起電力の大きな新原理の横型熱電効果を考案―熱電材料と磁性材料を組み合わせて実現：物質・材料研究機構ほか
(2021年1月19日発表)
（国）物質・材料研究機構は1月19日、熱電材料と磁性材料を組み合わせて、温度勾配と直交する方向に起電力を生む新原理の熱電技術を考案、直交方向の起電力として世界最高値を得たと発表した。起電力の大きい新構造の熱電材料の開発が期待されるという。
材料に温度勾配を与えると起電力が生じる現象をゼーベック効果といい、半導体や金属にこうした効果を示す熱電材料が見つかっている。熱電材料は廃熱を電気に変換できることから、IoT機器の独立電源などとして期待され、精力的に研究が進められているが、ゼーベック効果は温度勾配と平行な方向に起電力が生じる「縦型」の熱電効果であり、構造的に発電力を高めにくいなどの問題がある。
これに対し、磁性材料に特有の熱電現象である「異常ネルンスト効果」は、温度勾配と直交する方向に起電力が生じる「横型」熱電効果で、材料を横方向に大きくすれば発電力を簡単に高められるという利点がある半面、熱電能が非常に小さいという難点がある。
そこで、研究グループは今回、熱電材料のゼーベック効果によって生じる縦方向の電子の流れを、磁性材料の異常ホール効果によって横方向の起電力に変換させる新原理の横型熱電効果を考案した。
理論モデルによる計算では、温度勾配と直交する方向に、単位温度勾配当たりに生じる電界の大きさが100μV/Kを超える巨大な熱電能を生成する可能性が示された。
この現象を実証するため、異常ホール効果を示す磁性体（Co2MnGa）と、大きなゼーベック効果を示す半導体(Si)を組み合わせた複合構造を製作し、熱電能を観測した。
その結果、異常ネルンスト効果によるこれまでの熱電能の最高値を一桁上回る、横型熱電効果の熱電能としては世界最高値を観測した。この値は、理論モデルによる予測値と定量的に一致しており、構造の最適化でさらなる向上が見込まれた。
今回の成果は横型熱電効果の実用化に向けた研究開発を大きく前進させるもので、研究グループでは今後、材料や構造を改良・最適化するなどし、IoT機器用の独立電源や熱流センサーなどへの応用につなげたいとしている。
