热电转换元件和热电转换方法
【专利摘要】本发明提供了一种热电转换元件，该热电转换元件能够将沿平面内的方向的温度梯度和沿与平面垂直的方向的温度梯度同时转换为电能。该热电转换元件具有基片（4）、磁性膜（2）和电极(3、3a、3b)，该磁性膜被设置在基片（4）上并且由多晶磁性绝缘材料构成，多晶磁性绝缘材料具有与膜平面平行的分量并且能够沿预定方向被磁化，该电极被设置在磁性膜（2）上并且具有一种具有自旋轨道互作用的材料，其中，与磁性膜（2）的表面垂直的温度梯度能够作为电极中的一个电极的平面内的电位差被输出，并且与磁性膜（2）的表面平行的温度梯度能够作为电极之间的电位差被输出。
【专利说明】热电转换元件和热电转换方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用磁性物质的热电转换元件和一种热电转换方法。
【背景技术】
[0002]近年来，为了加强解决环境和能源问题以实现社会的可持续发展，对于热电转换元件的期望日益增加。
[0003]这是因为热量是最常见的能源，能够从各种媒介诸如体热、阳光、发动机和工业余热中获得该能源。
[0004]因此，对于在低碳社会中提高能源的使用效率以及对于预期使用诸如用于将电能输送到普遍存在的端子或传感器来说，预计在未来热电转换元件将越来越重要。
[0005]为了通过热电转换发电，需要适当地利用由各种热源产生的温差(温度梯度)。常规地，通常使用沿与热源表面垂直的方向(与平面垂直的方向)的温度梯度。例如，当热电模块被结合到高温热源表面时，在与高温热源保持接触的高温侧和与之相对的低温测(气冷或水冷侧)之间生成温差。因此，能够发电。
[0006]在未来，在不浪费的情况下，为了将围绕在我们周围的热量用于发电，有必要不仅高效地利用沿与所述平面垂直的方向的温度梯度，还高效地利用沿热源的平面内的方向的温度梯度。在实际中，在各种情况下在建筑物和IT装置中生成不均匀的平面内的温度分布。例如，在显示器的情况下，由于烟囱效应，显示器的上部具有的温度高于下部的温度。月艮务器等在某些部分也具有不均匀的热产生。因此，为了在不浪费的情况下尽可能多地利用周围的熟悉的热能，需要用于与平面垂直的方向和平面内的方向两者的热电转换元件，该热电转换元件可以在将沿平面内的方向的温度梯度转换为电能的同时，将沿与平面垂直的方向的温度梯度转换为电能。
[0007]然而在基于热电偶的常规热电转换元件中，该热电偶包括一对具有不同的塞贝克系数(Seebeck coefficient)的两种热电材料，取决于热电偶所布置的方向而限制温度梯度的方向，沿该温度梯度的方向可以完成热电转换。具体地，仅沿与热电偶结构平行的方向的温度梯度被转换为温差电动势。可以被用以热电发电的温度梯度的方向被限制为一个方向。因此，基于热电偶的常规热电转换元件不能同时将沿与平面垂直的方向的温度梯度和沿热源的平面内的方向的温度梯度转换为电能。
[0008]另一方面，近年来已发现一种被称作自旋塞贝克效应的新效应，该自旋塞贝克效应用于通过将温度梯度施加到磁性材料生成自旋角动量流。专利文献I和非专利文献I和2描述了一种基于自旋塞贝克效应的热电转换元件，并且公开了一种结构，该结构用于通过逆自旋霍尔效应将角动量流获取为电流(电动势)，该角动量流通过自旋塞贝克效应(自旋流)被生成(专利文献I和非专利文献I和2)。
[0009]例如，在专利文献I中说明的热电转换元件包括通过溅射法形成的铁磁体膜和电极。当沿与铁磁体膜的表面平行的方向施加温度梯度时，由于自旋塞贝克效应沿温度梯度的方向引起自旋流。通过在保持与磁性物质接触的电极中生成的逆自旋霍尔效应，引发的自旋流可以在外面被获取为电流。因此，能够执行基于温差的发电，用于从热量中获取电倉泛。
[0010]在非专利文献I和2中描述的热电转换元件中的每个热电转换元件均包括磁性物质和电极。非专利文献I通过一种布置描述了热电转换，在该布置中，和专利文献I的情况一样，采用了与磁性膜的表面平行的温度梯度(沿平面内的方向的温度梯度)。在非专利文献2中，通过一种布置验证了热电转换，在该布置中垂直的温度梯度(沿与平面垂直的方向的温度梯度)被施加到具有厚度为Imm的磁性膜的表面。
[0011]通过布置一对两种类型的热电材料(热电偶)构造了常规热电转换元件。考虑到自旋塞贝克效应，上自旋通道和下自旋通道与一对不同的两个热电通道对应。具体地，考虑将热电偶的功能嵌入磁性基体材料中。因此，原理上，对于任何方向的温度梯度均可以生成自旋流。
[0012]引用列表:
[0013]专利文献:
[0014]专利文献I JP 2009-130070 A
[0015]非专利文献:
[0016]非专利文献1:Uchida等人,“Spin Seebeck insulator，，, Nature Materials, 2010年，第九卷，第894页。
[0017]非专利文献2:Uchida 等人，“Observation of longitudinal spin-Seebeckeffect in magnetic insulators，，, Applied Physics Letters, 2010年,第 97卷,第 172505页。
【发明内容】
[0018]本发明要解决的问题
[0019]利用如专利文献I和非专利文献I和2所述的自旋塞贝克效应的热电转换元件具有极好的结构，因为可以容易地以低成本实现大的面积，并且膜热电转换是可行的。
[0020]然而，还没有实现一种热电转换元件，该热电转换元件可以将沿平面内的方向的温度梯度和沿与平面垂直的方向的温度梯度同时高效地转换为电能。对于所有在专利文献I和非专利文献I和2中公开的热电转换元件来说，为了将沿平面内的方向的温度梯度和沿与平面垂直的方向的温度梯度中的任何一种温度梯度转换为电能，唯一地选定磁性物质、基片、电极等的材料、形状、布置和热传导特性(例如，导热系数)。为了实现一种热电转换元件，该热电转换元件可以将沿平面内的方向的温度梯度和沿与平面垂直的方向的温度梯度同时高效地转换为电能，有必要具体地检查磁性物质、基片、电极等的材料、形状、布置和热传导特性以发现哪种元件结构有效，但是上述元件结构还没有被发现。
[0021]本发明是为了解决上述问题而提出的，并且因此具有的目的是提供一种热电转换元件，该热电转换元件可以同时转换沿平面内的方向的温度梯度和沿与平面垂直的方向的温度梯度。
[0022]解决问题的方法:
[0023]为了实现上述目的，根据本发明的第一实施例，提供了 一种热电转换元件，该热电转换元件包括:磁性膜，该磁性膜被设置在基片上，并且由磁性物质构成，该磁性物质能够沿预定方向磁化，并具有与膜表面平行的分量；以及多个电极，该多个电极被设置到磁性膜，并且由具有自旋轨道互作用的材料制成，该多个电极沿预定方向布置。该多个电极被构造为能够将与磁性膜的表面垂直的温度梯度作为多个电极的表面中任何表面中的电位差输出，并且能够将与磁性膜的表面平行的温度梯度作为多个电极的表面中的任何表面中的电位差输出。
[0024]根据本发明的第二实施例，提供了一种热电转换方法，该热电转换方法包括:将温度梯度施加到根据第一实施例的热电转换元件的磁性膜，以生成从磁性膜流向多个电极的自旋流；和通过在多个电极中生成的逆自旋霍尔效应，在与预定方向垂直的方向上生成电流。
[0025]本发明的效果:
[0026]根据本发明，可以提供一种热电转换元件，该热电转换元件能够同时将沿平面内的方向的温度梯度和沿与平面垂直的方向的温度梯度转换为电能。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是示出了根据本发明的第一实施例的热电转换元件I的透视图。
[0028]图2是示出了当温度梯度沿与平面垂直的方向被施加到热电转换元件I时生成的温差电动势的透视图。
[0029]图3是沿图2的线Dl-Dl截取的剖视图。
[0030]图4是示出了当温度梯度沿平面内的方向被施加到热电转换元件I时生成的温差电动势的透视图。
[0031]图5是沿图4的线D2-D2截取的剖视图。
[0032]图6是示出了根据本发明的第二实施例的热电转换元件Ia的透视图和基片4a的局部放大视图。
[0033]图7是示出了当温度梯度沿与平面垂直的方向被施加到热电转换元件Ia时热传导特性的剖视图。
[0034]图8是示出了当温度梯度沿平面内的方向被施加到热电转换元件Ia时热传导特性的剖视图。
[0035]图9是示出了根据本发明的第三实施例的热电转换元件Ib的透视图。
[0036]图10是图9的前视图。
[0037]图11是图9的仰视图。
[0038]图12是示出了当温度梯度沿与平面垂直的方向被施加到热电转换元件Ib时热传导特性的剖视图。
[0039]图13是示出了当温度梯度沿平面内的方向被施加到热电转换元件Ib时热传导特性的剖视图。
[0040]图14是示出了热电转换元件Ib的基片4b的制造步骤的视图。
[0041]图15是示出了热电转换元件Ib的基片4b的制造步骤的另一个视图。
[0042]图16是示出了热电转换元件Ib的基片4b的制造步骤的另一个视图。
[0043]图17是示出了根据本发明的第四实施例的热电转换元件Ic的透视图。
[0044]图18是示出了当温度梯度沿与平面垂直的方向被施加到热电转换元件Ic时生成的温差电动势的透视图。
[0045]图19是沿图18的线D3-D3截取的剖视图。
[0046]图20是示出了当温度梯度沿平面内的方向被施加到热电转换元件Ic时生成的温差电动势的透视图。
[0047]图21是沿图20的线D4-D4截取的剖视图。
[0048]图22是示出了根据本发明的第五实施例的热电转换元件Id的透视图。
[0049]图23是示出了当温度梯度沿与平面垂直的方向(z向)被施加到热电转换元件Id时生成的温差电动势的透视图。
[0050]图24是示出了当温度梯度沿平面内的方向(y向)被施加到热电转换元件Id时生成的温差电动势的透视图。
[0051]图25是示出了当温度梯度沿与平面垂直的方向(z向)被施加到热电转换元件Id时生成的温差电动势的透视图。
[0052]图26是示出了当温度梯度沿平面内的方向(X向)被施加到热电转换元件Id时生成的温差电动势的透视图。
[0053]图27是示出了根据本发明的第六实施例的热电转换元件Ie的透视图。
[0054]图28是示出了当温度梯度沿与平面垂直的方向被施加到热电转换元件Ie时生成的温差电动势的透视图。
[0055]图29是示出了当温度梯度沿平面内的方向被施加到热电转换元件Ie时生成的温差电动势的透视图。
[0056]图30是示出了当温度梯度沿与平面垂直的方向被施加到热电转换元件Ie时生成的温差电动势的透视图。
[0057]图31是示出了当温度梯度沿平面内的方向被施加到热电转换元件Ie时生成的温差电动势的透视图。
[0058]图32是示出了对应于第六实施例的变型的热电转换元件If的透视图。
[0059]图33是示出了当温度梯度沿与平面垂直的方向被施加到热电转换元件If时生成的温差电动势的透视图。
[0060]图34是示出了当温度梯度沿平面内的方向被施加到热电转换元件If时生成的温差电动势的透视图。
[0061]图35是示出了根据本发明的第七实施例的热电转换元件Ig的透视图。
[0062]图36是示出了当温度梯度沿与平面垂直的方向被施加到热电转换元件Ig时生成的温差电动势的透视图。
[0063]图37是示出了当温度梯度沿平面内的方向被施加到热电转换元件Ig时生成的温差电动势的透视图。
[0064]图38是示出了根据本发明的第八实施例的热电转换元件Ih的透视图。
[0065]图39是示出了根据本发明的第九实施例的热电转换元件Ii的透视图。
【具体实施方式】
[0066]现参照附图具体说明本发明的优选实施例。
[0067]首先，参照图1至图5具体说明本发明的第一实施例。[0068]参照图1首先描述根据第一实施例的热电转换元件I的示意性构造。
[0069]如图1所示，热电转换元件I包括磁性膜2和电极3、3a、和3b，该磁性膜2被固定在基片4上，用于通过温度梯度生成自旋流，该电极被设置在磁性膜2上，用于通过使用逆自旋霍尔效应从自旋流中获取温差电动势。磁性膜2和电极3、3a、和3b构成发电部。图1所示的电极3、3a、和3b和磁性膜2之间的位置关系可以是颠倒的。
[0070]如在下文中所描述的，电极3 (中心电极)是用于沿与平面垂直的方向将自旋流获取为电动势并且设置在磁性膜2上部的中心上的电极。
[0071]如在下文中所描述的，电极3a和3b (端电极)是沿平面中的方向将自旋流获取为电动势的电极，并且被设置在磁性膜2的前端和后端，以便横跨电极3彼此相对。
[0072]通过基于自旋塞贝克效应的电极布置的详细检验，本发明的发明人发现将电极3a和3b布置在磁性物质的两端上以便通过沿平面内的方向的温度梯度生成的自旋流尽可能大地转换成电能是有效的。此外，发明人发现，当通过沿与平面垂直的方向的温度梯度获得电能的电极3具有较大面积时获得较大的电能，但不论电极3在磁性膜2的表面上被布置的位置如何获得电能的量相同。通过上述检验，如图1所示，电极3a和3b被设置在磁性膜2的两端，其中，在布置中具有较高自由度的电极3被设置在电极3a和3b之间。此外，如图1所示，优选地将用于通过沿与平面垂直的方向的温度梯度获得电能的电极3构造为具有比电极3a和3b中的每个电极的面积大的面积，以获得较大的电能。
[0073]此外，热电转换元件I包括端子7和9、端子7a和9a以及端子7b和9b，用于获取温差电动势的端子7和9可移动地形成在电极3上的两个位置处，端子7a和9a可移动地形成在电极3a上的两个位置处，端子7b和9b可移动地形成在电极3b上的两个位置处。端子形成温差电动势输出装置。
[0074]此外，根据需要，热电转换元件I包括用于将温度梯度施加到磁性膜2的温度梯度施加装置11。
[0075]此外，根据需要，热电转换元件I包括用于沿预定方向(在这种情况下图1的方向A)磁化磁性膜2的磁化装置13。
[0076]接下来，具体描述热电转换元件I的元件。
[0077]任何材料和结构可以被用作基片4，只要基片4可以支撑磁性膜2和电极3、3a和3b。例如，可以使用由材料诸如硅、玻璃、氧化铝、蓝宝石、钆镓石榴石(GGG)或聚酰亚胺制成的基片。形状未必要求是板状，并且可以具有弯曲的结构，或具有凹面和凸面。此外，建筑物等也可以直接用作基片4。此外，在一种结构中或某情况下，其中，磁性膜2可以被固定到热源(具体地，在一种结构中或某种情况下，其中热源也可以用作基片4)，例如，通过将磁性膜2放置在热源上，基片4并非始终是额外需要的。热源本身也可以被用作基体(基片4)，该基体(基片4)用于支撑热电转换元件I。
[0078]磁性膜2由多晶磁性物质制成，该多晶磁性物质可以至少沿一个磁化方向A被磁化。在第一实施例中，假设磁性膜2具有沿一个方向与膜表面平行的磁化方向(磁化方向A具有至少一个与膜表面平行的分量)。磁性膜2对于具有较小导热系数的材料具有更有效的热电效应。因此，优选地，磁性膜2是磁绝缘体。例如，该材料可以使用氧化物磁性材料，诸如铁石榴石(诸如钇铁石榴石)或尖晶石铁氧体。
[0079]通过以杂质诸如Bi局部代替铁石槽石的乾位(yttrium site)获得的材料可以用于磁性膜2。通过以此方式代替钇位，这被认为提高了磁性膜2和电极3之间的能级匹配度。因此，能够在磁性膜2和电极3之间的接触面处提高自旋流的获取效率，以提高热电转换效率。
[0080]对于具体的成分，给出了以BixY3_xFe5012 (0.5≤x≤1.5)表示的掺杂Bi的钇铁石榴石。
[0081]用于掺杂的元素并非限制为Bi，只要提高磁性膜2和电极3之间的能级匹配度，也可以使用其它杂质。
[0082]在这种情况下，对于形成磁性膜2的方法，可以在下文的描述中给出该方法，诸如液相外延生长(LPE)、溅射法、激光烧蚀(PLD)、金属有机沉积方法(MOD method)、溶胶凝胶法、气溶胶沉积法(AD method)。可以使用通过丘克拉斯基(Czochralski)法或烧结得到的批量磁性物质。
[0083]当具有矫顽力的磁性材料被用作磁性膜2时，磁化方向一旦被外部磁场初始化后，便获得甚至可以在零磁场中操作的元件。
[0084]电极3、3a和3b由具有自旋轨道互作用的材料制成，以便通过逆自旋霍尔效应获取温差电动势。对于这样的材料，给出了例如具有较大自旋轨道互作用的金属，诸如AiuPt或Pd或其合金。为了增强逆自旋霍尔效应，通过将杂质诸如Fe或Cu添加到上述金属或合金而获得的材料可以被用作电极3、3a和3b的材料。
[0085]通过溅射法、气相沉积法、电镀、丝网印刷术等在磁性膜2上形成膜来形成电极3、3a和3b。优选地，电极厚度被设置为至少比电极材料的自旋扩散的长度长。具体地，例如对于Au来说，期望厚度被设置为50nm或更大，并且对于Pt来说，期望厚度被设置为IOnm或更大。
[0086]对于端子7、9、7a 、9a、7b和9b可以使用任何结构、形状和位置，只要端子之间的电位差可以被获取为温差电动势。为了尽可能大地获得电位差，期望端子沿与磁化方向A垂直的方向被设置在磁性膜2的各个端部上的两个位置处(使得连接端子7和9的线段、连接端子7a和9a的线段以及连接端子7b和9b的线段与磁化方向A垂直)。
[0087]任何装置可以被用作温度梯度施加装置11，只要温度梯度被施加到磁性膜2。可以使用各种类型的加热器或热导体，该加热器或热导体用于将热量诸如体热、光热、发动机热或工业余热传导到磁性膜2。
[0088]当热源将热量直接传导到磁性膜时，温度梯度施加装置11并非始终必不可少。
[0089]磁化装置13是沿磁化方向A磁化磁性膜2的装置。使用任何结构、材料和类型的磁化装置，只要磁性膜2的磁化被维持。具体地，例如除了使用线圈等的磁场发生器以外，可以在附近提供用于使用的磁铁等。可替代地，可以在附近将另一种铁磁体膜或反铁磁体膜设置到磁性膜2，以便通过诸如磁相互作用的方法来维持磁性膜2的磁化。
[0090]接下来，参照图1至图5说明热电转换元件I的操作。
[0091]首先，在图1中所示的热电转换元件I中，在通过使用磁化装置13将磁场施加到磁性膜2使得磁性膜2沿磁化方向A被磁化后，通过使用温度梯度施加装置11等施加温度梯度。
[0092]然后，通过在磁性膜2中生成的自旋塞贝克效应，沿温度梯度的方向引起角运动(自旋流)。与常规热电模块相比，在该常规热电模块中通过热电偶限制了能够生成温差电动势的温度梯度方向，而磁性物质中的自旋塞贝克效应不具有该结构各向异性，因此可以通过沿任何方向的温度梯度生成自旋流。
[0093]为将通过沿任何方向的温度梯度生成的自旋流获取为电动势，在第一实施例中，在附图中，电极3被布置在磁性膜2的上部的中心上，并且电极3a和3b被布置在磁性膜2的前端和后端。通过上述电极，在磁性物质中沿任何方向的自旋流可以被获取为电动势。
[0094]由磁性膜2生成的自旋流流入到附近的电极3、3a和3b内，并且然后通过在电极3、3a和3b中的逆自旋霍尔效应被转换成电流。
[0095]电流生成电位差，该电位差在端子7和9之间、端子7a和9a之间或端子7b和9b之间中的任何端子之间。因此，可以从端子7和9、7a和9a或7b和9b中获取为温差电动势。
[0096]作为操作的具体实例，当施加具有与热电转换元件I的元件表面垂直的分量(方向与平面垂直)的温度梯度时，自旋流在磁性膜2中沿与平面垂直的方向被生成，并且主要流入到电极3内，如图2和图3所示。此后，通过电极3中的逆自旋霍尔效应，在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被转换为电流。因此，端子7和9之间的电位差可以被获取为温差电动势V11。
[0097]另一方面，如图4和图5所示，当沿与元件表面平行的方向(平面内的方向)施加温度梯度时，在磁性膜2中沿平面内的方向生成自旋流，并且自旋流主要流入到电极3a和3b内。通过电极3a和3b中的逆自旋霍尔效应，在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被转换为电流。因此，端子7a和9a之间的电位差可以被获取为温差电动势V12，其中，端子7b和9b之间的电位差可以被获取为温差电动势V13。在电极3a和3b中，在与磁性膜2的接触面处自旋流的流动方向不同。因此，沿彼此非平行的方向生成电动势。
[0098]图2和图3示出了具有沿与平面垂直的方向的温度梯度的情况，而图4和图5示出了具有沿平面内的方向的温度梯度的情况。具体地，即使在中间情况下，其中沿倾斜方向具有相对于图1所示的y-z平面中的磁性膜2以0° <θ<90°表示的倾角Θ的温度梯度，可以高效地获取温差电动势。在这种情况下，当倾斜的温度梯度向量被分解为沿与平面垂直的方向的分量(Θ =90° )和沿平面内的方向的分量(θ=0° )时，对于沿与平面垂直的方向的分量，在电极3中生成温差电动势，同时对于沿平面内的方向的分量，在电极3a和3b中生成温差电动势。
[0099]通过上述的电极布置，对于在与平面垂直的和平面内的方向上的温度梯度中的任何温度梯度来说，热电转换元件I均可以生成电能。
[0100]如上所述，根据第一实施例，热电转换元件I包括基片4、磁性膜2和电极3、3a和3b，该磁性膜被设置在基片4上，并且由可以沿预定方向磁化的多晶磁绝缘体材料制成，该电极被设置在磁性膜2上，并且由具有自旋轨道互作用的材料制成，并且热电转换元件I被构造为能够将磁性膜2中沿与平面垂直的方向的温度梯度作为电极3的表面中的电位差输出，并且能够将磁性膜2中沿平面内的方向的温度梯度作为电极3a和3b的表面中的电位差输出。
[0101]因此，热电转换元件I可以同时将沿平面内的方向的温度梯度和沿与平面垂直的温度梯度转换成电能。
[0102]接下来，参照图6至图8具体描述本发明的第二实施例。[0103]第二实施例对应于第一实施例的变型，在该第二实施例中通过包含填料15而被提供有热传导各向异性的材料被用于基片4a。
[0104]在第二实施例中，具有和第一实施例的元件功能相同的元件由相同的附图标记表示。因此，主要描述与第一实施例的不同之处。
[0105]如图6所示，热电转换元件Ia的基片4a具有一种结构，该结构包括板状基片支撑件6和多个单向取向包含在基片支撑件6中的填料15。
[0106]对于基片支撑件6，使用导热系数比填料15的导热系数小的材料，诸如环氧树脂或有机树脂。对于填料15，使用导热系数比基片支撑件6的导热系数大的材料，诸如碳化纤维、氧化铝或氮化硼。通过上述结构，沿填料15取向方向的导热系数变得大于在基片4a中沿与取向方向垂直的方向的导热系数。因此，生成导热各向异性。
[0107]在图6中，填料15在基片4a中沿与平面垂直的方向取向，并且被构造为使得沿与平面垂直的方向的导热系数大于沿平面内的方向的导热系数。
[0108]通过使用上述具有导热各向异性的基片4a，与使用不具有导热各向异性基片的情况相比，能够高效地热电转换。原因如下。对于给定的热源来说，为了使热电转换性能最大化，磁性膜2的一部分需要尽可能大地维持温差，在该磁性膜2中产生自旋塞贝克效应。通过使用具有各向异性的基片4a，上述情况同时满足沿与平面垂直的方向和平面内的方向。
[0109]现参照图7和图8具体说明原因。
[0110]首先，如图7所示，考虑了生成沿与热电转换元件Ia的平面垂直的方向的温度梯度的情况。在这种情况下，将温差连续地施加到磁性膜2和基片4a。在基片4a中，沿与平面垂直的方向的导热系数大于沿平面内的方向的导热系数(具有较小热阻)。因此，较大的温差以有效的方式被施加到磁性膜2的一部分(参见图7所示的多个空心箭头)。以此方式，对于沿与平面垂直的方向的温度梯度可以生成大的温差电动势。
[0111]接下来，如图8所示，当生成沿热电转换元件Ia的平面内的方向的温度梯度时，与磁性膜2和基片4a平行地施加温差。在这种情况下，沿基片4a的平面内的方向的导热系数小于沿与平面垂直的方向的导热系数(具有较大的热阻)。因此，热流不大可能沿基片4a的平面内的方向(见图8中的虚线箭头)流动。因此，大的温差可以在磁性膜2的两端之间被维持。以此方式，可以生成沿平面内的方向的温度梯度的大的温差电动势。
[0112]通过上述构造，可以构造一种热电装置，对于沿与平面垂直的方向的温度梯度和沿平面内的方向的温度梯度中的任何温度梯度来说，该热电装置能够高效地产生电流。尽管一种结构被用作基片4a，在该结构中取向填料15被包含在基片支撑件6中，而生成导热各向异性的方法却不局限于此。例如，即使当具有高的热传导特性的结构被嵌入到基片支撑件6内以便沿与平面垂直的方向延伸时，也可以获得相同的效果。
[0113]此外，在这种情况下，当基片4a沿与平面垂直的方向的导热系数大于沿平面内的方向的导热系数时获得效果。具体地，为了在磁性膜2中维持大的温差，优选地，基片4a沿与平面垂直的方向的导热系数大于磁性膜2的垂直导热系数，并且基片4a的水平导热系数小于磁性膜2的水平导热系数。
[0114]根据需要，可以在电极3、3a和3b之间或电极3、3a和3b之上设置保护层。在这种情况下，优选地，保护膜被构造为使得沿与平面垂直的方向的导热系数变得大于沿平面内的方向的导热系数。[0115]如上所述，根据第二实施例，热电转换元件Ia包括基片4a、磁性膜2和电极3、3a和3b，该磁性膜被设置在基片4a上，并且由可以沿预定方向磁化的多晶磁绝缘体材料制成，该电极被设置在磁性膜2上，并且由具有自旋轨道互作用的材料制成，并且热电转换元件Ia被构造为能够将磁性膜2中沿与平面垂直的方向的温度梯度作为电极3的表面中的电位差输出，并且能够将磁性膜2中沿平面内的方向的温度梯度作为电极3a和3b的表面中的电位差输出。
[0116]因此，提供了与第一实施例的效果相同的效果。
[0117]此外，根据第二实施例，在热电转换元件Ia中，基片4a具有一种结构，该结构包括基片支撑件6和多个包含在基片支撑件6中的填料15，该填料15单向取向，并且因此具有热传导各向异性。
[0118]因此，与第一实施例相比，能够高效地热电转换。
[0119]接下来，参照图9至图16描述本发明的第三实施例。
[0120]与第二实施例类似，在第三实施例中将热传导各向异性提供到基片。然而与第二实施例相比，不是通过材料而是通过形状将热传导各向异性提供到基片。
[0121]在第三实施例中，具有和第一实施例的元件功能相同的元件由相同的附图标记表示。因此，主要描述与第一实施例的不同之处。
[0122]如在图9至图11所示，根据第三实施例的热电转换元件Ib包括基片4b，该基片4b具有用于截止沿平面内的方向的热传导的细长狭缝17，该狭缝被设置在基片4b的至少一个表面内。在图9中，沿与平面垂直的方向平行地形成狭缝17。
[0123]与基片4a类似，通过上述结构，基片4b沿与平面垂直的方向的热传导特性大于沿平面内与狭缝17垂直的方向的热传导特性，因此具有热传导各向异性。
[0124]如上所述，可以通过修改基片的形状生成热传导各向异性。
[0125]和在第二实施例中一样，通过使用具有热传导各向异性的基片4b，能够沿与平面垂直的方向和平面内的方向高效地热电转换。
[0126]具体地如图12所示，当沿与热电转换元件Ib的面垂直的方向(在图12中由多个空心箭头所示的方向)施加温度梯度时，大的温差被有效地施加到磁性膜2的部分，因为基片4b沿与平面垂直的方向具有相当大的热传导特性(具有较小的热阻)。以此方式，对于沿与平面垂直的方向的温度梯度来说，可以生成大的温差电动势。
[0127]另一方面，如图13所示，当沿平面内的方向将温度梯度施加到热电转换元件Ib时，基片4b的沿平面内的方向的热传导被狭缝17截止。因此，热流不大可能沿基片4b的平面内的方向(见图13所示的虚线箭头)流动。因此，磁性膜2两端之间的大的温差被维持。以此方式，对于沿平面内的方向的温度梯度来说，也可以生成大的温差电动势。
[0128]尽管一种布置细长直线切口的结构被用作狭缝17，但狭缝17的形状不限制于此。例如，可以使用具有格子图案或多孔的切口的结构。可以使用任何细节诸如图案形状，只要结构沿与平面垂直的方向和沿平面内的方向生成热传导各向异性。导热系数小于基片4b的导热系数的材料可以被嵌入到狭缝17中，以提高机械强度。
[0129]例如，给出印迹法作为形成狭缝17的方法。
[0130]具体地，在形成狭缝17前，根据需要基片4b被提前布置在容易通过加热、超声波照射、紫外线照射等处理的状态中。通过倒转如图14所示的狭缝17获得的具有凸出形状的模板21压靠基片4b，以形成如图15所示的狭缝17。此后如图16所示，将模板21从基片4b处移走，以制造具有各向异性的热传导特性的基片4b。
[0131]如上所述，根据第三实施例，热电转换元件Ib包括基片4b、磁性膜2和电极3、3a和3b，该磁性膜被设置在基片4b上，并且由可以沿预定方向磁化的多晶磁绝缘体材料制成，该电极被设置在磁性膜2上，并且由具有自旋轨道互作用的材料制成，并且热电转换元件Ib被构造为能够将磁性膜2中沿与平面垂直的方向的温度梯度作为电极3的表面中的电位差输出，并且能够将磁性膜2中沿平面内的方向的温度梯度作为电极3a和3b的表面中的电位差输出。
[0132]因此，提供了与第一实施例的效果相同的效果。
[0133]此外，根据第三实施例，在热电转换元件Ib中，基片4b至少在其一个表面中具有用于截止热传导的狭缝17，并且因此具有热传导各向异性。
[0134]因此，与第一实施例相比，能够高效地热电转换。
[0135]接下来，参照图17至图21描述本发明的第四实施例。
[0136]第四实施例对应于第一实施例的变型，在该第四实施例中电极被设置在磁性膜2的两个表面上。
[0137]在第四实施例中，具有和第一实施例的元件功能相同的元件由相同的附图标记表示。因此，主要说明与第一实施例的不同之处。
[0138]如图17所示，根据第四实施例的热电转换元件Ic包括设置在基片4和磁性膜2之间的电极33、33a和33b。
[0139]电极33、33a和33b具有分别与电极3、3a和3b的形状对应的形状，并且根据相对于平面的位置被设置，以与电极3、3a和3b对应。
[0140]具体地，电极33、33a和33b被形成在基片4上，以分别横跨磁性膜2与电极3、3a和3b相对。
[0141]与电极3类似地，端子37和39可移动地形成在电极33的两端上。类似地，端子37a和39a可移动地形成在电极33a的两端，其中，端子37b和39b可移动地形成在电极33b的两端。
[0142]此外，间隔件20被设置在电极33和33a之间和电极33和33b之间。
[0143]间隔件20用来以电和磁的方式将电极彼此隔离。例如，可以使用非磁性绝缘体，诸如SiO2。此外，如果使用聚烯烃(诸如聚乙烯或聚丙烯)或者聚酯(诸如PET或PEN)，可以通过印刷工艺形成间隔件20。
[0144]间隔件20是不直接涉及热电转换的部分，因此被期望尽可能地薄。
[0145]考虑到优化沿平面内的方向和与平面垂直的方向的热电转换，优选地，间隔件20沿垂直方向的热传导特性高于沿水平方向的热传导特性。具体地，更加优选地，间隔件沿垂直方向具有比磁性膜2高的导热系数，且沿水平方向具有比磁性膜2低的导热系数。
[0146]如上所述，电极可以不仅被设置在磁性膜2的一个表面上，还可以被设置在磁性膜2的两个表面上。以此方式，与电极仅被设置在一个表面上的情况相比，可以更有效地从自旋流中获取温差电动势。
[0147]例如，如图18和19所示，当沿与热电转换元件Ic的元件表面垂直的方向施加温度梯度时，在磁性膜2中沿与平面垂直的方向生成自旋流，并且自旋流流入到上电极3和下电极33内。此后，通过在电极3和33中生成的逆自旋霍尔效应，在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被转换为电流。因此，端子7和9之间的电位差可以被获取为温差电动势V11,而端子37和39之间的电位差可以被获取为温差电动势V21。在电极3和33中，自旋流的流向相同，因此沿相同方向生成电动势。
[0148]另一方面，当沿与如图20和21所示的热电转换元件Ic的元件表面平行的方向(附图中的前后方向)施加温度梯度时，在磁性膜2中沿平面内的方向生成自旋流，并且自旋流主要流入到电极3a、33a、3b和33b内。通过电极3a、33a、3b和33b中的逆自旋霍尔效应，在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被转换为电流。因此，端子7a和9a之间的电位差可以被获取为温差电动势V12，端子7b和9b之间的电位差可以被获取为温差电动势V13,端子37a和39a之间的电位差可以被获取为温差电动势V22,并且端子37b和39b之间的电位差可以被获取为温差电动势V23。
[0149]如上所述，根据第四实施例，热电转换元件Ic包括基片4、磁性膜2和电极3、3a和3b，该磁性膜被设置在基片4上，并且由可以沿预定方向磁化的多晶磁绝缘体材料制成，该电极被设置在磁性膜2上，并且由具有自旋轨道互作用的材料制成，并且热电转换元件Ic被构造为能够将磁性膜2中沿与平面垂直的方向的温度梯度作为电极3的表面中的电位差输出，并且能够将磁性膜2中沿平面内的方向的温度梯度作为电极3a和3b的表面中的电位差输出。
[0150]因此，提供了与第一实施例的效果相同的效果。
[0151]根据第四实施例，在热电转换元件Ic中，电极被设置在磁性膜2的两个表面上。
[0152]因此，与第一实施例相比，可以更有效地从自旋流中获取温差电动势。
[0153]接下来，参照图22至图26说明本发明的第五实施例。
[0154]第五实施例对应于第一实施例的变型，在该第五实施例中，电极49和51 (端电极)被另外设置在磁性膜2的右端和左端上。
[0155]在第五实施例中，具有和第一实施例的兀件功能相同的兀件由相同的附图标记表示。因此，主要说明与第一实施例的不同之处。
[0156]如图22所示，根据第五实施例的热电转换元件Id包括横跨电极3在磁性膜2的左立而和右纟而上的电极51和49。纟而子49a和49b在电极49的两纟而可移动地形成，其中2而子51a和51b在电极51的两端可移动地形成。
[0157]电极51和49被设置使得其相对表面横跨(在这种情况下垂直相交)电极3a和3b的相对表面。
[0158]在图22中，端子50和52甚至在电极3的上端和下端上可移动地形成。
[0159]如上所述，设置在端部上的端电极的对数并非限制为一对，而也可以为两对。以此方式，与在端部上仅设置了一对的情况相比，可以通过沿平面内的方向的温度梯度高效地获取温差电动势。
[0160]参照图23至图26描述当温度梯度被施加到热电转换元件Id时具体操作的实例。
[0161]假设当通过沿y-χ平面内的方向执行热电发电时，磁化方向被提前固定到_y向(在图23和图24中由空心箭头A所示的方向)并且当通过沿x-z平面内的方向执行热电发电时，磁化方向被提前固定到-X向(在图25和图26中由空心箭头C所示的方向)。
[0162]首先，如图23所示，在布置中当沿与元件表面垂直的方向(附图中的z向)施加温度梯度时，在磁性膜2中沿与平面垂直的方向生成的自旋流主要流向电极3，在该元件表面中磁化方向被固定到_y向。此后，通过电极3中的逆自旋霍尔效应，在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被转换成电流。因此，端子7和9之间的电位差可以被获取为温差电动势V11。
[0163]类似地，如图24所示，当沿与元件表面平行的前后方向(附图中的y向)施加温度梯度时，在磁性膜2中沿平面内的方向生成的自旋流主要流向电极3a和3b。此后，通过电极3a和3b中的逆自旋霍尔效应，在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被转换成电流。因此，端子7a和9a之间的电位差可以被获取为温差电动势V12，其中端子7b和9b之间的电位差可以被获取为温差电动势V13。磁性膜2界面处电极3a和3b之间的自旋流的流向不同，因此沿彼此反平行的方向生成温差电动势。
[0164]图23示出了具有沿z向的温度梯度的情况，且图24示出了具有沿y向的温度梯度的情况。然而，即使在沿z向的温度梯度和沿I向的温度梯度之间的中间情况下，换言之，即使对于y_z平面中的任何温度梯度而言，可以从多个电极3、3a和3b中高效地获取温差电动势。
[0165]接下来，如图25所示，在布置中当沿与元件表面垂直的方向(附图中的z向)施加温度梯度时，在磁性膜2中沿与平面垂直的方向生成的自旋流主要流向电极3，在该元件表面中磁化方向被固定到-X向。此后，通过电极3中的逆自旋霍尔效应，在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被转换成电流。因此，端子50和52之间的电位差可以被获取为温差电动势V11。
[0166]另一方面，如图26所示，当沿与元件表面平行的左右方向(附图中的X向)施加温度梯度时，在磁性膜2中沿平面内的方向生成的自旋流主要流向电极49和51。此后，通过电极49和51中的逆自旋霍尔效应，在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被转换成电流。因此，端子51a和51b之间的电位差可以被获取为温差电动势V14，其中端子49a和49b之间的电位差可以被获取为温差电动势V15。磁性膜2界面处电极49和51之间的自旋流的流向不同，因此沿彼此反平行的方向生成温差电动势。
[0167]图25示出了具有沿z向的温度梯度的情况。图26示出了具有沿X向的温度梯度的情况。然而，即使在沿z向的温度梯度和沿I向的温度梯度之间的中间情况下，换言之，即使对于x-z平面中的任何温度梯度而言，可以从多个电极3、49和51中高效地获取温差电动势。
[0168]当磁化方向被固定到_y向或-X向时，已参照图23至图26描述了发电操作。此外，在-y向和-X向之间的中间情况下,换言之,在磁化方向被固定到相对于χ-y平面成45°角的方向时，对于沿三种方向即X向、y向和z向中的任何一个的温度梯度能够热电转换。
[0169]如上所述，根据温度梯度待施加的方向提前通过外部磁场等优化磁化方向，使得由多个电极生成的温差电动势总量变得最大化，对于任何温度梯度来说均能够高效地热电转换。此外，如果具有矫顽力的磁性材料被用作磁性膜2，可以提供根据使用目的优化初始化的热电转换元件，因为磁化方向一旦被外部磁场等初始化后，热电转换元件甚至可以在零磁场中被操作。
[0170]如上所述，根据第五实施例，热电转换元件Id包括基片4、磁性膜2和电极3、3a和3b，该磁性膜被设置在基片4上，并且由可以沿预定方向磁化的多晶磁绝缘体材料制成，该电极被设置在磁性膜2上，并且由具有自旋轨道互作用的材料制成，并且热电转换元件Id被构造为能够将磁性膜2中沿与平面垂直的方向的温度梯度作为电极3的表面中的电位差输出，并且能够将磁性膜2中沿平面内的方向的温度梯度作为电极3a和3b的表面中的电位差输出。
[0171]因此，提供了与第一实施例的效果相同的效果。
[0172]根据第五实施例，热电转换元件Id包括在磁性膜2的左端和右端上的电极49和51。
[0173]因此，与第一实施例相比，可以更有效地从自旋流中获取温差电动势。
[0174]接下来，参照图27至图34描述本发明的第六实施例。
[0175]第六实施例对应于第一实施例的变型,在该第六实施例中设置了多个条状电极，并且电极根据温度梯度的方向被连接，以获得温差电动势。
[0176]在第六实施例中，具有和第一实施例的兀件功能相同的兀件由相同的附图标记表示。因此，主要说明与第一实施例的不同之处。
[0177]首先，参照图27描述根据第六实施例的热电转换元件Ie的结构。
[0178]如图27所示，热电转换元件Ie包括条状电极61a、61b、61c、61d和61e，该条状电极61a、61b、61c、61d和61e在与磁性膜2的磁化方向A垂直的方向上具有纵向方向，并且被布置为使得彼此平行。
[0179]端子63a和65a沿纵向方向可移动地形成在电极61a的两端上,端子63b和65b沿纵向方向可移动地形成在电极61b的两端上，端子63c和65c沿纵向方向可移动地形成在电极61c的两端上。
[0180]此外,端子63d和65d沿纵向方向可移动地形成在电极61d的两端上,端子63e和65e沿纵向方向被可移动地形成在电极61e的两端上。
[0181]接下来，参照图28至图31描述当温度梯度被施加到热电转换元件Ie时的具体实例。
[0182]首先，如图28所示，当沿与热电转换元件Ie的元件表面垂直的方向(与平面垂直的方向)施加温度梯度时，在磁性膜2中沿与平面垂直的方向生成的自旋流主要流向电极61a、61b、61c、61d和61e。通过在每个电极中生成的逆自旋霍尔效应,生成自旋流，并且然后在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被转换为电流，以被获取为温差电动势。
[0183]另一方面，如图29所示，当沿与热电转换元件Ie的元件表面平行的方向(附图中的前后方向)施加温度梯度时，在磁性膜2中沿平面内的方向生成的自旋流流向电极6la、61b、61d和61e。此后，通过电极内生成的逆自旋霍尔效应，在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被转换为电流(电动势)，以被获取为温差电动势。然而在这种情况下，在磁性膜2中沿附图中的前后方向生成自旋流。因此，在电极中的每个电极和被设置在磁性膜2的前侧的电极61a和61b中的磁性膜2之间的界面处的自旋流的方向(自旋流的符号)变得与被设置在磁性膜2的后侧的电极61d和61e中的相反(具有相反的符号)。因此，在电极61a和61b中生成的温差电动势的方向变得与在电极61d和61e中生成的温差电动势相反(具有相反的符号)。
[0184]此外，当通过电串联在多个电极中生成的温差电动势时，总体上可以获得大的输出电压。例如，图30和图31中的每幅图均示出了其中电极通过连接线64被彼此连接的结构。图30示出了当施加沿与平面垂直的温度梯度时具有连接线64的最优连接结构，图31示出了当施加沿平面内的方向的温度梯度时具有连接线64的最优连接结构。
[0185]如图30和图31所示，用于有效地添加温差电动势的电极的连接方法在使用沿与平面垂直的方向的温度梯度的情况和使用沿平面内的方向的温度梯度的情况之间有所不同。因此，期望通过连接线64的电极串联的方法可以根据温度梯度的方向重新构造。
[0186]通过上述构造，和第一实施例的情况一样，通过沿与平面垂直的方向的温度梯度和沿平面内的方向的温度梯度实现了热电发电功能。
[0187]已说明了为什么电极61a、61b、61c、61d和61e被形成为具有如图27所示的条状形状的原因。
[0188]如上所述，为了高效地热电发电，期望热电转换元件具有小的热传导(短的热传导路径)的元件结构，以便维持温差用于连续发电。另一方面，为了通过沿与平面垂直的方向的温度梯度获得较大的电能，电极的面积期望大于在第一实施例的情况下的电极3的面积。然而，在其中电极3具有较大面积的结构中执行平面内热电发电的情况下，该电极3与在第一实施例的情况下相同地被布置，具体地，当电极3具有大的膜厚度和导热系数时，大的热流流到电极3的平面内，导致沿平面内的方向的热传导作为整个元件增加(生成长的热传导路径)。在这种情况下，存在对于沿平面内的方向的温度梯度的热电发电效率变得比通过用沿与平面垂直的方向的温度梯度获得的热电发电效率低的可能性。
[0189]在另一方面，在图27所示的热电转换元件Id中，多个条状电极被布置使得彼此被隔开。因此，在电极部中没有生成长的热传导路径。因此，上述问题被解决。
[0190]此外，通过连接如图30和图31所示的多个电极，获得了和当电极的面积被有效地增加时获得的效果一样的效果。具体地，平面内的热传导可以被减少，而同时可以通过沿与平面垂直的方向的温度梯度获得大的电能。
[0191]优选地，电极的数目是偶数。这是因为，如果电极的数目是奇数的话，当施加沿平面内的方向的温度梯度时，不能从布置在中心的电极中(图27所示的情况下的电极6Ic)获得电能。
[0192]此外，图27示出了其中五个电极被平行地布置的结构。然而，电极的数目可以是至少两个。因此，期望通过一种结构获得相同的效果，即使该结构仅包括如图32所示的热电转换元件If中的两个电极(电极3a和3b)。
[0193]换言之，如图33所示，当沿与热电转换元件If的元件表面垂直的方向施加温度梯度时，在磁性膜2中沿与平面垂直的方向生成的自旋流流向电极3a和3b。通过在每个电极中生成的逆自旋霍尔效应，生成自旋流，并且然后在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被转换成电流(电动势)。因此，端子7a和9a之间的电位差可以被获取为温差电动势V9，其中，端子7b和9b之间的电位差可以被获取为温差电动势Vltl。
[0194]此外，如图34所示，当沿与热电转换元件If的元件表面平行的方向(附图中的前后方向)施加温度梯度时，在磁性膜2中沿平面内的方向生成的自旋流流向电极3a和3b。此后，通过在电极3a和3b内生成的逆自旋霍尔效应，在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被转换为电流(电动势)。因此，在端子7a和9a之间的电位差可以被获取为温差电动势V9，其中，在端子7b和9b之间的电位差可以被获取为温差电动势V1(l。然而在这种情况下，在磁性膜2中沿附图中的前后方向生成自旋流。因此，在电极中的每个电极和被设置在磁性膜2的前侧的电极3a中的磁性膜2之间的界面处的自旋流的方向(自旋流的符号)变得与被设置在磁性膜2的后侧的电极3b中的相反(具有相反的符号)。
[0195]如上所述，根据第六实施例，热电转换元件Ie包括基片4、磁性膜2和电极61a、61b、61c、61d和61e，该磁性膜被设置在基片4上，并且由可以沿预定方向磁化的多晶磁绝缘体材料制成，该电极被设置在磁性膜2上，并且由具有自旋轨道互作用的材料制成，并且热电转换元件Ie被构造为能够将磁性膜2中沿与平面垂直的方向的温度梯度作为电极6la、6lb、61c、6Id和6Ie的表面中的电位差输出，并且能够将磁性膜2中沿平面内的方向的温度梯度作为电极61a、61b、61c、61d和61e的表面中的电位差输出。
[0196]因此，提供了和第一实施例的效果相同的效果。
[0197]此外，根据第六实施例，热电转换元件Ie包括条状电极61a、61b、61c、61d和61e，该电极在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上具有纵向方向，并且被彼此平行地布置。
[0198]因此，与第一实施例相比，平面内的热传导被减少，而同时通过沿与平面垂直的方向的温度梯度获得了大的电能。因此，对于任何沿与平面垂直的方向的温度梯度和沿平面内的方向的温度梯度来说，可以高效地热电转换。
[0199]接下来，参照图35至图37说明本发明的第七实施例。
[0200]第七实施例对应于第六实施例的变型,在该第七实施例中磁性膜2和电极3是层压的。
[0201]在第七实施例中，具有和第六实施例的元件功能相同的元件由相同的附图标记表示。因此，主要说明与第六实施例的不同之处。
[0202]如图35所示，根据第七实施例的热电转换元件Ig具有其中磁性膜2和电极3交替地层压的结构。间隔件20被设置在每个磁性膜2的下表面和每个电极3的上表面之间。
[0203]当温度梯度被施加到上述磁性物质时，通过自旋塞贝克效应沿温度梯度的方向引起自旋流。
[0204]在热电转换元件Ig中，分别通过多个层压磁性膜2中的温度梯度生成自旋流。在该实施例中，为了将自旋流获取为电动势，将多个电极3分别布置在多个磁性膜2上使得彼此平行。通过电极，磁性物质中的沿任何方向的自旋流可以被获取为电动势。
[0205]参照图36至图37描述当将温度梯度施加到热电转换元件If时具体的操作实例。
[0206]首先，如图36所示，当沿与热电转换元件Ig的元件表面垂直的方向(与平面垂直的方向)施加温度梯度时，在每个磁性膜2中沿与平面垂直的方向生成的自旋流流向每个邻近的电极3。通过在每个电极3中生成的逆自旋霍尔效应，在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被转换为电流，以被获取为温差电动势V。
[0207]另一方面，如图37所示，当沿与热电转换元件Ig的元件表面平行的方向(平面内的方向)施加温度梯度时，在每个磁性膜2中沿平面内的方向生成自旋流，并且然后自旋流流向每个邻近的电极3。通过在每个电极3中生成的逆自旋霍尔效应，在与磁性膜2的磁化方向垂直的方向上自旋流被转换为电流(电动势)，以被获取为温差电动势V。
[0208]如上所述，热电转换元件可以被构造为具有层压结构。可以分别通过多个层压电极3获取温差电动势。以此方式，对于任何沿与平面垂直的方向和平面内的方向的温度梯度来说，整体上可以实现具有大的发电效率的热电转换元件。
[0209]如上所述，根据第七实施例，热电转换元件Ig包括:基片4、磁性膜2和电极3，该磁性膜被设置在基片4上，并且由可以沿预定方向磁化的多晶磁绝缘体材料制成，该电极被设置在磁性膜2上，并且由具有自旋轨道互作用的材料制成，并且热电转换元件Ig被构造为能够将磁性膜2中沿与平面垂直的方向的温度梯度作为电极3的表面中的电位差输出，并且能够将磁性膜2中沿平面内的方向的温度梯度作为电极3的表面中的电位差输出。
[0210]因此，提供了与第一实施例的效果相同的效果。
[0211]此外，根据第七实施例，热电转换元件Ig具有其中磁性膜2和电极3被交替层压的结构。
[0212]因此，与具有单层的情况相比，可以获得较大的温差电动势。
[0213]接下来，参照图38描述本发明的第八实施例。
[0214]第八实施例对应于第一实施例的变型，在该第八实施例中仅设置了一个端电极。
[0215]在第八实施例中，具有和第一实施例的元件功能相同的元件由相同的附图标记表示。因此，主要说明与第一实施例的不同之处。
[0216]如图38所示，根据第八实施例的热电转换元件Ih仅包括一个端电极(电极3a)。
[0217]如上所述，端电极不一定需要成对设置，并且可以仅在磁性膜2的一端上设置。
[0218]如上所述，根据第八实施例，热电转换元件Ih包括基片4、磁性膜2和电极3和3a，该磁性膜被设置在基片4上，并且由可以沿预定方向磁化的多晶磁绝缘体材料制成，该电极被设置在磁性膜2上，并且由具有自旋轨道互作用的材料制成，并且热电转换元件Ih被构造为能够将磁性膜2中沿与平面垂直的方向的温度梯度作为电极3的表面中的电位差输出，并且能够将磁性膜2中沿平面内的方向的温度梯度作为电极3a和3b的表面中的电位差输出。
[0219]因此，提供了与第一实施例的效果相同的效果。
[0220]接下来，参照图39描述本发明的第九实施例。
[0221]第九实施例对应于第一实施例的变型，在该第九实施例中电极3a和3b被集成到一个本体内。
[0222]在第九实施例中，具有和第一实施例的元件功能相同的元件由相同的附图标记表示。因此，主要说明与第一实施例的不同之处。
[0223]如图39所述，在根据第九实施例的热电转换元件Ii中，电极3a和3b通过连接部3c被连接以构造为集成的U形形状的端电极。
[0224]如上所述，端电极不一定需要成对设置并且彼此隔开，而也可以彼此连接。
[0225]如上所述，根据第九实施例，热电转换元件Ii包括基片4、磁性膜2和电极3、3a和3b，该磁性膜被设置在基片4上，并且由可以沿预定方向磁化的多晶磁绝缘体材料制成，该电极被设置在磁性膜2上，并且由具有自旋轨道互作用的材料制成，并且热电转换元件Ii被构造为能够将磁性膜2中沿与平面垂直的方向的温度梯度作为电极3的表面中的电位差输出，并且能够将磁性膜2中沿平面内的方向的温度梯度作为电极3a和3b的表面中的电位差输出。
[0226]因此，提供了与第一实施例的效果相同的效果。
[0227]< 实例 >
[0228]在下文中，基于实例进一步地描述本发明。
[0229][实例I][0230]制造了根据第一实施例的热电转换元件I。具体步骤如下:
[0231]首先，关于基片4，使用由Saint-Gobain K.K制造的镓钆镓石榴石(在下文中被称为“GGG”;其成分是Gd3Ga5O12)基片的平面(111)。关于磁性膜2，使用Y位部分地被Bi代替的钇铁石榴石膜(其成分是BiY2Fe5O12 ;在下文中被称为“B1:YIG”)。关于电极3、3a和3b，使用Pt。在这种情况下，GGG基片的厚度被设置为0.7mm，B1:YIG膜的厚度被设置为0.3mm,以及Pt电极的厚度被设置为10nm。
[0232]通过气溶胶沉积法形成B1: YIG磁性膜2。关于B1: YIG的原料，使用具有直径为300nm的B1: YIG细颗粒。B1: YIG细颗粒被储存在气溶胶发生器容器中，并且GGG基片被固定到设在膜形成腔中的固定器。在该状态下，通过在膜形成腔和气溶胶发生器容器之间生成压差，BiAIG细颗粒被吸入到膜形成腔内，并且通过喷嘴被喷射到GGG基片上。此时，通过在基片处生成的碰撞能量，细颗粒被压碎并且重新结合以在基片上形成YIG多晶体。基片载物台被二维扫描，以在基片上形成膜厚度为0.3mm的均匀的Bi = YIG磁性膜2。
[0233]此外，在如此形成的B1: YIG磁性膜2的表面被抛光后，通过照相平印术和溅射法在B1: YIG磁性膜上形成Pt电极3、3a和3b，以完成热电转换元件I。
[0234][实例2]
[0235]制造了根据第二实施例的热电转换元件la。具体步骤如下:
[0236]关于基片4a，使用包含碳素纤维的热传导各向异性基片，该碳素纤维在作为填料的环氧树脂内取向。该碳素纤维相对于基片沿与平面垂直的方向取向，并且在该方向上具有大的导热系数。
[0237]关于磁性膜2，使用Y位部分地被Bi代替的钇铁石榴石膜(BiY2Fe5O12X关于电极
3、3a和3b，使用Pt。在这种情况下，基片4a的厚度被设置为0.3mm，B1: YIG膜的厚度被设置为0.1mm,以及Pt电极的厚度被设置为10nm。
[0238]通过气溶胶沉积法形成B1: YIG磁性膜2。关于B1: YIG的原料，使用具有直径为300nm的B1: YIG细颗粒。B1: YIG细颗粒被储存在气溶胶发生器容器中，并且基片被固定到设在膜形成腔中的固定器。在该状态下，通过在膜形成腔和气溶胶发生器容器之间生成压差，BiAIG细颗粒被吸入到膜形成腔内，并且通过喷嘴被喷射到基片上。此时，通过在基片处生成的碰撞能量，细颗粒被压碎并且重新结合以在基片上形成YIG多晶体。基片载物台被二维扫描，以在基片上形成膜厚度为0.1mm的均匀的B1:YIG磁性膜2。
[0239]此外，在如此形成的B1: YIG磁性膜2的表面被抛光后，通过照相平印术和溅射法在B1: YIG磁性膜上形成Pt电极3、3a和3b，以完成热电转换元件la。
[0240][实例3]
[0241]制造了根据第三实施例的热电转换元件lb。具体步骤如下:
[0242]关于具有各向异性的热传导特性的基片4b，使用厚度为0.3mm的聚酰亚胺基片，该聚酰亚胺基片具有在其上形成切口的后表面，每个切口具有0.1mm的宽度和0.2mm的深度。
[0243]关于磁性膜2，使用B1:YIG膜。关于电极3、3a和3b，使用Pt。在这种情况下，B1:YIG膜的厚度被设置为0.1mm,以及Pt电极的厚度被设置为10nm。
[0244]通过气溶胶沉积法形成B1: YIG磁性膜2。关于B1: YIG的原料，使用具有直径为300nm的Bi = YIG细颗粒。Bi = YIG细颗粒被储存在气溶胶发生器容器中，并且基片4b被固定到设在膜形成腔中的固定器。在该状态下，通过在膜形成腔和气溶胶发生器容器之间生成压差，B1:YIG细颗粒被吸入到膜形成腔内，并且通过喷嘴被喷射到基片4b上。此时，通过在基片处生成的碰撞能量，细颗粒被压碎并且重新结合以在基片4b上形成YIG多晶体。基片载物台被二维扫描，以在基片4b上形成膜厚度为0.1mm的均匀的B1:YIG磁性膜2。
[0245]此外，在如此形成的B1: YIG磁性膜2的表面被抛光后，通过照相平印术和溅射法在B1:YIG磁性膜上形成Pt电极3、3a和3b。
[0246]最终，通过印迹法加工基片4b的后表面，该印迹法使用模板21用于形成如图14所示的切口。在这种情况下，基片被提前加热。然后，模板21被压靠基片以形成切口 7。最后，基片4b被冷却，以制造具有各向异性的热传导特性的基片4b。
[0247]通过上述步骤，完成了热电转换元件lb。
[0248]工业实用性:
[0249]给出了将电能输送到端子、传感器等的电源作为使用本发明的实例。
[0250]在上述的实施例中，已描述了热电转换元件被用于从温度梯度中获取电流或电压的热电发电的情况。然而，本发明并不局限于此。例如，热电转换元件也可以被用作用于检测温度(通过在附近设置各向异性膜等)、红外线等的热传感器。与上述的使用方法相比，被用作玻尔贴装置(Peltier device)在原理上是可能的,该装置用于通过电流从外部通过电极生成温度梯度。
[0251]本申请要求于2011年5月23日提交的日本专利申请JP2011-114301的优先权，通过引用将其全部公开内容并入本文。
[0252]附图标记列表
[0253]
【权利要求】
1.一种热电转换元件，包括: 磁性膜，所述磁性膜被设置在基片上，并且由磁性物质构成，所述磁性物质能够沿预定方向被磁化，具有与膜表面平行的分量；和 多个电极，所述多个电极被设置到所述磁性膜，并且由具有自旋轨道互作用的材料构成，所述多个电极沿所述预定方向被布置， 其中，所述热电转换元件被构造为能够将与所述磁性膜的表面垂直的温度梯度作为多个电极的表面中的任何表面中的电位差输出，并且能够将与所述磁性膜的表面平行的温度梯度作为多个电极的表面中的任何表面中的电位差输出。
2.根据权利要求1所述的热电转换元件，其中，所述热电转换元件被构造为使得当所述温度梯度被施加到所述磁性膜时，生成从所述磁性膜流向所述多个电极的自旋流，并且通过在所述多个电极中的逆自旋霍尔效应在与所述预定方向垂直的方向上生成电流。
3.根据权利要求2所述的热电转换元件，还包括温差电动势输出装置，所述温差电动势输出装置被设置在所述多个电极中的每个电极的两点处，以将由所述电流生成的温差电动势作为在所述多个电极中的每个电极上的两点之间的电位差输出。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的热电转换元件，还包括温度梯度施加装置，所述温度梯度施加装置用于将所述温度梯度施加到所述磁性膜。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的热电转换元件，其中: 所述多个电极包括: 端电极，所述端电极被设置在所述磁性膜的端部，所述端电极能够将与所述磁性膜的表面平行的温度梯度作为电位·差输出；和 中心电极，所述中心电极能够将与所述磁性膜的表面垂直的温度梯度作为电位差输出；并且 所述中心电极在平面上具有的面积大于所述端电极的面积。
6.根据权利要求5所述的热电转换元件，其中，所述端电极被设置为一对或更多对。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的热电转换元件，其中，所述电极和所述基片中的至少一个在与其表面垂直的方向上具有比在与所述表面平行的方向上的导热系数大的导热系数。
8.根据权利要求7所述的热电转换元件，其中，所述基片包括填料，所述填料具有热传导各向异性。
9.根据权利要求7所述的热电转换元件，其中，所述基片包括狭缝，所述狭缝被设置以便横跨所述磁性物质的所述预定方向，所述狭缝被设置用以截止沿与所述预定方向平行的方向的热传导。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的热电转换元件，其中，所述多个电极被设置在所述磁性膜的两个表面上以便彼此相对。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的热电转换元件，其中: 所述多个电极包括条状电极，所述条状电极在与所述预定方向垂直的方向上具有纵向方向；并且 所述条状电极被设置为彼此平行。
12.根据权利要求11所述的热电转换元件，其中，所述多个电极被彼此串联。
13.根据权利要求12所述的热电转换元件，其中，所述多个电极被构造为能够根据所述温度梯度的方向进行连接，使得添加的温差电动势的总量变得最大。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的热电转换元件，其中，多个磁性膜和所述电极被层压。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的热电转换元件，其中，所述磁性膜具有矫顽力。
16.—种热电转换方法,包括: 将温度梯度施加到根据权利要求1至15中的任一项所述的热电转换元件的所述磁性膜，以生成从所述磁性膜流向所述多个电极的自旋流；和 通过在所述多个电极中生成的逆自旋霍尔效应，在与所述预定方向垂直的方向上生成电流。
【文档编号】H01L37/00GK103718302SQ201280021590
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年5月22日 优先权日:2011年5月23日
【发明者】桐原明宏, 中村泰信, 万伸一, 内田健一, 齐藤英治 申请人:日本电气株式会社, 国立大学法人东北大学