電極3的表面中的電位差輸出，并且能夠將磁性膜2中沿平面內的方向的溫度梯度作為電極3a和3b的表面中的電位差輸出。
[0171]因此，提供了與第一實施例的效果相同的效果。
[0172]根據第五實施例，熱電轉換元件Id包括在磁性膜2的左端和右端上的電極49和51。
[0173]因此，與第一實施例相比，可以更有效地從自旋流中獲取溫差電動勢。
[0174]接下來，參照圖27至圖34描述本發明的第六實施例。
[0175]第六實施例對應于第一實施例的變型,在該第六實施例中設置了多個條狀電極，并且電極根據溫度梯度的方向被連接，以獲得溫差電動勢。
[0176]在第六實施例中，具有和第一實施例的兀件功能相同的兀件由相同的附圖標記表示。因此，主要說明與第一實施例的不同之處。
[0177]首先，參照圖27描述根據第六實施例的熱電轉換元件Ie的結構。
[0178]如圖27所示，熱電轉換元件Ie包括條狀電極61a、61b、61c、61d和61e，該條狀電極61a、61b、61c、61d和61e在與磁性膜2的磁化方向A垂直的方向上具有縱向方向，并且被布置為使得彼此平行。
[0179]端子63a和65a沿縱向方向可移動地形成在電極61a的兩端上,端子63b和65b沿縱向方向可移動地形成在電極61b的兩端上，端子63c和65c沿縱向方向可移動地形成在電極61c的兩端上。
[0180]此外,端子63d和65d沿縱向方向可移動地形成在電極61d的兩端上,端子63e和65e沿縱向方向被可移動地形成在電極61e的兩端上。
[0181]接下來，參照圖28至圖31描述當溫度梯度被施加到熱電轉換元件Ie時的具體實例。
[0182]首先，如圖28所示，當沿與熱電轉換元件Ie的元件表面垂直的方向(與平面垂直的方向)施加溫度梯度時，在磁性膜2中沿與平面垂直的方向生成的自旋流主要流向電極61a、61b、61c、61d和61e。通過在每個電極中生成的逆自旋霍爾效應,生成自旋流，并且然后在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被轉換為電流，以被獲取為溫差電動勢。
[0183]另一方面，如圖29所示，當沿與熱電轉換元件Ie的元件表面平行的方向(附圖中的前后方向)施加溫度梯度時，在磁性膜2中沿平面內的方向生成的自旋流流向電極6la、61b、61d和61e。此后，通過電極內生成的逆自旋霍爾效應，在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被轉換為電流(電動勢)，以被獲取為溫差電動勢。然而在這種情況下，在磁性膜2中沿附圖中的前后方向生成自旋流。因此，在電極中的每個電極和被設置在磁性膜2的前側的電極61a和61b中的磁性膜2之間的界面處的自旋流的方向(自旋流的符號)變得與被設置在磁性膜2的后側的電極61d和61e中的相反(具有相反的符號)。因此，在電極61a和61b中生成的溫差電動勢的方向變得與在電極61d和61e中生成的溫差電動勢相反(具有相反的符號)。
[0184]此外，當通過電串聯在多個電極中生成的溫差電動勢時，總體上可以獲得大的輸出電壓。例如，圖30和圖31中的每幅圖均示出了其中電極通過連接線64被彼此連接的結構。圖30示出了當施加沿與平面垂直的溫度梯度時具有連接線64的最優連接結構，圖31示出了當施加沿平面內的方向的溫度梯度時具有連接線64的最優連接結構。
[0185]如圖30和圖31所示，用于有效地添加溫差電動勢的電極的連接方法在使用沿與平面垂直的方向的溫度梯度的情況和使用沿平面內的方向的溫度梯度的情況之間有所不同。因此，期望通過連接線64的電極串聯的方法可以根據溫度梯度的方向重新構造。
[0186]通過上述構造，和第一實施例的情況一樣，通過沿與平面垂直的方向的溫度梯度和沿平面內的方向的溫度梯度實現了熱電發電功能。
[0187]已說明了為什么電極61a、61b、61c、61d和61e被形成為具有如圖27所示的條狀形狀的原因。
[0188]如上所述，為了高效地熱電發電，期望熱電轉換元件具有小的熱傳導(短的熱傳導路徑)的元件結構，以便維持溫差用于連續發電。另一方面，為了通過沿與平面垂直的方向的溫度梯度獲得較大的電能，電極的面積期望大于在第一實施例的情況下的電極3的面積。然而，在其中電極3具有較大面積的結構中執行平面內熱電發電的情況下，該電極3與在第一實施例的情況下相同地被布置，具體地，當電極3具有大的膜厚度和導熱系數時，大的熱流流到電極3的平面內，導致沿平面內的方向的熱傳導作為整個元件增加(生成長的熱傳導路徑)。在這種情況下，存在對于沿平面內的方向的溫度梯度的熱電發電效率變得比通過用沿與平面垂直的方向的溫度梯度獲得的熱電發電效率低的可能性。
[0189]在另一方面，在圖27所示的熱電轉換元件Id中，多個條狀電極被布置使得彼此被隔開。因此，在電極部中沒有生成長的熱傳導路徑。因此，上述問題被解決。
[0190]此外，通過連接如圖30和圖31所示的多個電極，獲得了和當電極的面積被有效地增加時獲得的效果一樣的效果。具體地，平面內的熱傳導可以被減少，而同時可以通過沿與平面垂直的方向的溫度梯度獲得大的電能。
[0191]優選地，電極的數目是偶數。這是因為，如果電極的數目是奇數的話，當施加沿平面內的方向的溫度梯度時，不能從布置在中心的電極中(圖27所示的情況下的電極6Ic)獲得電能。
[0192]此外，圖27示出了其中五個電極被平行地布置的結構。然而，電極的數目可以是至少兩個。因此，期望通過一種結構獲得相同的效果，即使該結構僅包括如圖32所示的熱電轉換元件If中的兩個電極(電極3a和3b)。
[0193]換言之，如圖33所示，當沿與熱電轉換元件If的元件表面垂直的方向施加溫度梯度時，在磁性膜2中沿與平面垂直的方向生成的自旋流流向電極3a和3b。通過在每個電極中生成的逆自旋霍爾效應，生成自旋流，并且然后在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被轉換成電流(電動勢)。因此，端子7a和9a之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V9，其中，端子7b和9b之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢Vltl。
[0194]此外，如圖34所示，當沿與熱電轉換元件If的元件表面平行的方向(附圖中的前后方向)施加溫度梯度時，在磁性膜2中沿平面內的方向生成的自旋流流向電極3a和3b。此后，通過在電極3a和3b內生成的逆自旋霍爾效應，在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被轉換為電流(電動勢)。因此，在端子7a和9a之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V9，其中，在端子7b和9b之間的電位差可以被獲取為溫差電動勢V1(l。然而在這種情況下，在磁性膜2中沿附圖中的前后方向生成自旋流。因此，在電極中的每個電極和被設置在磁性膜2的前側的電極3a中的磁性膜2之間的界面處的自旋流的方向(自旋流的符號)變得與被設置在磁性膜2的后側的電極3b中的相反(具有相反的符號)。
[0195]如上所述，根據第六實施例，熱電轉換元件Ie包括基片4、磁性膜2和電極61a、61b、61c、61d和61e，該磁性膜被設置在基片4上，并且由可以沿預定方向磁化的多晶磁絕緣體材料制成，該電極被設置在磁性膜2上，并且由具有自旋軌道互作用的材料制成，并且熱電轉換元件Ie被構造為能夠將磁性膜2中沿與平面垂直的方向的溫度梯度作為電極6la、6lb、61c、6Id和6Ie的表面中的電位差輸出，并且能夠將磁性膜2中沿平面內的方向的溫度梯度作為電極61a、61b、61c、61d和61e的表面中的電位差輸出。
[0196]因此，提供了和第一實施例的效果相同的效果。
[0197]此外，根據第六實施例，熱電轉換元件Ie包括條狀電極61a、61b、61c、61d和61e，該電極在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上具有縱向方向，并且被彼此平行地布置。
[0198]因此，與第一實施例相比，平面內的熱傳導被減少，而同時通過沿與平面垂直的方向的溫度梯度獲得了大的電能。因此，對于任何沿與平面垂直的方向的溫度梯度和沿平面內的方向的溫度梯度來說，可以高效地熱電轉換。
[0199]接下來，參照圖35至圖37說明本發明的第七實施例。
[0200]第七實施例對應于第六實施例的變型,在該第七實施例中磁性膜2和電極3是層壓的。
[0201]在第七實施例中，具有和第六實施例的元件功能相同的元件由相同的附圖標記表示。因此，主要說明與第六實施例的不同之處。
[0202]如圖35所示，根據第七實施例的熱電轉換元件Ig具有其中磁性膜2和電極3交替地層壓的結構。間隔件20被設置在每個磁性膜2的下表面和每個電極3的上表面之間。
[0203]當溫度梯度被施加到上述磁性物質時，通過自旋塞貝克效應沿溫度梯度的方向引起自旋流。
[0204]在熱電轉換元件Ig中，分別通過多個層壓磁性膜2中的溫度梯度生成自旋流。在該實施例中，為了將自旋流獲取為電動勢，將多個電極3分別布置在多個磁性膜2上使得彼此平行。通過電極，磁性物質中的沿任何方向的自旋流可以被獲取為電動勢。
[0205]參照圖36至圖37描述當將溫度梯度施加到熱電轉換元件If時具體的操作實例。
[0206]首先，如圖36所示，當沿與熱電轉換元件Ig的元件表面垂直的方向(與平面垂直的方向)施加溫度梯度時，在每個磁性膜2中沿與平面垂直的方向生成的自旋流流向每個鄰近的電極3。通過在每個電極3中生成的逆自旋霍爾效應，在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被轉換為電流，以被獲取為溫差電動勢V。
[0207]另一方面，如圖37所示，當沿與熱電轉換元件Ig的元件表面平行的方向(平面內的方向)施加溫度梯度時，在每個磁性膜2中沿平面內的方向生成自旋流，并且然后自旋流流向每個鄰近的電極3。通過在每個電極3中生成的逆自旋霍爾效應，在與磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被轉換為電流(電動勢)，以被獲取為溫差電動勢V。
[0208]如上所述，熱電轉換元件可以被構造為具有層壓結構。可以分別通過多個層壓電極3獲取溫差電動勢。以此方式，對于任何沿與平面垂直的方向和平面內的方向的溫度梯度來說，整體上可以實現具有大的發電效率的熱電轉換元件。
[0209]如上所述，根據第七實施例，熱電轉換元件Ig包括:基片4、磁性膜2和電極3，該磁性膜被設置在基片4上，并且由可以沿預定方向磁化的多晶磁絕緣體材料制成，該電極被設置在磁性膜2上，并且由具有自旋軌道互作用的材料制成，并且熱電轉換元件Ig被構造為能夠將磁性膜2中沿與平面垂直的方向的溫度梯度作為電極3的表面中的電位差輸出，并且能夠將磁性膜2中沿平面內的方向的溫度梯度作為電極3的表面中的電位差輸出。
[0210]因此，提供了與第一實施例的效果相同的效果。
[0211]此外，根據第七實施例，熱電轉換元件Ig具有其中磁性膜2和電極3被交替層壓的結構。
[0212]因此，與具有單層的情況相比，可以獲得較大的溫差電動勢。
[0213]接下來，參照圖38描述本發明的第八實施例。
[0214]第八實施例對應于第一實施例的變型，在該第八實施例中僅設置了一個端電極。
[0215]在第八實施例中，具有和第一實施例的元件功能相同的元件由相同的附圖標記表示。因此，主要說明與第一實施例的不同之處。
[0216]如圖38所示，根據第八實施例的熱電轉換元件Ih僅包括一個端電極(電極3a)。
[0217]如上所述，端電極不一定需要成對設置，并且可以僅在磁性膜2的一端上設置。
[0218]如上所述，根據第八實施例，熱電轉換元件Ih包括基片4、磁性膜2和電極3和3a，該磁性膜被設置在基片4上，并且由可以沿預定方向磁化的多晶磁絕緣體材料制成，該電極被設置在磁性膜2上，并且由具有自旋軌道互作用的材料制成，并且熱電轉換元件Ih被構造為能夠將磁性膜2中沿與平面垂直的方向的溫度梯度作為電極3的表面中的電位差輸出，并且能夠將磁性膜2中沿平面內的方向的溫度梯度作為電極3a和3b的表面中的電位差輸出。
[0219]因此，提供了與第一實施例的效果相同的效果。
[0220]接下來，參照圖39描述本發明的第九實施例。
[0221]第九實施例對應于第一實施例的變型，在該第九實施例中電極3a和3b被集成到一個本體內。
[0222]在第九實施例中，具有和第一實施例的元件功能相同的元件由相同的附圖標記表示。因此，主要說明與第一實施例的不同之處。
[0223]如圖39所述，在根據第九實施例的熱電轉換元件Ii中，電極3a和3b通過連接部3c被連接以構造為集成的U形形狀的端電極。
[0224]如上所述，端電極不一定需要成對設置并且彼此隔開，而也可以彼此連接。
[0225]如上所述，根據第九實施例，熱電轉換元件Ii包括基片4、磁性膜2和電極3、3a和3b，該磁性膜被設置在基片4上，并且由可以沿預定方向磁化的多晶磁絕緣體材料制成，該電極被設置在磁性膜2上，并且由具有自旋軌道互作用的材料制成，并且熱電轉換元件Ii被構造為能夠將磁性膜2中沿與平面垂直的方向的溫度梯度作為電極3的表面中的電位差輸出，并且能夠將磁性膜2中沿平面內的方向的溫度梯度作為電極3a和3b的表面中的電位差輸出。
[0226]因此，提供了與第一實施例的效果相同的效果。
[0227]< 實例 >
[0228]在下文中，基于實例進一步地描述本發明。
[0229][實例I][0230]制造了根據第一實施例的熱電轉換元件I。具體步驟如下:
[0231]首先，關于基片4，使用由Saint-Gobain K.K制造的鎵釓鎵石榴石(在下文中被稱為“GGG”;其成分是Gd3Ga5O12)基片的平面(111)。關于磁性膜2，使用Y位部分地被Bi代替的釔鐵石榴石膜(其成分是BiY2Fe5O12 ;在下文中被稱為“B1:YIG”)。關于電極3、3a和3b，使用Pt。在這種情況下，GGG基片的厚度被設置為0.7mm，B1:YIG膜的厚度被設置為0.3mm,以及Pt電極的厚度被設置為10nm。
[0232]通過氣溶膠沉積法形成B1: YIG磁性膜2。關于B1: YIG的原料，使用具有直徑為300nm的B1: YIG細顆粒。B1: YIG細顆粒被儲存在氣溶膠發生器容器中，并且GGG基片被固定到設在膜形成腔中的固定器。在該狀態下，通過在膜形成腔和氣溶膠發生器容器之間生成壓差，BiAIG細顆粒被吸入到膜形成腔內，并且通過噴嘴被噴射到GGG基片上。此時，通過在基片處生成的碰撞能量，細顆粒被壓碎并且重新結合以在基片上形成YIG多晶體。基片載物臺被二維掃描，以在基片上形成膜厚度為0.3mm的均勻的Bi = YIG磁性膜2。
[0233]此外，在如此形成的B1: YIG磁性膜2的表面被拋光后，通過照相平印術和濺射法在B1: YIG磁性膜上形成Pt電極3、3a和3b，以完成熱電轉換元件I。
[0234][實例2]
[0235]制造了根據第二實施例的熱電轉換元件la。具體步驟如下:
[0236]關于基片4a，使用包含碳素纖維的熱傳導各向異性基片，該碳素纖維在作為填料的環氧樹脂內取向。該碳素纖維相對于基片沿與平面垂直的方向取向，并且在該方向上具有大的導熱系數。
[0237]關于磁性膜2，使用Y位部分地被Bi代替的釔鐵石榴石膜(BiY2Fe5O12X關于電極
3、3a和3b，使用Pt。在這種情況下，基片4a的厚度被設置為0.3mm，B1: YIG膜的厚度被設置為0.1mm,以及Pt電極的厚度被設置為10nm。
[0238]通過氣溶膠沉積法形成B1: YIG磁性膜2。關于B1: YIG的原料，使用具有直徑為300nm的B1: YIG細顆粒。B1: YIG細顆粒被儲存在氣溶膠發生器容器中，并且基片被固定到設在膜形成腔中的固定器。在該狀態下，通過在膜形成腔和氣溶膠發生器容器之間生成壓差，BiAIG細顆粒被吸入到膜形成腔內，并且通過噴嘴被噴射到基片上。此時，通過在基片處生成的碰撞能量，細顆粒被壓碎并且重新結合以在基片上形成YIG多晶體。基片載物臺被二維掃描，以在基片上形成膜厚度為0.1mm的均勻的B1:YIG磁性膜2。
[0239]此外，在如此形成的B1: YIG磁性膜2的表面被拋光后，通過照相平印術和濺射法在B1: YIG磁性膜上形成Pt電極3、3a和3b，以完成熱電轉換元件la。
[0240][實例3]
[0241]制造了根據第三實施例的熱電轉換元件lb。具體步驟如下:
[0242]關于具有各向異性的熱傳導特性的基片4b，使用厚度為0.3mm的聚酰亞胺基片，該聚酰亞胺基片具有在其上形成切口的后表面，每個切口具有0.1mm的寬度和0.2mm的深度。
[0243]關于磁性膜2，使用B1:YIG膜。關于電極3、3a和3b，使用Pt。在這種情況下，B1:YIG膜的厚度被設置為0.1mm,以及Pt電極的厚度被設置為10nm。
[0244]通過氣溶膠沉積法形成B1: YIG磁性膜2。關于B1: YIG的原料，使用具有直徑為300nm的Bi = YIG細顆粒。Bi = YIG細顆粒被儲存在氣溶膠發生器容器中，并且基片4b被固定到設在膜形成腔中的固定器。在該狀態下，通過在膜形成腔和氣溶膠發生器容器之間生成壓差，B1:YIG細顆粒被吸入到膜形成腔內，并且通過噴嘴被噴射到基片4b上。此時，通過在基片處生成的碰撞能量，細顆粒被壓碎并且重新結合以在基片4b上形成YIG多晶體。基片載物臺被二維掃描，以在基片4b上形成膜厚度為0.1mm的均勻的B1:YIG磁性膜2。
[0245]此外，在如此形成的B1: YIG磁性膜2的表面被拋光后，通過照相平印術和濺射法在B1:YIG磁性膜上形成Pt電極3、3a和3b。
[0246]最終，通過印跡法加工基片4b的后表面，該印跡法使用模板21用于形成如圖14所示的切口。在這種情況下，基片被提前加熱。然后，模板21被壓靠基片以形成切口 7。最后，基片4b被冷卻，以制造具有各向異性的熱傳導特性的基片4b。
[0247]通過上述步驟，完成了熱電轉換元件lb。
[0248]工業實用性:
[0249]給出了將電能輸送到端子、傳感器等的電源作為使用本發明的實例。
[0250]在上述的實施例中，已描述了熱電轉換元件被用于從溫度梯度中獲取電流或電壓的熱電發電的情況。然而，本發明并不局限于此。例如，熱電轉換元件也可以被用作用于檢測溫度(通過在附近設置各向異性膜等)、紅外線等的熱傳感器。與上述的使用方法相比，被用作玻爾貼裝置(Peltier device)在原理上是可能的,該裝置用于通過電流從外部通過電極生成溫度梯度。
[0251]本申請要求于2011年5月23日提交的日本專利申請JP2011-114301的優先權，通過引用將其全部公開內容并入本文。
[0252]附圖標記列表
[0253]
【權利要求】
1.一種熱電轉換元件，包括: 磁性膜，所述磁性膜被設置在基片上，并且由磁性物質構成，所述磁性物質能夠沿預定方向被磁化，具有與膜表面平行的分量；和 多個電極，所述多個電極被設置到所述磁性膜，并且由具有自旋軌道互作用的材料構成，所述多個電極沿所述預定方向被布置， 其中，所述熱電轉換元件被構造為能夠將與所述磁性膜的表面垂直的溫度梯度作為多個電極的表面中的任何表面中的電位差輸出，并且能夠將與所述磁性膜的表面平行的溫度梯度作為多個電極的表面中的任何表面中的電位差輸出。
2.根據權利要求1所述的熱電轉換元件，其中，所述熱電轉換元件被構造為使得當所述溫度梯度被施加到所述磁性膜時，生成從所述磁性膜流向所述多個電極的自旋流，并且通過在所述多個電極中的逆自旋霍爾效應在與所述預定方向垂直的方向上生成電流。
3.根據權利要求2所述的熱電轉換元件，還包括溫差電動勢輸出裝置，所述溫差電動勢輸出裝置被設置在所述多個電極中的每個電極的兩點處，以將由所述電流生成的溫差電動勢作為在所述多個電極中的每個電極上的兩點之間的電位差輸出。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的熱電轉換元件，還包括溫度梯度施加裝置，所述溫度梯度施加裝置用于將所述溫度梯度施加到所述磁性膜。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的熱電轉換元件，其中: 所述多個電極包括: 端電極，所述端電極被設置在所述磁性膜的端部，所述端電極能夠將與所述磁性膜的表面平行的溫度梯度作為電位·差輸出；和 中心電極，所述中心電極能夠將與所述磁性膜的表面垂直的溫度梯度作為電位差輸出；并且 所述中心電極在平面上具有的面積大于所述端電極的面積。
6.根據權利要求5所述的熱電轉換元件，其中，所述端電極被設置為一對或更多對。
7.根據權利要求1至6中的任一項所述的熱電轉換元件，其中，所述電極和所述基片中的至少一個在與其表面垂直的方向上具有比在與所述表面平行的方向上的導熱系數大的導熱系數。
8.根據權利要求7所述的熱電轉換元件，其中，所述基片包括填料，所述填料具有熱傳導各向異性。
9.根據權利要求7所述的熱電轉換元件，其中，所述基片包括狹縫，所述狹縫被設置以便橫跨所述磁性物質的所述預定方向，所述狹縫被設置用以截止沿與所述預定方向平行的方向的熱傳導。
10.根據權利要求1至9中的任一項所述的熱電轉換元件，其中，所述多個電極被設置在所述磁性膜的兩個表面上以便彼此相對。
11.根據權利要求1至10中的任一項所述的熱電轉換元件，其中: 所述多個電極包括條狀電極，所述條狀電極在與所述預定方向垂直的方向上具有縱向方向；并且 所述條狀電極被設置為彼此平行。
12.根據權利要求11所述的熱電轉換元件，其中，所述多個電極被彼此串聯。
13.根據權利要求12所述的熱電轉換元件，其中，所述多個電極被構造為能夠根據所述溫度梯度的方向進行連接，使得添加的溫差電動勢的總量變得最大。
14.根據權利要求1至13中的任一項所述的熱電轉換元件，其中，多個磁性膜和所述電極被層壓。
15.根據權利要求1至14中的任一項所述的熱電轉換元件，其中，所述磁性膜具有矯頑力。
16.—種熱電轉換方法,包括: 將溫度梯度施加到根據權利要求1至15中的任一項所述的熱電轉換元件的所述磁性膜，以生成從所述磁性膜流向所述多個電極的自旋流；和 通過在所述多個電極中生成的逆自旋霍爾效應，在與所述預定方向垂直的方向上生成電流。
【文檔編號】H01L37/00GK103718302SQ201280021590
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年5月22日 優先權日:2011年5月23日
【發明者】桐原明宏, 中村泰信, 萬伸一, 內田健一, 齊藤英治 申請人:日本電氣株式會社, 國立大學法人東北大學