结合热电和磁性材料产生异常巨大的横向热电效应

日本国立材料研究所（NIMS）的研究团队首次证明了一种简单的热电和磁性材料层堆叠结构能够产生远比现有的能展示反常涅尔斯特效应的磁性材料更大的横向热电效应。这种效应是指在该结构内部，电流和热流正交地相互转换能量--即电能和热能之间的转换。这种机制可能被用于开发新型热电器件，对能量收集和热通量传感具有实际应用意义。

基于塞贝克效应的热电技术已经被广泛研究，能够将废热和其他热源转化为电能。塞贝克效应通常会产生沿着热流方向的电流（即纵向热电效应）。这种物理限制要求塞贝克效应器件具有复杂的结构，导致使用寿命减少和制造成本增加。与此相反，通过利用反常涅尔斯特效应等横向热电效应，热电器件可以比塞贝克效应器件具有更简单的结构，因此在能量收集和热通量传感方面具有潜在的用途。然而，当前反常涅尔斯特效应产生的室温热电转换性能非常低--在室温下，1K温差只能产生不到10μV的电能，这是一个很大的劣势。

该研究团队制作了一个非常简单的热电复合材料结构--一对紧密堆叠在一起的热电和磁性材料层，使电流能够在它们之间流动。这个器件能够展示出比仅由能够产生反常涅尔斯特效应的现有磁性材料更大的横向热电效应，这是第一次实验性的演示。为了获得大的横向热电效应，该团队首先建立了一个理论模型，并估算了能够展示较大塞贝克效应的热电硅（Si）衬底和磁性铁镓（Fe-Ga）合金薄膜之间的最佳厚度比。然后，他们按照最佳厚度比将Fe-Ga薄膜堆叠在Si衬底上。这个复合材料产生了最大输出电压为15.2μV/K，大约是仅由Fe-Ga合金（2.4μV/K）单独产生的反常涅尔斯特效应的6倍。

这个研究团队证明了一个由一对热电和磁性材料层构成的简单层状结构，直接接触时，能够产生远比能够单独展示反常涅尔斯特效应的磁性材料更大的横向热电效应。这种复合材料预计将适用于各种实际的热电器件。未来的研究将扩展到包括实际应用中需要的大型块状材料，旨在通过热电发电器件的应用，为社会的节能做出贡献。