弱い強磁性をもつ金属合金は強磁性転移温度周辺で熱電性能が著しく上昇することを発見 NIMSと日立

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作製された強磁性合金のサンプル

物質・材料研究機構(NIMS)は2019年3月5日、日立製作所との共同研究で、弱い強磁性を示す金属合金は磁性が失われる温度(強磁性転移温度)周辺の幅広い温度域で熱電性能が著しく上昇することを発見したと発表した。強磁性体における磁性の変化が熱電性能を大きく上昇させることを示したのはこの研究が初めてで、高効率な熱電材料設計の新たな指針となることが期待されるという。

熱を電力に変換する熱電変換技術は、工場などの廃熱利用やIoTデバイスのワイヤレス給電などへの応用が期待されており、高い変換効率をもつ熱電材料の研究開発が世界中で進められている。

しかし、材料の熱電性能はゼーベック係数(S)、電気抵抗(ρ)、熱伝導率(κ)という物質の3つの特性が関係しており、熱電性能の向上は容易ではない。出力因子と呼ばれるS2/ρが大きく、熱伝導率κが小さいほど熱電変換効率は大きくなる。出力因子は電子的性質で決まるため制御が難しく、大きな出力因子を持つ物質の作成が課題だった。このため、既存の理論の枠組みを超えた新しい開発指針が求められていた。

これまでNIMSを中心とする研究グループでは、高い熱電変換効率を持つ材料の開発を目的として、出力因子が磁性と強い相関を示す場合があることに注目して研究を続けてきた。以前の研究では、磁性を持たない熱電材料に磁性元素を添加することで、熱電材料の発電量の指標となる出力因子が上昇するという観測結果を得ている。今回は、強磁性を示す金属合金にも研究対象を拡大。Fe、V、Al、Siを含んだ金属合金において、作製した試料が強磁性転移温度TC = 160K(-113℃)で弱い強磁性を示し、同時にTC 付近で熱電変換効率が20%以上上昇することを実験的に確認した。

(A)作製されたサンプルの磁化の温度変化(B)ゼーベック係数を温度で割った値の温度・磁場依存性

また、研究グループは、TCより高い温度域でも熱電変換効率が上昇することを確認。さらに合金組成を調整して、強磁性転移温度TCを室温付近(285K、12℃)まで上昇させた試料を作製し、熱電性能の測定を行ったところ、同様に熱電変換効率が向上することを観測した。しかも、この場合は磁性の影響によってゼーベック係数が約50%増加しており、熱電変換効率に換算すると2倍(100%)程度向上していることが分かった。この効果は室温以上でも持続し、その結果110℃で12mW・毎ケルビン平方センチメートルという良好な出力因子を観測した。

化学組成を変化させて強磁性転移温度が室温
付近となるように作製されたサンプルのゼーベック係数の温度依存性

研究グループは、強磁性体で熱電特性が向上した原因を実験的に調査したところ、「スピン揺らぎ」という現象が関係していることを発見した。スピン揺らぎは、電子の集団がもつ磁気モーメント(ミクロな磁石)の大きさが熱などによって変動する現象で、金属磁性体に特徴的な現象だ。スピン揺らぎは、熱を効率よく吸収して、そのエネルギーを電子に伝達する性質がある。これにより、熱電性能が向上したという。

これまでも、スピン揺らぎが電気的特性に影響を与えることは知られていた。しかし、今回のように室温以上の熱電性能を2倍程度に向上させられることが示されたのは初めてだ。今回の発見は、高効率熱電材料開発のための新たな指針につながると考えられるという。また、磁気的性質との強い相関が示されたことにより、スピン揺らぎの効果を計算的予測やデータ科学的材料開発プロセスに組み込むことで、今まで見出されなかった優れた熱電材料の開発が進むと期待される。

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