NEC与日本东北大学开发出了“自旋热电转换（Spin Thermo Electric：STE）元件”。这种元件可通过涂布工艺制作，因此“家里的屋顶、汽车和个人电脑等日常生活中所有带有热量的东西，都有可能成为电源”（NEC）。

不同于现有的热电转换元件

此次NEC等开发的STE元件是将温度梯度转换成电力的热电转换元件的一种。STE元件的特点是采用在基板上层叠膜厚为60～240nm的超薄磁膜以及膜厚为10nm的金属膜这种极为简单的构造。元件构造不同于采用n型和p型半导体的传统热电转换元件（图1）。

发电原理也不同。NEC等将最近发现的两种物理现象（1）自旋塞贝克效应*和（2）逆自旋霍尔效应*相结合，在全球首次使热电转换元件发电。

*自旋塞贝克效应（Spin Seebeck Effect）＝因温度梯度而产生自旋流的现象。在2008年10月9日的学术杂志《Nature》上，由时任日本庆应义塾大学专职讲师的齐藤英治（现任日本东北大学金属材料研究所教授）的研发团队发布。名称源自向热电偶等提供温度梯度时就会产生电动势的“塞贝克（Seebeck）效应”。

*逆自旋霍尔效应（Inverse Spin Hall Effect）＝自旋流转换成电流（电场）的现象。电流可转换成自旋流的“自旋霍尔效应”是在2004年通过实验被确认的。“逆自旋霍尔效应”是2006年在室温下确认的。

（1）是磁性材料带有温度梯度后，会产生与温度梯度相对应的“自旋流”的现象。自旋是带有电子等基本粒子的内部角动量，即使是没有电流流动的磁性绝缘体也会产生自旋流。NEC智能能源研究所主任桐原明宏介绍说，“热量会引起自旋的波动，其波动传至低温侧后就会产生自旋流”。他解释说，自旋流与将电子的向上自旋流以及与其相反的向下自旋流结合起来是等效的。桐原表示，“只要存在温度梯度，自旋流就不会消失”。

产生的自旋流到达金属膜后，此次由自由电子负责自旋流。于是，在金属原子核的影响下，电子被拖至与自旋流垂直的方向。这就是逆自旋霍尔效应。

在传统的热电转换元件中，电流流动的方向与温度梯度的方向几乎平行，而且电流需要流入导电性较低的半导体中。而在STE元件中，电流方向与温度梯度方向垂直，而且电流在金属中流动。金属膜中的电流方向，可以通过磁性材料的磁场方向进行控制（图2）。

另外，STE元件具有电动势V与元件长度和磁膜厚度成正比的特点。也就是说，如果加大元件长度或增加膜厚，就可以提高电动势。传统的热电转换元件也会大量使用由n型和p型半导体构成的热电偶，从而提高整个元件的电动势。但是，此次无需复杂的图案。 

热电动势为现有材料的几十倍

此次STE元件的发电性能可能会远远大于传统的热电转换元件。NEC等在钆镓石榴石（GGG，Gadolinium Gallium Garnet）基板上用旋涂法将Bi：YIG*磁性材料涂布至60nm厚，然后烧结并使其结晶化。接下来通过溅射法形成铂（Pt）薄膜，试制出尺寸为5mm×2mm的STE元件。结果，每1K温度差的热电动势为V＝0.82μV/K。这个数值在传统的热电转换材料中叫做“塞贝克系数（S）”。

*Bi：YIG＝用铋（Bi）进行了部分置换的钇铁石榴石（BiYFeO）。

　　S值较高表示能以较小的温度差获得较大的电动势。传统热电发电元件材料的S值为200μ～980μV/K（图3）。虽然新元件的S看起来比其小很多，但“在此次试制的元件中，与磁性材料的膜厚相比，基板非常厚。磁膜自身的S算出来为9.6mV/K，远远超过现有的热电转换材料”（NEC的桐原）。

据悉，现已确认除了GGG外，采用玻璃等时也可获得几乎相同的发电性能。实用时的基板设想为屋顶和汽车的外板等，因此在性能评价上无需考虑基板厚度。

据介绍，今后的课题是开发出能以更低的价格获得更强的自旋流，而且磁化寿命较长的磁性材料。原因是如果磁化消失或磁化方向受到地磁等外部磁场的影响发生变化，发电性能就会下降。（记者：野泽 哲生，《日经电子》）