[发明专利]热电转换元件、热电转换元件的制造方法及热电转换方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用磁性体的热电转换元件、热电转换元件的制造方法及热电转换方法。

背景技术

近年来，针对面向可持续型社会的环境及能源问题的研究比较活跃，其中对热电转换元件的期待也比较高。

这是因为热量是能够从体温、太阳能、引擎、工业排热等各种介质得到的最普通的能源。

因此，在低碳社会中的能源利用的高效率化或对泛在终端/传感器等的供电这些用途中，预计热电转换元件今后将会日益重要。

关于热电转换元件的构造，现有的大型热电转换元件通常是将Bi₂Te₃等热电半导体的烧结体进行加工/接合来装配热电偶模块构造，但是最近通过溅射等在基板上成膜热电半导体薄膜来制作模块的薄膜型热电元件的研发也得到推进，并受到关注。

关于这种薄膜型热电转换元件的优点可以列举如下：

（1）小型轻量，

（2）能够通过溅射或涂敷/印刷等实现大面积一并成膜，生产性高，

（3）通过使用低价的基板，能够实现低成本，

（4）通过使用柔软性良好的基板，能够实现挠性的热电转换元件，等等。

在此，薄膜型热电转换元件过去一直是通过涂敷或印刷而制造的。例如，在专利文献1中，将粉末化的Bi₂Te₃与接合剂进行混合并使其膏状化，将该膏状化的物质通过丝网印刷法等涂敷在基板上，从而形成热电元件图案。另外，在专利文献2中，利用注射法对包含热电半导体材料、电极材料的油墨进行图案印刷来形成热电元件。另外，在专利文献3中，使用有机半导体作为热电材料，利用印刷工艺形成热电元件。

但是，上述薄膜型热电元件由于是薄膜型，因而存在薄膜表面/背面之间的温度差形成及保持困难的问题。即，在许多发电用途中，在与具有热电材料的薄膜面垂直的方向上形成温度差（温度梯度）来进行热电转换，但是热电半导体薄膜的膜厚越薄，隔热性（热阻挡）越不足，因而难以保持热电半导体薄膜的表面和背面之间的温度差，导致温度差几乎没有产生在热电半导体薄膜的表面和背面，而是产生于基板的表面和背面之间，因而不能进行有效的发电。

为了提高这种隔热特性，可以考虑如下的任意一种方法：（1）使热电半导体膜的膜厚变厚（例如设为数十μm以上），（2）减小热电半导体的导热率。

但是，在方法（1）中，膜厚越厚，越难利用涂敷/印刷工艺等进行热电偶构造的图案制作，生产性恶化，因而产生高转换效率化与低成本生产性之间的取舍问题。

另外，在方法（2）中，存在导热率越小的材料、导电率也越小的趋势，因而若考虑到在现有的热电发电中需要导电率较高的热电材料，则依旧产生电导率与导热率之间的取舍问题，因而导热率的降低是有界限的。

另一方面，近年来在对磁性材料形成温度梯度时，发现产生电子自旋的流动的自旋塞贝克效应。

在专利文献4、非专利文献1和2中公开了基于自旋塞贝克效应的热电转换元件，披露了借助逆自旋霍尔效应来取出借助自旋塞贝克效应而产生的角动量的流动（自旋流）作为电流（电动势）的构造。

例如，在专利文献4中记载的热电转换元件由利用溅射法成膜的强磁性金属膜和金属电极构成。根据这种结构，如果形成与强磁性金属膜面平行的方向的温度梯度，则在沿着温度梯度的方向上借助自旋塞贝克效应而感应产生自旋流。这种感应得到的自旋流能够借助与强磁性金属接触的金属电极的逆自旋霍尔效应而作为电流被取出到外部。由此，能够实现从热量取出电力的温度差发电。

另外，在非专利文献1和2记载的热电转换元件中，利用磁性绝缘体和金属电极形成热电转换元件。

具体地讲，在非专利文献1中报告了与专利文献4相同的、基于与磁性绝缘体膜面平行的温度梯度（面内温度梯度）配置的热电转换。

另外，在非专利文献2中，根据与1mm厚的磁性绝缘体板面垂直的温度梯度（面垂直温度梯度）配置，对热电转换进行了验证。

如果利用这种自旋塞贝克效应，与使用热电偶模块构造的现有类型的热电转换元件不同，不需要复杂的热电偶构造，因而上述构造图案的相关问题得到解决，存在能够容易得到低成本而且大面积的薄膜热电转换元件的可能性。

另外，在利用了自旋塞贝克效应的热电转换元件中，能够独立地设计导电部分（电极）和导热部分（磁性体），因而从原理上讲能够实现电导率大（欧姆损耗小）、导热率小（能够保持表面与背面之间的温度差）的构造。