2020年 | プレスリリース?研究成果
コバルトと酸化マグネシウムからなるグラニュラー材料で熱電変換効率が変化 熱電変換デバイスの高効率化実現へ道筋
【発表のポイント】
- コバルト薄膜に酸化マグネシウムの粒子を分散させただけで、热电変换効率の大幅な増加が可能になることを新発见した。
- 本研究により身のまわりにあふれた元素の组み合わせを用いた同じグラニュラー构造で同様の特性を持つ材料が作れることが示唆された。
- 磁石を用いた热电変换デバイスの开発に応用することで、热电変换効率を自在にかつ効率よく制御することが可能になる。
【概要】
东北大学金属材料研究所水口将辉准教授研究グループは、高知工科大学藤田武志教授らグループとの共同研究によって、颁辞x(MgO)1-xグラニュラー薄膜(注1)において、磁场中の热电変换効果の一つである「异常ネルンスト効果」(注2)と呼ばれる热磁気効果(注3)の大きさが、惭驳翱の组成量に応じて大きく変化することを発见しました。
本研究で热电変换素子への応用に用いた异常ネルンスト効果は、古くから知られた现象ですが、変换効率が低いことから発电への応用などにはあまり活用されてきませんでした。热流の方向と电力を取り出すための电极の方向が垂直関係にある异常ネルンスト効果は电力の取り出しが热勾配に影响されないことから、理想的な热电変换技术といえるため、风力や太阳光など身の回りのエネルギーを利用する环境発电(注4)の分野などで注目を集めています。熱磁気効果をもつ磁性体を効率的に発電に利用するためには、材料に内在するナノ構造を制御することにより、その変換効率を向上する技術が必要であることが提案されていますが、その開発はあまり進んでいませんでした。そこで研究グループは、コバルト (Co) 薄膜に絶縁体である酸化マグネシウム (MgO) のナノメートルサイズの微粒子を分散させたグラニュラー薄膜材料に着目しました。研究グループでは、MgOの添加量を様々に変えて高品位なグラニュラー薄膜を作製し、熱から電圧への変換効率がMgOの添加量に依存して大きく増加することを発見しました。
今回作製したグラニュラー薄膜材料を用いれば、例えば絶縁体の添加量を适切に选択するだけで、热电効率を自由に制御することができます。これにより、発电素子を设计する际、材料选択による自由度が生まれ、より効率的な热电素子の开発、环境発电技术への幅広い応用が想定されます。また、これまであまり热电変换素子(注5)などに活用されてこなかったグラニュラー薄膜ですが、その材料选択性の大きさや、材料作製の容易さから、新しい研究対象の材料としても期待されます。
図 1 Cox(MgO)1-xグラニュラー薄膜の异常ネルンスト効果の测定方法
Cox(MgO)1-xグラニュラー薄膜を作製しました。この薄膜面内方向に熱勾配を加えて、熱勾配と磁場の双方に垂直な方向の電圧 (異常ネルンスト電圧) を測定しました。
【用语解説】
注1 グラニュラー薄膜
母相（マトリックス）材料の中にナノメートルサイズの微小な粒子が多数分散した构造を有する薄膜についての総称。特异な电気伝导现象が生じることが多い薄膜です。
注2 異常ネルンスト効果
磁化した磁性体に热流を流した际、磁化の向きと热流の向きの外积方向に电圧を生じる现象。电圧の向きと大きさは磁性体の材料ごとに异なり、材料が持つ异常ネルンスト係数の符号と大きさによって决まります。
注3 熱磁気効果
金属や半导体に温度勾配による热流があるとき、外部から磁场をかけると电位差や温度差が生じる现象。热流磁気効果と呼ばれることもあります。
注4 環境発電
照明や振动、廃热、体温、电磁波等の身の回りのエネルギーを利用して电力に変换する発电方法。エネルギーハーベスティングとも呼ばれ、近年、环境意识の高まりと省电力デバイスの普及により、これまで利用されていなかった环境中のエネルギーを利用することが注目されています。
注5 熱電変換素子
ゼーベック効果、ペルティエ効果、トムソン効果などの、热と电気を関係づける现象を利用した素子の総称。例えば、2种类の异なる金属または半导体を接合して、両端に温度差を生じさせると起电力が生じるゼーベック効果は、热エネルギーを电気エネルギーに変换する现象であり、ゼーベック素子に応用されています。
※2页目の下から2行目を以下のとおり订正いたしました。（2020年5月1日）
＜订正前＞
本研究成果は、米国物理学绍介が刊行する
＜订正后＞
本研究成果は、米国物理学协会が刊行する
问い合わせ先
（研究内容に関して）
东北大学金属材料研究所
先端エネルギー材料理工共创研究センター
水口 将輝
罢贰尝：022-215-2377
贰尘补颈濒：尘颈锄耻驳耻肠丑颈*颈尘谤.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）
（报道に関して）
东北大学金属材料研究所
情报企画室広报班
罢贰尝：022-215-2144
贵础齿：022-215-2482
贰尘补颈濒：辫谤辞-补诲尘*颈尘谤.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）