鉄を含む汎用材料で、鉄単体より20倍大きな磁気熱電効果が得られることを発見――薄膜型熱電デバイスへの応用に期待 東大ら

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今回開発に成功した磁気熱電材料の外観(左:薄膜材料、右:バルク材料)

東京大学、金沢大学、東北大学、理化学研究所の研究グループは2020年4月28日、鉄を含む汎用材料を用いて鉄単体より20倍大きな磁気熱電効果が得られることを発見したと発表した。薄膜型熱電デバイスへの応用が期待される。

磁気熱電効果(異常ネルンスト効果)は、従来の熱電変換技術(ゼーベック効果)と異なり、温度差と垂直方向に発電し、大面積やフレキシブル化が容易で、高効率で発電が行えるという利点がある。

今回、鉄にアルミニウムやガリウムを25%添加したFe3Al、Fe3Gaが、鉄単体に比べて大きな磁気熱電効果を示すことが明らかになった。これらの材料は、100℃から-100℃において高い性能を維持することが可能となっている。

また同研究グループは、厚さ数十nmのFe3Al、Fe3Gaの薄膜作製にも成功した。発表によると、室温・ゼロ磁場で世界最高の磁気熱電効果が得られたという。

さらに、今回の研究で発見された巨大な異常ネルンスト効果は、ノーダルウェブと呼ばれるトポロジカルなバンド構造に由来していることが明らかとなった。ノーダルウェブは、異常ネルンスト効果の増大に重要とされるベリー曲率(仮想磁場)と状態密度を同時に高める条件を満たしている。

ノーダルウェブの概念図 (十字に走っているライン上で青色と黄色の面(バンド)が接している)

今回新たに開発された異常ネルンスト効果を自動的に計算する手法により、1400以上の材料の理論値を計算し、候補となる物質が抽出された。同手法は、今後もさまざまな対象での活用が期待される。

今後同研究グループは、磁気熱電効果を用いた熱電モジュールや熱流センサーの開発を進める。環境の微量な熱を利用した電源として、IoT(モノのインターネット)センサーや熱流センサーなどでの活用が期待される。

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