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Realizing record-high transverse thermoelectric figure of merit at room temperature in artificially tilted multilayers based on high power factor NiFe alloy

本論文は、Ni $_{50}$ Fe $_{50}$ とBi $_{0.2}$ Sb $_{1.8}$ Te $_{3}$ からなる人工的な傾斜積層構造において、合金の高い出力因子と構成層間の急峻な輸送特性のコントラストを利用することにより、外部磁場を用いることなく、室温における横方向熱電性能指数（ $z_{yx}T$ ）の記録的な高値である0.36を達成したことを報告するものである。

原著者： Yebin Lee, Fuyuki Ando, Takamasa Hirai, Keisuke Hirata, Kota Hasegawa, Ken-ichi Uchida

公開日 2026-08-17

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CC BY 4.0

原著者： Yebin Lee, Fuyuki Ando, Takamasa Hirai, Keisuke Hirata, Kota Hasegawa, Ken-ichi Uchida

原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 ✨ これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。免責事項の全文を読む

廃熱を直接電気に変えたり、可動部品や騒々しいファンなしでデバイスを冷却したりできる世界を想像してみてください。これが熱電技術の夢です。通常、これを行うために、科学者たちは、一方の側からもう一方の側へと熱が真っ直ぐに流れるような、サンドイッチのような材料の複雑な積層構造を構築します。しかし、これらの「サンドイッチ」は脆く、製造が困難であり、層が接する継ぎ目で多くのエネルギーを失ってしまいます。最近、研究者たちは異なるトリックを試みています。熱を真っ直ぐに流すのではなく、材料の層を傾けるのです。これにより、熱と電気に斜めの経路を辿らせ、横方向の電圧を生み出します。それは、ねじれたウォータースライダーのようなものです。水（熱）は下に流れますが、そのねじれによって乗り手（電気）が横へと押し出されるのです。大きな課題は、この「ねじれたスライダー」を、電気を動かすための巨大で電力を大量に消費する磁石を必要とせずに、室温で効率的に機能させることでした。

この研究において、研究チームは、巧妙な材料の組み合わせを用いて、この「ねじれたスライダー」の記録的なバージョンを構築しました。彼らは「人工的に傾斜させた多層構造（ATML）」と呼ばれる構造を作り上げました。これは本質的に、ニッケルと鉄の合金（NiFe）と、ビスマス・アンチモン・テルル（BST）と呼ばれる半導体の、2つの非常に異なる材料の薄い層を交互に積み重ねたものです。これは、超高速道路（金属）と、緩慢でデコボコした未舗装路（半導体）を鋭い角度で積み重ねることを想像してください。一方の側を加熱すると、これら2つの材料が電気と熱を扱う方法の違いによって、電流が横へと突き抜け、電圧が発生しました。

研究者たちは、傾斜の角度（約20度）と各層の厚さを慎重に選択することで、室温において、横方向の熱電性能指数（ $z_{yx}T$ ）として知られるスコア0.36を達成しました。これは、外部磁石を使用しないこの種のデバイスとしては、新たな高スコアです。これが単なる偶然の的中や計算上の数値ではないことを確認するために、彼らはパズルのピースの一つひとつを直接測定しました。彼らは、金属と半導体が接する境界部における電気抵抗と熱の流れをチェックし、「継ぎ目」が非常に密であり、流れを妨げないことを突き止めました。また、横方向に移動する熱と発生する電圧を測定し、実世界の測定結果が数学的な予測と完璧に一致していることを確認しました。この研究は、適切な材料を単に傾けるだけで、極低温や強力な磁石を必要とせず、ここ地球上でエネルギーを回収したり電子機器を冷却したりするための、効率的で磁石を必要としないデバイスを作ることができることを示唆しています。

技術要約：NiFe/BST人工傾斜多層膜における記録的な横方向熱電性能指数

問題提起
従来の縦方向熱電デバイスは、複数のp型およびn型半導体ペアからなる複雑な $\pi$ 型モジュールに依存している。この構造は、多数の接合部における累積的な界面電気抵抗および熱抵抗による機械的脆弱性や大幅な効率損失といった、固有の構造的制限を抱えている。一方、横方向の熱電変換は、電荷電流と熱電流を直交させることで、接合のないモノリシックな代替案を提供するが、外部磁場なしで競争力のある室温性能を達成することは依然として重要な課題である。永久磁石を用いた異常能ルツ効果（ANE）などの既存の無磁場アプローチは、通常、低い性能指数（ $z_{yx}T \sim 10^{-3}$ ）を示す。これに対し、人工傾斜多層膜（ATML）における非対角ゼーベック効果（ODSE）による構造的対称性の破れは、これまで $z_{yx}T \approx 0.20$ から$0.30$に達していたが、多くの場合、直接測定ではなく計算された熱伝導率に依存していた。

手法
著者らは、対照的な輸送特性を持つ2つの構成材料、すなわち高出力因子を持つ $Ni_{50}Fe_{50}$ （NiFe）合金とp型 $Bi_{0.2}Sb_{1.8}Te_3$ （BST）半導体を、交互かつ斜めに積層したATMLシステムを設計した。

設計戦略： 本研究では、NiFeの大きな負のゼーベック係数と高い電気・熱伝導率に対し、BSTの大きな正のゼーベック係数と低い導電性を活用した。解析モデルを用いて、横方向性能指数（ $z_{yx}T$ ）を最大化するための最適な幾何学的パラメータ（傾斜角 $\theta$ および厚さ比 $t$ ）を算出した。
作製： 多層膜は、500 °C、30 MPaの条件下での放電プラズマ焼結（SPS）を用いて作製された。得られたブロックは、傾斜角 $\theta = 20^\circ$ およびNiFe厚さ比 $t = 0.52$ を実現するように切断された。
特性評価：
- 微細構造： 走査電子顕微鏡（SEM）およびエネルギー分散型X線分光法（EDS）を用いて、層の完全性を検証し、界面拡散を分析した。
- 界面輸送： 積層方向に沿って電気抵抗と温度分布をマッピングし、界面の電気抵抗および熱抵抗を定量化した。
- 性能測定： すべての重要な輸送パラメータ（横方向熱電出力 $S_{yx}$ 、電気伝導率 $\sigma_{yy}$ 、熱伝導率 $\kappa_{xx}$ ）を、室温（300 K）においてゼロ磁場下で直接測定した。計算された $\kappa_{xx}$ に依存した従来の研究とは異なり、本研究では定常状態法を用いて直接測定を行った。

主な結果

記録的性能： NiFe/BSTベースのATMLは、室温において外部磁場なしで $z_{yx}T = 0.36$ の横方向熱電性能指数を達成した。この値は、現在報告されている室温ATMLシステムの中で最高の $z_{yx}T$ である。
実験的検証： 測定された $z_{yx}T = 0.36$ $z_{y x} T = 0.36$ は、解析的な予測値である0.36と極めて良好に一致している。直接測定の結果は以下の通りである：
- 横方向熱電出力（ $S_{yx}$ ）： $-68.4 \pm 0.2$ $\mu$ V K $^{-1}$
- 電気伝導率（ $\sigma_{yy}$ ）： $1.02 \times 10^6$ S m $^{-1}$
- 熱伝導率（ $\kappa_{xx}$ ）：$4.00 $W m$ ^{-1} $K$ ^{-1}$
界面の品質： 微細構造解析により、FeTeおよびNiTeSb合金からなる層状の界面反応層（~50 $\mu$ m）が明らかになり、これが強固な接着剤として機能していることが示された。極めて重要なことに、定量的分析により、界面の電気抵抗および熱抵抗は、それぞれバルク抵抗の約5%および約7%を占めるに過ぎないことが示された。この寄生抵抗の最小化により、ODSEに必要なマクロな輸送コントラストが維持される。
比較： この性能は、BSTとSmCo $_5$ 、Ni、n型 $Bi_2Te_{2.7}Se_{0.3}$ 、およびCoを組み合わせた既報のATMLシステムを凌駕しており、特に、この結果がゼロ磁場下かつ完全に実験的に決定されたパラメータの下で達成された点において顕著である。

意義と主張
本論文は、これらの結果が室温付近における横方向熱電材料の実用的な実装への道を切り開くものであると主張している。高性能な横方向変換が、ODSEのみを通じて無磁場環境下で達成可能であることを示すことで、本研究は当該分野における主要なボトルネックに対処している。高出力因子を持つ金属合金（NiFe）と従来のp型半導体（BST）の結合に成功し、かつすべての輸送係数を厳密に直接測定したことは、効率的な熱エネルギーハーベスティングおよび電子冷却のためのATMLの生存能力を立証するものである。著者らは、現在の性能は記録的なものであるものの、廃熱回収および固体冷却アプリケーションへのさらなる改善の可能性を判断するために、今後はこれらの係数の温度依存性を系統的に特性評価する必要があると結論付けている。

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