热电转换元件及其制造方法
【专利说明】
[技术领域]
[0001]本发明涉及一种基于自旋塞贝克效应和逆自旋霍尔效应的热电转换元件以及其制造方法。
[【背景技术】]
[0002]近年来，被称为“自旋电子学”的电子技术已纳入人们的视野。传统的电子学只使用“电荷”，其是电子的一个属性，而自旋电子学积极地使用“自旋”，其是电子的除了 “电荷”之外的另一属性。尤其是，“自旋电流”，也就是电子的自旋角动量流是一个重要概念。由于自旋电流的能量耗散很小，则存在一种可能性，即使用自旋电流可以实现高效的信息传输。因此，产生、检测和控制自旋电流是一个重要的课题。
[0003]例如，已知有一种现象，即当电流流过时产生自旋电流。这被称为“自旋霍尔效应”。作为一种与其相反的现象，已知的是当自旋电流发生时，电动势也就产生了。这就是所谓的“逆自旋霍尔效应”。通过使用逆自旋霍尔效应，可以检测到自旋电流。自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应在“自旋轨道耦合”强烈的材料(例如，铂或金)中非常明显。
[0004]通过最近的研宄，已经明确在磁性材料中存在“自旋塞贝克效应”。自旋塞贝克效应是这样一种现象:当温度梯度施加到磁性材料时，感应出的自旋电流的方向与温度梯度平行(例如，参照专利文献1、非专利文献I和非专利文献2)。换句话说，通过自旋塞贝克效应，热被转换成自旋电流(热自旋电流转换)。专利文献I报道了铁磁金属NiFe膜中的自旋塞贝克效应。非专利文献I和2报道的是在金属膜和磁性绝缘体如钇铁石榴石(YIG，Y3Fe5O12)之间的交界面处的自旋塞贝克效应。
[0005]由温度梯度产生的自旋电流可以通过使用上述的逆自旋霍尔效应而转换成电场(电流、电压)。即，同时使用自旋塞贝克效应和逆自旋霍尔效应能够实现“热电转换”，即将温度梯度转换成电。
[0006]图1示出的是专利文献I中所公开的热电转换元件的构造。在蓝宝石衬底101上，形成热自旋电流转换单元102。热自旋电流转换单元102具有Ta膜103、PdPtMn膜104和NiFe膜105的层叠结构。NiFe膜105具有面内方向上的磁化。在NiFe膜105上形成Pt电极106。Pt电极106的两端分别连接到端子107-1和107-2。
[0007]在这种构造的热电转换元件中，NiFe膜105起着通过自旋塞贝克效应从温度梯度产生自旋电流的作用，并且Pt电极106起着通过逆自旋霍尔效应从自旋电流产生电动势的作用。具体而言，当温度梯度施加在NiFe膜105的面内方向上时，由自旋塞贝克效应产生在与温度梯度平行的方向上的自旋电流。然后，自旋电流从NiFe膜105流入到Pt电极106中。可替代地，自旋电流流出Pt电极106到NiFe膜105。在Pt电极106中，通过逆自旋霍尔效应，电动势在与自旋电流方向和NiFe磁化方向垂直的方向上产生。电动势可以从设置在Pt电极106两端处的端子107-1和107-2引出。
[0008][引用列表]
[0009][专利文献]
[0010][PTL1]日本特开专利公开 N0.2009-130070
[0011][非专利文献]
[0012][NPLl]Uchida 等人，“自旋塞贝克绝缘体”(“Spin Seebeck insulator”)，自然材料(Nature Materials)，2010 年，第 9 卷，第 894 页。
[0013][NPL2]Uchida等人，“在磁性绝缘体上纵向自旋塞贝克效应的观察，，(“Observat1n of longitudinal spin-Seebeck effect in magnetic insulators，，)，应用物理快报(Applied Physics Letters)，2010 年，第 97 卷，第 172505 页。
[
【发明内容】
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[0014]本发明期望使得热电转换元件的输出较高。
[0015]在本发明的一个方面中，提供一种热电转换元件。该热电转换元件包括具有柔性的热电转换片。该热电转换片包括:磁性层；起电层，该起电层形成在磁性层上以与磁性层接触，并且该起电层由呈现自旋轨道耦合的材料形成；及第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极形成在起电层上以与起电层接触。第一电极和第二电极在热电转换片的纵向方向上延伸，且在垂直于纵向方向的第一方向上彼此分开。
[0016]在本发明的另一个方面中，提供了一种用于热电转换元件的制造方法。该制造方法包括(A)，提供具有柔性的热电转换片的步骤。该热电转换片包括:磁性层；起电层，该起电层形成在磁性层上以与磁性层接触，并且该起电层由呈现自旋轨道耦合的材料形成；及第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极形成在起电层上以与起电层接触。第一电极和第二电极在热电转换片的纵向方向上延伸，且在垂直于纵向方向的第一方向上彼此分开。该制造方法还包括(B)，围绕着平行于第一方向的中心轴线卷绕热电转换片的步骤。
[0017]根据本发明，可以实现热电转换元件的较高输出。
[【附图说明】]
[0018]图1是示出专利文献I中所述的热电转换元件的示意图。
[0019]图2是示出根据本发明的实施例的热电转换元件的示意图。
[0020]图3是示出根据本发明的实施例的热电转换元件的示意图。
[0021]图4是用于描述根据本发明的实施例的热电转换元件的使用示例的示意图。
[0022]图5是用于描述根据本发明的实施例的热电转换元件的使用示例的示意图。
[0023]图6是用于描述根据本发明的实施例的热电转换元件的使用示例的示意图。
[0024]图7是用于描述根据本发明的实施例的热电转换元件的使用示例的示意图。
[0025]图8是用于描述根据本发明的实施例的热电转换元件的使用示例的示意图。
[0026]图9是用于描述根据本发明的实施例的热电转换元件的使用示例的示意图。
[0027]图10是用于描述根据本发明的实施例的热电转换元件的使用示例的示意图。
[0028]图11是用于描述根据本发明的实施例的热电转换元件的使用示例的示意图。
[0029]图12是用于描述根据本发明的实施例的热电转换元件的修改示例的示意图。
[0030]图13是示出根据本发明的实施例的热电转换元件的另一修改示例的平面图。
[【具体实施方式】]
[0031]将结合附图对本发明实施例进行说明。
[0032]1.构造
[0033]图2和图3示意性地示出了根据本发明的第一实施例的热电转换元件。该热电转换元件包括热电转换片10。该热电转换片10具有柔性。柔性包括塑性和弹性两者的概念。换句话说，热电转换片10是可以弯曲的(参照图3)。
[0034]如图2和图3中所示，热电转换片10具有在一个方向上长的形状。热电转换片10的纵向方向(延伸方向)在附图中由“S”表示。由于热电转换片10可以弯曲，所以可以在热电转换片10的每个点处局部地限定纵向方向(S方向)(参照图3)。
[0035]热电转换片10包括基板20、磁性层30、起电层40、第一电极51和第二电极52。磁性层30形成在基板20上。起电层40形成在磁性层30上，以便与磁性层30接触。即，基板20、磁性层30以及起电层40按照该顺序进行层叠。该层叠方向垂直于上述纵向方向(S方向)，并在附图中由“T”表示。由于热电转换片10是可以弯曲的，所以可以在热电转换片10的每个点处局部地限定层叠方向(T方向)(参照图3)。
[0036]磁性层30由表现出自旋塞贝克效应的材料形成。磁性层30的材料可以是铁磁性金属或磁性绝缘体。作为铁磁性金属，可以列举NiFe、CoFe, CoFeB等。作为磁性绝缘体，可以列举钇铁石榴石(YIG，Y3Fe5O12)、掺杂铋(Bi) ^ YIG(B1:YIG)、掺杂镧(La)的YIG(LaY2Fe5O12)、钇镓铁石榴石(Y3Fe5_xGax012)等。从由于电子抑制热传导的观点出发，期望的是使用磁性绝缘体。
[0037]起电层(导电层)40由表现出逆自旋霍尔效应(自旋轨道耦合)的材料形成。更具体地，起电层40的材料包括自旋轨道耦合强的金属材料。例如，使用自旋轨道耦合相对较强的金、铂、钯或铱、具有f轨道的其它金属材料、或包括它们的合金材料。只通过将大约0.5%至10%的诸如金、钼、钯或铱的材料掺杂到一般的金属膜材料，例如铜，可以得到相同的效果。可替代地，起电层40可以是氧化物，如ΙΤ0。
[0038]通过层叠这些磁性层30和起电层40，热电转换片10变成拥有热电转换功能，该热电转换功能使用自旋塞贝克效应和逆自旋霍尔效应。更具体地，磁性材料30通过自旋塞贝