東京大学と金沢大学、東北大学、理化学研究所は2020年4月28日、鉄を含む合金Fe3AlとFe3Gaが、鉄単体よりも10倍以上大きな磁気熱電効果(異常ネルンスト効果)を得られることを発見したと発表した。FeやAlといった材料は安価で資源豊富なため、使い捨ての薄膜型熱流センサーや、本材料を使った発電素子を用いたIoTデバイスなどへの応用が期待される。

今回開発に成功した磁気熱電材料の外観。左:基板上に堆積した薄膜、右:バルク
今回開発に成功した磁気熱電材料の外観。左:基板上に堆積した薄膜、右:バルク
(出所:東京大学)
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 磁性体の異常ネルンスト効果は、従来技術のゼーベック効果と異なり、温度差に対して垂直方向のキャリア移動で発電するため、立体構造が不要で、大面積で無接合のモジュール構造が実現可能といった特徴がある。さらに、性能を下げるペルチエ熱が発生せず、効率的な発電を行うことができる。

a:従来技術(ゼーベック効果)を用いた熱電変換モジュールと、b:新技術(異常ネルンスト効果)を用いた無接合フレキシブル熱電変換モジュールの概念図
a:従来技術(ゼーベック効果)を用いた熱電変換モジュールと、b:新技術(異常ネルンスト効果)を用いた無接合フレキシブル熱電変換モジュールの概念図
(出所:東京大学)
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 研究グループによると、鉄にアルミニウムやガリウムを25%添加したFe3AlとFe3Gaのバルクは、鉄単体よりも非常に大きな異常ネルンスト効果を示し、特にFe3Gaは室温で鉄の約20倍の高効率で発電を行うことができたという。これらの材料は、100℃から-100℃までの幅広い温度領域で高性能を保ち、耐久性や耐熱性にも優れている。

 グループはまた、厚さ数十ナノメートルのFe3AlとFe3Gaの薄膜作製にも成功した。薄膜化されても高性能を維持し、 Fe3Ga 薄膜の異常ネルンスト効果は室温で鉄の約13倍だった。これはゼロ磁場において、薄膜材料としては世界最高の異常ネルンスト効果となるという。

Fe<sub>3</sub> X (X=Ga, Al)の結晶構造。青色が鉄、赤色がガリウムまたはアルミニウム。
Fe3 X (X=Ga, Al)の結晶構造。青色が鉄、赤色がガリウムまたはアルミニウム。
(出所:東京大学)
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 また、巨大な異常ネルンスト効果は、ノーダルウェブ構造という新しいタイプのバンド構造に由来していることが分かった。異常ネルンスト効果の増加には、ベリー曲率と状態密度を同時に大きくさせるバンドが必要とされるが、このバンド構造はその条件を満たしていた。この構造の発見は今後の材料開発に重要な知見となる。

 本研究の材料探索にあたっては、主に東北大が高速自動計算(ハイスループット計算)を用いた候補物質のスクリーニングを行った。これまで第一原理計算によるハイスループット計算は、エネルギーやバンドギャップといった比較的単純な物理量が主な対象だったが、今回は異常ネルンスト効果という複雑な物理量を算出する手法を確立した。この手法を磁性体のデータベースに適用することで、1400以上の材料の理論値をデータベース化し、候補となる物質を抽出したのちに、材料の作製と実験を行った。本手法は様々な物理量計算のハイスループット化を可能にする技術で、適用範囲の拡大が期待される。