九州大学は2024年1月10日、室温二次元磁石の性質を持つことが最近明らかになったFe3GaTe2の熱電特性を詳細に評価し、世界で初めて、この二次元磁石が優れた横型熱電特性を有することを発表した。この結果は、二次元磁石の熱電変換材料としての大きな応用可能性を示している。
グラフェンに代表される二次元層状物質は、高伝導性、柔軟性、透明性などさまざまな魅力的な性質を有しており、とくに次世代エレクトロニクスの新材料として注目されている。近年は強磁性を示す二次元物質も発見され、二次元磁石という名のもと、磁気記録やスピントロニクスへの応用が期待されているが、磁石の特性を室温でも維持する二次元物質は極めて少なく、その磁気的特性も十分明らかになっていなかった。
研究では、Fe3GaTe2を微細薄膜化し、絶縁基板上に転写した後、電子線リソグラフィー技術を使用して複数の微細電極をFe3GaTe2薄膜に取り付け、磁場中での磁気輸送特性、熱電特性、それらの温度依存性を詳細に評価した。
Fe3GaTe2薄膜中の磁気モーメントは、磁気輸送特性の結果から、無磁場下で二次元平面に垂直方向に揃い、比較的大きな異常ホール効果を発現することわかった。さらに熱電特性の結果から、温度勾配と磁気モーメントの両方に垂直な方向に、異常ネルンスト効果に起因した大きな起電力が発生することがわかった。
一連の実験により、この物質中では、温度勾配が加わると、上向きスピンと下向きスピンが互いに逆方向に移動することがわかったため、本物質はスピンの流れを熱を用いて効果的に引き出せることが明らかになった。また、異常ネルンスト効果の指標である縦ゼーベック係数と横ゼーベック係数の比が62％に達した。これは、従来の金属磁石に比べ、非常に大きな値を持つことを示している。
二次元磁石Fe3GaTe2の結晶構造とスピン依存ゼーベック効果および異常ネルンスト効果の概念図
今回の結果により、二次元磁石の熱電変換材料としての大きな応用可能性が示された。今後、関連研究が加速し、プロセス技術も大きく前進することが期待される。また、熱エネルギーを有効な電気エネルギーに容易に変換できる技術であるため、さまざまな環境下での応用が期待できる。
