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公開番号2024123849
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-09-12
出願番号2023031599
出願日2023-03-02
発明の名称異常ネルンスト効果素子及びその製造方法、並びに熱電変換デバイス
出願人三菱ケミカル株式会社,国立大学法人東京大学
代理人個人,個人,個人
主分類H10N 15/20 20230101AFI20240905BHJP()
要約【課題】従来とは異なる焼結条件及び焼結プログラムにより、従来よりも大きな異常ネルンスト効果を得ると共に、形状加工がし易く、より安価に製造することが可能な異常ネルンスト効果素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】異常ネルンスト効果素子1は、Co、Mn、Gaを含有した結晶粒を有する焼結体2を含み、結晶粒の平均粒径が8～30μmであることを特徴とする。焼結体2は、Co₂MnGaの結晶粒を含み、その結晶粒がホイスラー構造を持つ。焼結体2は、Co、Mn、Gaを含有する粉末又はその圧粉成形体を焼結して作製し、700～1075℃の焼結温度で放電プラズマ焼結法を用いて焼結する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
Ｃｏ、Ｍｎ、Ｇａを含有した結晶粒を有する焼結体を含み、
前記結晶粒の平均粒径が８～３０μｍであることを特徴とする異常ネルンスト効果素子。
続きを表示（約 470 文字）【請求項２】
前記焼結体は、Ｃｏ
２
ＭｎＧａの結晶粒を含むことを特徴とする請求項１に記載の異常ネルンスト効果素子。
【請求項３】
前記結晶粒がホイスラー構造を持つことを特徴とする請求項１に記載の異常ネルンスト効果素子。
【請求項４】
前記結晶粒の粒径の標準偏差が１～１０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の異常ネルンスト効果素子。
【請求項５】
Ｃｏ、Ｍｎ、Ｇａを含有する粉末又はその圧粉成形体を焼結した焼結体を作製する工程を含み、
前記工程において、７００～１０７５℃の焼結温度で放電プラズマ焼結法を用いて焼結することを特徴とする異常ネルンスト効果素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１～４の何れか一項に記載の異常ネルンスト効果素子を用いて、熱電変換を行うことを特徴とする熱電変換デバイス。
【請求項７】
異常ネルンスト係数が５０℃以下において８μＶ／Ｋ以上であることを特徴とする請求項６に記載の熱電変換デバイス。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、異常ネルンスト効果素子及びその製造方法、並びに熱電変換デバイスに関する。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、異常ネルンスト効果（Anomalous Nernst effect）により起電力を生じる異常ネルンスト効果素子を用いた熱電変換デバイスが提案されている（例えば、下記特許文献１，２を参照。）。異常ネルンスト効果とは、磁性体に熱流を流して温度差が生じたときに、磁化方向と温度勾配の双方に直交する方向に電圧が生じる現象である。
【０００３】
同じく温度勾配によって電圧を発生させる熱電変換デバイスとして、ゼーベック効果（Seebeck effect）を利用したものがよく知られている。ゼーベック効果では、温度勾配と同じ方向に電圧が生じることから、熱電変換デバイスが複雑な３次元構造となり、大面積化やフィルム化が困難である。また、毒性や希少性の高い材料が用いられており、脆弱で振動に弱く、さらに製造コストが高いという課題がある。
【０００４】
一方、異常ネルンスト効果では、温度勾配に直交する方向に電圧が生じることから、この異常ネルンスト効果を用いた熱電変換デバイスでは、熱源に沿うように展開することができ、大面積化及びフィルム化に有利である。更に、廉価で毒性が少なく、且つ耐久性の高い材料を選択することができる。
【０００５】
異常ネルンスト効果を示す物質は、Ｃｏ
２
ＭｎＧａ、Ｆｅ
３
Ｇａ、Ｆｅ
３
Ａｌ、Ｍｎ
３
Ｇｅ、Ｍｎ
３
Ｓｎ、Ｍｎ
２
Ｇａ、ＭｎＧｅ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ／Ｎｉ films、Ｎｄ
２
Ｍｏ
２
Ｏ
７
、Ｐｔ／Ｆｅ multilayer、Ｌ１－ＦｅＰｔなど様々な物質で報告されている。これらの中で、現在、最も高い異常ネルンスト係数を有するものはＣｏ
２
ＭｎＧａであり、既報で最高データは６．７５－８μＶ／Ｋである。なお、これらの値は単結晶のデータである。
【０００６】
異常ネルンスト材料を評価する指標は、異常ネルンスト係数と無次元性能指数ＺＴとPower Factorの３つである。異常ネルンスト係数は、異常ネルンスト効果を評価する最も重要な指標であり、温度差１Ｋ当たりの熱起電力を意味している。
【０００７】
無次元性能指数ＺＴは、熱を電気に変換する際の変換効率に対応する。Power Factorは、温度差１Ｋ当たりの発電量になり、発電応用の際に重要な指標になる。本願では、異常ネルンスト係数と無次元性能指数ＺＴで材料の評価を行っている。
【０００８】
異常ネルンスト係数Ｓ
ＡＮＥ
は、下記式（１）で表される。
Ｓ
ＡＮＥ
＝ρ
ｙｙ
α
ｙｘ
－σ
ｙｘ
ρ
ｙｙ
Ｓ
ＳＥ
…（１）
ρ
ｙｙ
：縦抵抗
α
ｙｘ
：横熱電係数
σ
ｙｘ
：ホール伝導度
Ｓ
ＳＥ
：ゼーベック係数
【０００９】
なお、横熱電係数α
ｙｘ
は、下記式（２）で表される。
α
ｙｘ
＝－（π
２
／３）・｛（ｋ
Ｂ
２
Ｔ）／ｅ｝（∂σ
ｙｘ
／∂ε）（モットの式） …（２）
但し、∂σ
ｙｘ
／∂εはフェルミ準位での値である。
ｋ
Ｂ
：ボルツマン定数
ε：エネルギー
ｅ：電荷素量
Ｔ：絶対温度
【００１０】
無次元性能指数ＺＴは、下記式（３）で表される。
ＺＴ＝（Ｓ
ＡＮＥ
２
・σ
ｘｘ
／κ
ｙｙ
）・Ｔ＝｛Ｓ
ＡＮＥ
２
／（ρ
ｘｘ
・κ
ｙｙ
）｝・Ｔ …（３）
σ
ｘｘ
：電気伝導率
κ
ｙｙ
：熱伝導率
ρ
ｘｘ
：電気抵抗率
【先行技術文献】
【特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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