新材料「熱電永久磁石」が熱マネジメント技術の新たな可能性を切り拓く

ＮＩＭＳは、電流と熱流がそれぞれ直交する方向に変換される“横型”熱電変換の性能を、磁場や磁性によって大幅に向上できることを実証しました。さらに、永久磁石材料と熱電材料を複合化することにより、電流を流すことで冷却したり、熱から発電したりできる「熱電永久磁石」という新しい機能性材料を開発しました。本成果は、磁石という身近な材料で熱制御や環境発電を行う指針を提供するものです。

熱電変換技術の応用に向けて研究が進められているゼーベック効果やペルチェ効果は、熱流と電流が同じ方向に変換される“縦型”熱電効果です。縦型の場合、熱電変換効率が高い一方で、素子構造が複雑になるという短所が指摘されています。一方で、横型熱電効果を用いれば素子構造が簡略化されるため、熱電変換素子の高効率化・低コスト化・耐久性向上につながると期待されていますが、熱電変換効率が実用レベルに達していないなどの問題があります。さまざまな物理現象により駆動される横型熱電変換は、磁場や磁性によって生じる現象（磁気熱電効果）と素子構造や電子構造の異方性によって生じる現象に分類され、これまで各現象の研究は独立に進められてきました。

今回、ＮＩＭＳの研究チームは、磁気熱電効果を含む３種の異なる現象を同時に発現させる複合材料を作製し、横型熱電変換による冷却の高性能化を実現しました。大きな磁気熱電効果を示すＢｉ_８８Ｓｂ_１２合金と大きなペルチェ効果を示すＢｉ_０．２Ｓｂ_１．８Ｔｅ_３合金を交互に積層・接合して斜めに切断した複合材料（人工傾斜型多層積層体）を用いて、磁場をかけることで横型熱電変換性能が向上し、この増大が３種の現象によるハイブリッド熱電変換に由来することを示しました。さらに、複合材料中の一部を永久磁石に置き換え、磁場がなくても磁気熱電効果で横型熱電変換性能を向上できることを実証しました。

本研究により、磁石に高性能の熱電冷却・発電機能を付与するための材料設計指針を確立しました。今後、社会の省エネルギー化に資する熱マネジメント技術やＩｏＴ技術に必要な環境発電への応用展開を目指し、材料・デバイス技術開発に取り組んでいきます。

本研究は、ＮＩＭＳ 磁性・スピントロニクス材料研究センターの内田 健一 上席グループリーダー、平井 孝昌 研究員、安藤 冬希 特別研究員、世伯 理那仁 グループリーダーによって行われました。

本研究成果は、２０２３年１１月２９日（現地時間）に「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」誌にオンライン掲載されました。