自旋塞贝克效应是将热能转换为电能的重要热电转换现象之一，产生于纳米级薄膜表面。但由于传统自旋塞贝克元件是磁性体与金属薄膜的层叠结构，因此通过增厚元件或实现多层化来提升输出功率的方式存在局限。
日本国立研究开发法人物质与材料研究机构（NIMS）磁性与自旋电子学材料研究中心的Sang Jun Park博士研究员、内田健一上席团队负责人（兼任东京大学研究生院新领域创成科学研究科教授）、东京大学研究生院新领域创成科学研究科的平田圭佑助教等人的研究团队，通过以金属包覆磁性绝缘体粉末表面并将其压实，开发出了三维纳米界面遍布整个材料内部的新型复合体。借助这种结构，研究团队成功在宏观尺度材料中观测到了此前仅能在纳米尺度薄膜界面观测到的、由绝缘体中自旋驱动的热电转换。该成果提供了有效利用绝缘体热能所需的新型材料设计指引，相关论文已发表在期刊《Nature Communications》上。
图1 传统型自旋塞贝克元件与跨尺度自旋塞贝克元件概念图。传统结构(a)中，自旋流的贡献仅体现于磁性体与金属的界面附近(b)；而本次开发的复合体(c)中，金属在材料内部呈三维分散分布(d)，可利用整个块体生成自旋流，并通过自旋塞贝克效应实现热电转换(e)。（供图：NIMS）
研究团队制备了由磁性绝缘体钇铁石榴石（YIG）与非磁性金属铂（Pt）组合而成的纳米结构块体复合体。YIG是自旋塞贝克效应研究中广泛使用的代表性磁性绝缘体。研究团队采用动态粉末溅射法，在YIG晶体粉末表面包覆Pt薄膜。该方法通过在搅拌粉末的同时实施溅射，可在每一粒粉末的全表面形成金属层。实际经透射电子显微镜观测证实，YIG粉末表面已形成纳米级Pt薄膜。
随后，研究团队通过将包覆Pt的YIG粉末在低温高压条件下压实，制备出块体复合体。通常，将氧化物YIG粉末压实制成块体需要900℃以上的高温处理，但高温处理会降低薄Pt层的连续性与界面质量。本次研究利用Pt层的延展性与附着性，在温度大幅降低至300℃或室温条件下经高压压制，成功合成了块体复合体。经确认，所得复合体中Pt分布于YIG颗粒周围，材料内部已形成金属导电通路。
对制备得到的毫米级YIG-Pt块体复合体进行磁化并施加温度梯度后，观测到热电动势随温度梯度成正比增大，且其符号随磁化方向（N极-S极方向）发生反转。经系统实验验证，观测到的热电动势由自旋流产生，证实了由磁性绝缘体构成的块体复合体中产生了自旋塞贝克效应。
传统薄膜型自旋塞贝克元件中，对热电转换有贡献的区域仅限于界面附近，因此厚度超过一定值后，单位温度梯度输出功率便会饱和。而本次开发的三维块体复合体中，可将自旋流转换为电信号的纳米界面在块体材料内部形成三维分布，且相互连通构成金属网络，因此单位温度梯度输出功率与元件厚度（体积）成正比增长。
该结果表明，纳米尺度的自旋流现象可在宏观尺度材料中加以利用。
目前，该研究仅处于材料设计概念已得到验证的阶段，但通过优化磁性绝缘体与金属层、提升界面质量、调控三维形成的纳米界面密度与分布等手段，自旋热电转换性能仍有大幅提升空间。由于包括永磁体在内的功能磁性材料大多在纳米至微米尺度具有复杂的显微组织，该成果提示，从自旋热电转换角度出发，通过设计界面与显微组织，即便在实用型功能材料中也有望实现自旋塞贝克效应。
未来，通过推动跨尺度磁性材料科学发展，有望带动可服务于余热利用与热流传感的新型能源材料的开发。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Trans-scale spin Seebeck effect in nanostructured bulk composites based on magnetic insulator
DOI：10.1038/s41467-026-75232-0
