強磁性合金で熱電変換性能の顕著な上昇を発見―高い変換効率を持つ材料の開発指針に：物質・材料研究機構
(2019年3月5日発表)
（国）物質・材料研究機構と（株）日立製作所の共同研究グループは3月5日、強磁性合金において熱電変換性能の著しい上昇を発見したと発表した。磁石である強磁性体が磁石の性質を失う強磁性転移温度の周辺温度域で見つかったもので、高い変換効率を持つ熱電材料の設計・開発に指針となる成果という。
熱電変換材料は熱エネルギーを直接電気エネルギーに変える材料で、身の回りの未利用熱や工場の排熱などの活用を目指して近年研究開発が活発化している。
研究グループは、磁性と熱電性能の相関関係に注目して、熱電性能の高性能化を目指した研究に取り組み、先に、磁性を持たない熱電材料に磁性元素を添加すると、熱電材料の発電量の指標となる出力因子が上昇するなどの観測結果を得た。
これを踏まえ、磁性を持つ強磁性体金属材料を対象に熱電性能を調べ、今回、熱電性能の顕著な上昇を見出した。
研究では、鉄（Fe）、バナジウム(V)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)を含む弱い強磁性合金を作製し、その特性を調べた。その結果、-113℃の強磁性転移温度付近で熱電変換効率が20％以上上昇することを観測した。
合金組成を調整し、強磁性転移温度が室温の12℃の合金を作製して特性を測定したところ、強磁性転移温度近辺で変換効率が最大で2倍程度も向上することを見出した。
熱電特性のこうした向上の原因を実験的に調べたところ、金属強磁性体に特有の「スピン揺らぎ」という現象がかかわっていることが分かった。スピン揺らぎは熱を効率よく吸収して電子系のエネルギーに伝達する性質があるため、これが熱電性能の向上をもたらしたと考えられるという。スピン揺らぎのこうした影響は知られていたが、今回のように室温を超えた温度領域の熱電性能を2倍程度にも向上させられることが示されたのは初めてという。
今回の発見は、室温付近で強磁性を示す物質から高効率の熱電材料が作成できる可能性があることを示しており、今まで見いだされなかった優れた熱電材料の開発加速が期待されるとしている。
