フォノンドラッグ効果を利用した高効率ナノ構造化熱電変換材料の開発

基礎材料をイットリウム鉄ガーネット(YIG)として，結晶粒径を系統的に変化させたバルク焼結体を作製し，Pt/YIG/Pt系に対して10 Kから300 Kの温度域でスピンゼーベック起電力と熱伝導率の温度依存性の測定および比較を行った．なお，試料の作製に関してはナノ粒子の作製には遊星型ボールミル，焼結には放電プラズマ焼結機を用いた．また，熱伝導率測定には定常法を用い，ゼーベック係数はPt/YIG/Pt試料の上下面をサファイア基板で挟み込んだ系に対してヒーターを用いて温度差を印加して測定した．平均粒径が2.25 μmおよび0.55 μmであるバルク焼結体を作製し，単結晶および平均粒径が20.0 μmである市販多結晶体の熱伝導率およびスピンゼーベック起電力を比較した．ナノ構造化により熱伝導率およびスピンゼーベック起電力ともに単結晶に比べ低下した．また，粒径の減少とともに両者は低下し，熱伝導およびスピンゼーベック効果に寄与するフォノンおよびマグノンの粒界散乱を系統的に確認した．加えて，スピンゼーベック起電力のナノ構造化による低減率は熱伝導率に比べ大きく，これはスピンゼーベック効果に寄与するマグノンおよびフォノンの輸送特性長が熱伝導に寄与するフォノンに比べ長いためと考えられる．なお，この結論はスピンゼーベック起電力および低温での熱伝導率の磁場依存性の測定結果から導かれるものと一致していた．また，単結晶の場合熱伝導率とスピンゼーベック起電力には強い正の相関があることが確認されたが，適切なナノ構造化により熱伝導率とスピンゼーベック起電力の相関を弱めることができることが分かった．このため，ナノ構造化を用いて熱伝導率とスピンゼーベック起電力を独立に制御し熱電変換効率を向上できる可能性を示した．以上の成果をPhysical Review Materials誌にて発表した．

基礎材料をイットリウム鉄ガーネット(YIG)として，結晶粒径を系統的に変化させたバルク焼結体を作製し，Pt/YIG/Pt系に対して10 Kから300 Kの温度域でスピンゼーベック起電力と熱伝導率の温度依存性の測定および比較を行った．なお，試料の作製に関してはナノ粒子の作製には遊星型ボールミル，焼結には放電プラズマ焼結機を用いた．また，熱伝導率測定には定常法を用い，ゼーベック係数はPt/YIG/Pt試料の上下面をサファイア基板で挟み込んだ系に対してヒーターを用いて温度差を印加して測定した．平均粒径が2.25 μmおよび0.55 μmであるバルク焼結体を作製し，単結晶および平均粒径が20.0 μmである市販多結晶体の熱伝導率およびスピンゼーベック起電力を比較した．ナノ構造化により熱伝導率およびスピンゼーベック起電力ともに単結晶に比べ低下した．また，粒径の減少とともに両者は低下し，熱伝導およびスピンゼーベック効果に寄与するフォノンおよびマグノンの粒界散乱を系統的に確認した．加えて，スピンゼーベック起電力のナノ構造化による低減率は熱伝導率に比べ大きく，これはスピンゼーベック効果に寄与するマグノンおよびフォノンの輸送特性長が熱伝導に寄与するフォノンに比べ長いためと考えられる．なお，この結論はスピンゼーベック起電力および低温での熱伝導率の磁場依存性の測定結果から導かれるものと一致していた．また，単結晶の場合熱伝導率とスピンゼーベック起電力には強い正の相関があることが確認されたが，適切なナノ構造化により熱伝導率とスピンゼーベック起電力の相関を弱めることができることが分かった．このため，ナノ構造化を用いて熱伝導率とスピンゼーベック起電力を独立に制御し熱電変換効率を向上できる可能性を示した．以上の成果をPhysical Review Materials誌にて発表した．