構造デザインで磁性材料の横型熱電変換性能を大幅に向上～磁性材料を用いた熱電応用に新たな光～
科学技術振興機構（JST）令和６年１１月１４日
ＮＩＭＳ（物質・材料研究機構）
東京大学
科学技術振興機構（ＪＳＴ）
構造デザインで磁性材料の横型熱電変換性能を大幅に向上
～磁性材料を用いた熱電応用に新たな光～
ＮＩＭＳと東京大学からなる研究チームは、磁性金属と半導体を交互に多数積層・接合し、斜めに切断した複合材料において、磁性材料特有の“横型”熱電効果を従来よりもはるかに高い性能で利用できることを提案・実証しました。
磁性材料の磁化と垂直な方向に温度差を付けた際に、磁化と熱の流れの両者に直交した方向に電流が生成される現象「異常ネルンスト効果」は、汎用性や耐久性が高く低コストの熱電変換を可能にする駆動原理として注目を集めています。現在、異常ネルンスト効果のさらなる性能の向上を目指し、物質の特殊な電子構造に着目した新しい磁性材料探索が活発に取り組まれていますが、２０１８年に報告されたコバルト基トポロジカル磁性体の性能を超える物質は室温下では報告されておらず、異常ネルンスト効果の性能の向上は頭打ちの状況になっています。加えて、この現最高性能ですら実用レベルには達しておらず、性能指数を１００倍以上向上させる必要があります。
今回、研究チームは、磁性金属と半導体から構成される人工傾斜型多層積層体を作製し、磁場や磁性にはよらず、その傾斜構造由来で発現する横型熱電効果「非対角ゼーベック効果」を異常ネルンスト効果と同時に発現させ、２つの現象の相乗効果によって、同じ磁性材料を単体で用いたときよりも１桁以上大きい性能指数で異常ネルンスト効果を利用できることを実証しました。この相乗作用は、異常ネルンスト効果自体の性能に加え、組み合わせる非対角ゼーベック効果の性能にも依存して増大します。これは、これまでの異常ネルンスト効果の研究では注目されていなかった物性値や複合材料構造といった要素が横型熱電変換の性能向上に重要であることを示すものです。
今回の成果は、従来の磁性材料における熱電効果の研究とは全く異なる着眼点によって、異常ネルンスト効果の新たな利用法とともに、構造デザインに立脚した新たな熱電変換材料の設計指針を提供するものです。本指針に基づきさらに高い熱電性能を示す複合材料を開発することで、排熱を利用した発電技術や電子冷却技術、熱センシング技術などへの応用展開を目指していきます。
本研究成果は、日本時間２０２４年１１月１４日に「Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」誌にオンライン掲載されます。
本研究は、ＮＩＭＳ 磁性・スピントロニクス材料研究センターの平井 孝昌 研究員、安藤 冬希 特別研究員、世伯理 那仁 グループリーダー、内田 健一 上席グループリーダー（兼 東京大学 大学院新領域創成科学研究科 教授）によって、ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業 ＥＲＡＴＯ「内田磁性熱動体プロジェクト」（研究総括：内田 健一、課題番号：ＪＰＭＪＥＲ２２０１）の一環として行われました。
＜プレスリリース資料＞
- 本文 ＰＤＦ（５３０ＫＢ）
＜論文タイトル＞
- “Hybridizing anomalous Nernst effect in artificially tilted multilayer based on magnetic topological material”
- ＤＯＩ：10.1038/s41467-024-53723-2
＜お問い合わせ先＞
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＜研究に関すること＞
平井 孝昌（ヒライ タカマサ）
物質・材料研究機構 磁性・スピントロニクス材料研究センター スピンエネルギーグループ 研究員
Tel：029-859-2565
E-mail：HIRAI.Takamasanims.go.jp内田 健一（ウチダ ケンイチ）
物質・材料研究機構 磁性・スピントロニクス材料研究センター スピンエネルギーグループ 上席グループリーダー
Tel：029-859-2062
E-mail：UCHIDA.Kenichinims.go.jp東京大学 大学院新領域創成科学研究科 物質系専攻 教授
E-mail：kuchidaedu.k.u-tokyo.ac.jp
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＜ＪＳＴ事業に関すること＞
永井 諭子（ナガイ サトコ）
科学技術振興機構 研究プロジェクト推進部 グリーンイノベーショングループ
〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
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物質・材料研究機構 国際・広報部門 広報室
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E-mail：pressreleaseml.nims.go.jp東京大学 大学院新領域創成科学研究科 広報室
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