热电转换元件和热电转换方法技术

本发明专利技术提供了一种热电转换元件，该热电转换元件能够将沿平面内的方向的温度梯度和沿与平面垂直的方向的温度梯度同时转换为电能。该热电转换元件具有基片（4）、磁性膜（2）和电极(3、3a、3b)，该磁性膜被设置在基片（4）上并且由多晶磁性绝缘材料构成，多晶磁性绝缘材料具有与膜平面平行的分量并且能够沿预定方向被磁化，该电极被设置在磁性膜（2）上并且具有一种具有自旋轨道互作用的材料，其中，与磁性膜（2）的表面垂直的温度梯度能够作为电极中的一个电极的平面内的电位差被输出，并且与磁性膜（2）的表面平行的温度梯度能够作为电极之间的电位差被输出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术提供了一种热电转换元件，该热电转换元件能够将沿平面内的方向的温度梯度和沿与平面垂直的方向的温度梯度同时转换为电能。该热电转换元件具有基片（4）、磁性膜（2）和电极(3、3a、3b)，该磁性膜被设置在基片（4）上并且由多晶磁性绝缘材料构成，多晶磁性绝缘材料具有与膜平面平行的分量并且能够沿预定方向被磁化，该电极被设置在磁性膜（2）上并且具有一种具有自旋轨道互作用的材料，其中，与磁性膜（2）的表面垂直的温度梯度能够作为电极中的一个电极的平面内的电位差被输出，并且与磁性膜（2）的表面平行的温度梯度能够作为电极之间的电位差被输出。【专利说明】
本专利技术涉及一种利用磁性物质的热电转换元件和一种热电转换方法。
技术介绍
近年来，为了加强解决环境和能源问题以实现社会的可持续发展，对于热电转换元件的期望日益增加。这是因为热量是最常见的能源，能够从各种媒介诸如体热、阳光、发动机和工业余热中获得该能源。因此，对于在低碳社会中提高能源的使用效率以及对于预期使用诸如用于将电能输送到普遍存在的端子或传感器来说，预计在未来热电转换元件将越来越重要。为了通过热电转换发电，需要适当地利用由各种热源产生的温差(温度梯度)。常规地，通常使用沿与热源表面垂直的方向(与平面垂直的方向)的温度梯度。例如，当热电模块被结合到高温热源表面时，在与高温热源保持接触的高温侧和与之相对的低温测(气冷或水冷侧)之间生成温差。因此，能够发电。在未来，在不浪费的情况下，为了将围绕在我们周围的热量用于发电，有必要不仅高效地利用沿与所述平面垂直的方向的温度梯度，还高效地利用沿热源的平面内的方向的温度梯度。在实际中，在各种情况下在建筑物和IT装置中生成不均匀的平面内的温度分布。例如，在显示器的情况下，由于烟囱效应，显示器的上部具有的温度高于下部的温度。月艮务器等在某些部分也具有不均匀的热产生。因此，为了在不浪费的情况下尽可能多地利用周围的熟悉的热能，需要用于与平面垂直的方向和平面内的方向两者的热电转换元件，该热电转换元件可以在将沿平面内的方向的温度梯度转换为电能的同时，将沿与平面垂直的方向的温度梯度转换为电能。然而在基于热电偶的常规热电转换元件中，该热电偶包括一对具有不同的塞贝克系数(Seebeck coefficient)的两种热电材料，取决于热电偶所布置的方向而限制温度梯度的方向，沿该温度梯度的方向可以完成热电转换。具体地，仅沿与热电偶结构平行的方向的温度梯度被转换为温差电动势。可以被用以热电发电的温度梯度的方向被限制为一个方向。因此，基于热电偶的常规热电转换元件不能同时将沿与平面垂直的方向的温度梯度和沿热源的平面内的方向的温度梯度转换为电能。另一方面，近年来已发现一种被称作自旋塞贝克效应的新效应，该自旋塞贝克效应用于通过将温度梯度施加到磁性材料生成自旋角动量流。专利文献I和非专利文献I和2描述了一种基于自旋塞贝克效应的热电转换元件，并且公开了一种结构，该结构用于通过逆自旋霍尔效应将角动量流获取为电流(电动势)，该角动量流通过自旋塞贝克效应(自旋流)被生成(专利文献I和非专利文献I和2)。例如，在专利文献I中说明的热电转换元件包括通过溅射法形成的铁磁体膜和电极。当沿与铁磁体膜的表面平行的方向施加温度梯度时，由于自旋塞贝克效应沿温度梯度的方向引起自旋流。通过在保持与磁性物质接触的电极中生成的逆自旋霍尔效应，引发的自旋流可以在外面被获取为电流。因此，能够执行基于温差的发电，用于从热量中获取电倉泛。在非专利文献I和2中描述的热电转换元件中的每个热电转换元件均包括磁性物质和电极。非专利文献I通过一种布置描述了热电转换，在该布置中，和专利文献I的情况一样，采用了与磁性膜的表面平行的温度梯度(沿平面内的方向的温度梯度)。在非专利文献2中，通过一种布置验证了热电转换，在该布置中垂直的温度梯度(沿与平面垂直的方向的温度梯度)被施加到具有厚度为Imm的磁性膜的表面。通过布置一对两种类型的热电材料(热电偶)构造了常规热电转换元件。考虑到自旋塞贝克效应，上自旋通道和下自旋通道与一对不同的两个热电通道对应。具体地，考虑将热电偶的功能嵌入磁性基体材料中。因此，原理上，对于任何方向的温度梯度均可以生成自旋流。引用列表:专利文献:专利文献I JP 2009-130070 A非专利文献:非专利文献1:Uchida等人,“Spin Seebeck insulator，，, Nature Materials, 2010年，第九卷，第894页。非专利文献2:Uchida 等人，“Observation of longitudinal spin-Seebeckeffect in magnetic insulators，，, Applied Physics Letters, 2010年,第 97卷,第 172505页。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题利用如专利文献I和非专利文献I和2所述的自旋塞贝克效应的热电转换元件具有极好的结构，因为可以容易地以低成本实现大的面积，并且膜热电转换是可行的。然而，还没有实现一种热电转换元件，该热电转换元件可以将沿平面内的方向的温度梯度和沿与平面垂直的方向的温度梯度同时高效地转换为电能。对于所有在专利文献I和非专利文献I和2中公开的热电转换元件来说，为了将沿平面内的方向的温度梯度和沿与平面垂直的方向的温度梯度中的任何一种温度梯度转换为电能，唯一地选定磁性物质、基片、电极等的材料、形状、布置和热传导特性(例如，导热系数)。为了实现一种热电转换元件，该热电转换元件可以将沿平面内的方向的温度梯度和沿与平面垂直的方向的温度梯度同时高效地转换为电能，有必要具体地检查磁性物质、基片、电极等的材料、形状、布置和热传导特性以发现哪种元件结构有效，但是上述元件结构还没有被发现。本专利技术是为了解决上述问题而提出的，并且因此具有的目的是提供一种热电转换元件，该热电转换元件可以同时转换沿平面内的方向的温度梯度和沿与平面垂直的方向的温度梯度。解决问题的方法:为了实现上述目的，根据本专利技术的第一实施例，提供了 一种热电转换元件，该热电转换元件包括:磁性膜，该磁性膜被设置在基片上，并且由磁性物质构成，该磁性物质能够沿预定方向磁化，并具有与膜表面平行的分量；以及多个电极，该多个电极被设置到磁性膜，并且由具有自旋轨道互作用的材料制成，该多个电极沿预定方向布置。该多个电极被构造为能够将与磁性膜的表面垂直的温度梯度作为多个电极的表面中任何表面中的电位差输出，并且能够将与磁性膜的表面平行的温度梯度作为多个电极的表面中的任何表面中的电位差输出。根据本专利技术的第二实施例，提供了一种热电转换方法，该热电转换方法包括:将温度梯度施加到根据第一实施例的热电转换元件的磁性膜，以生成从磁性膜流向多个电极的自旋流；和通过在多个电极中生成的逆自旋霍尔效应，在与预定方向垂直的方向上生成电流。本专利技术的效果:根据本专利技术，可以提供一种热电转换元件，该热电转换元件能够同时将沿平面内的方向的温度梯度和沿与平面垂直的方向的温度梯度转换为电能。【专利附图】【附图说明】图1是示出了根据本专利技术的第一实施例的热电转换元件I的透视图。图2是示出了当温度梯度沿与平面垂直的方向被施加到热电转换元件I时生成的温差电动势的透视本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电转换元件，包括：磁性膜，所述磁性膜被设置在基片上，并且由磁性物质构成，所述磁性物质能够沿预定方向被磁化，具有与膜表面平行的分量；和多个电极，所述多个电极被设置到所述磁性膜，并且由具有自旋轨道互作用的材料构成，所述多个电极沿所述预定方向被布置，其中，所述热电转换元件被构造为能够将与所述磁性膜的表面垂直的温度梯度作为多个电极的表面中的任何表面中的电位差输出，并且能够将与所述磁性膜的表面平行的温度梯度作为多个电极的表面中的任何表面中的电位差输出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：桐原明宏，中村泰信，万伸一，内田健一，齐藤英治，
申请(专利权)人：日本电气株式会社， 国立大学法人东北大学，
类型：发明
国别省市：日本;JP