自旋塞貝克效應是將熱能轉換為電能的重要熱電轉換現象之一，產生於奈米級薄膜表面。但由於傳統自旋塞貝克元件是磁性體與金屬薄膜的層疊結構，因此通過增厚元件或實現多層化來提升輸出功率的方式存在侷限。
日本國立研究開發法人物質與材料研究機構（NIMS）磁性與自旋電子學材料研究中心的Sang Jun Park博士研究員、內田健一上席團隊負責人（兼任東京大學研究生院新領域創成科學研究科教授）、東京大學研究生院新領域創成科學研究科的平田圭佑助教等人的研究團隊，通過以金屬包覆磁性絕緣體粉末表面並將其壓實，開發出了三維奈米界面遍佈整個材料內部的新型複合體。藉助這種結構，研究團隊成功在宏觀尺度材料中觀測到了此前僅能在奈米尺度薄膜界面觀測到的、由絕緣體中自旋驅動的熱電轉換。該成果提供了有效利用絕緣體熱能所需的新型材料設計指引，相關論文已發表在期刊《Nature Communications》上。
圖1 傳統型自旋塞貝克元件與跨尺度自旋塞貝克元件概念圖。傳統結構(a)中，自旋流的貢獻僅體現於磁性體與金屬的界面附近(b)；而本次開發的複合體(c)中，金屬在材料內部呈三維分散分佈(d)，可利用整個塊體生成自旋流，並通過自旋塞貝克效應實現熱電轉換(e)。（供圖：NIMS）
研究團隊製備了由磁性絕緣體釔鐵石榴石（YIG）與非磁性金屬鉑（Pt）組合而成的奈米結構塊體複合體。YIG是自旋塞貝克效應研究中廣泛使用的代表性磁性絕緣體。研究團隊採用動態粉末濺射法，在YIG晶體粉末表面包覆Pt薄膜。該方法通過在攪拌粉末的同時實施濺射，可在每一粒粉末的全表面形成金屬層。實際經穿透式電子顯微鏡觀測證實，YIG粉末表面已形成奈米級Pt薄膜。
隨後，研究團隊通過將包覆Pt的YIG粉末在低溫高壓條件下壓實，製備出塊體複合體。通常，將氧化物YIG粉末壓實製成塊體需要900℃以上的高溫處理，但高溫處理會降低薄Pt層的連續性與界面質量。本次研究利用Pt層的延展性與附著性，在溫度大幅降低至300℃或室溫條件下經高壓壓制，成功合成了塊體複合體。經確認，所得複合體中Pt分佈於YIG顆粒周圍，材料內部已形成金屬導電通路。
對製備得到的毫米級YIG-Pt塊體複合體進行磁化並施加溫度梯度後，觀測到熱電動勢隨溫度梯度成正比增大，且其符號隨磁化方向（N極-S極方向）發生反轉。經系統實驗驗證，觀測到的熱電動勢由自旋流產生，證實了由磁性絕緣體構成的塊體複合體中產生了自旋塞貝克效應。
傳統薄膜型自旋塞貝克元件中，對熱電轉換有貢獻的區域僅限於界面附近，因此厚度超過一定值後，單位溫度梯度輸出功率便會飽和。而本次開發的三維塊體複合體中，可將自旋流轉換為電信號的奈米界面在塊體材料內部形成三維分佈，且相互連通構成金屬網路，因此單位溫度梯度輸出功率與元件厚度（體積）成正比增長。
該結果表明，奈米尺度的自旋流現象可在宏觀尺度材料中加以利用。
目前，該研究僅處於材料設計概念已得到驗證的階段，但通過優化磁性絕緣體與金屬層、提升界面質量、調控三維形成的奈米界面密度與分佈等手段，自旋熱電轉換性能仍有大幅提升空間。由於包括永磁體在內的功能磁性材料大多在奈米至微米尺度具有複雜的顯微組織，該成果提示，從自旋熱電轉換角度出發，通過設計界面與顯微組織，即便在實用型功能材料中也有望實現自旋塞貝克效應。
未來，通過推動跨尺度磁性材料科學發展，有望帶動可服務於餘熱利用與熱流感測的新型能源材料的開發。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Trans-scale spin Seebeck effect in nanostructured bulk composites based on magnetic insulator
DOI：10.1038/s41467-026-75232-0
