[論文レビュー] Strategic enhancement of anomalous Nernst effect in Co2MnAl1-xSix Heusler compounds

Yuya Sakuraba, Kazushige Hyodo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2018

Advanced Thermoelectric Materials and Devices被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、大きなサーベック効果、異常ホール効果、横方向ペルティエ効果の建設的で相互作用を活用することで、Co2MnAl1-xSixヘスラー化合物における異常ネルンスト効果（ANE）を向上させる戦略的アプローチを提案する。主な結果は、Co2MnAl0.63Si0.37で記録的なANE熱電力6.2 μV/Kが実験的に観測されたことであり、これは、増幅効果の起源である内在的ベリー位相曲率であることが、最初に原理的な計算によって確認された。

ABSTRACT

The anomalous Nernst effect (ANE), a thermoelectric phenomenon in magnetic materials, has potential for novel energy harvesting applications because its orthogonal relationship between the temperature gradient and the electric field enables us to utilize the large area of non-flat heat sources. In this study, the required thermopower of ANE for practical energy harvesting applications is evaluated in simulations of electric power obtainable from ANE using a low-temperature heat source. A strategy for finding magnetic materials having large ANEs is proposed, which suggests that a large ANE originates from the constructive relationship between large Seebeck, anomalous Hall, and transverse Peltier effects. This strategy leads us to investigate the electric and thermoelectric properties in Co2MnAl1-xSix. As a result, it is found that Co2MnAl0.63Si0.37 has the largest ANE thermopower ever reported, 6.2 uV/K. A first principles calculation of the anomalous Hall conductivity and transverse Peltier coefficient in B2 and L21-ordered Co2MnAl0.63Si0.37 shows close agreement with the experimental results, indicating that the observed large ANE arises from the intrinsic Berry phase curvature of Co2MnAl1-xSix. This study can be a guide for developing materials for new thermoelectric applications using ANE.

研究の動機と目的

• 実用的な熱電エネルギー回収に適した、異常ネルンスト効果（ANE）が強化された磁性ヘスラー化合物の特定と開発。
• 大きなANEを実現するための設計戦略を確立し、サーベック効果、異常ホール効果、横方向ペルティエ効果の同時増幅と関連付ける。
• Co2MnAl1-xSix固体溶液の電子的および熱電的性質を調査し、最適な組成を同定する。
• 実験的ANE測定値と、異常ホール伝導度および横方向ペルティエ係数の最初に原理的な計算を照合する。
• B2およびL21秩序相の理論的モデリングを通じて、大規模ANEの内在的起源を検証する。

提案手法

• Si含有量（x = 0 から 1）を変化させたCo2MnAl1-xSixヘスラー化合物の体系的合成と特性評価。
• 温度勾配および磁場を印加した下での異常ネルンスト効果の測定。
• B2およびL21秩序相における異常ホール伝導度および横方向ペルティエ係数を計算する最初に原理的な電子構造計算。
• ベリー位相曲率の理論的分析を通じて、増幅ANEの起源を説明する。
• 低温度熱源からの電力発電のシミュレーションを行い、実用的応用可能性を評価する。
• 実験的ANE熱電力と理論的予測を照合し、内在的メカニズムを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Co2MnAl1-xSixにおける組成調整で、異常ネルンスト効果を最大限に高めることは可能か？
• RQ2 サーベック効果、異常ホール効果、横方向ペルティエ効果が、どのようにしてANE増幅に寄与するか？
• RQ3 ヘスラー化合物における大規模ANEの生成に、内在的ベリー位相曲率が果たす役割は何か？
• RQ4 最初に原理的な計算は、Co2MnAl0.63Si0.37で実験的に観測されたANEを正確に再現できるか？
• RQ5 低温度熱源からのANEを用いた実用的熱電出力はどの程度達成可能か？

主な発見

• Co2MnAl0.63Si0.37は、これまでに報告された中で最高のANE熱電力6.2 μV/Kを示した。
• Co2MnAl0.63Si0.37における異常ネルンスト効果は、主に電子バンド構造内の内在的ベリー位相曲率に起因する。
• B2およびL21秩序相の両方において、異常ホール伝導度および横方向ペルティエ係数の最初に原理的な計算結果が、実験データと良好に一致した。
• 観測されたANE増幅は、大きなサーベック効果、異常ホール効果、横方向ペルティエ効果の建設的で相互作用に起因する。
• シミュレーションにより、Co2MnAl0.63Si0.37のANEが低温度熱源からのエネルギー回収に実用可能であることが確認された。
• 本研究では、複数の熱電効果の共同最適化を通じて、高性能ANE材料を特定するための設計戦略を確立した。