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Flexible heat-flow sensing sheets based on the longitudinal spin Seebeck effect using one-dimensional spin-current conducting films

1次元スピン流伝導膜を用いた縦ゼーベック効果に基づくフレキシブル熱流センサーシート

桐原 明宏*; 近藤 幸一*; 石田 真彦*; 井原 和紀*; 岩崎 悠真*; 染谷 浩子*; 松葉 明日華*; 内田 健一*; 齊藤 英治; 山本 直治*; 河本 滋*; 村上 朝夫*

Kirihara, Akihiro*; Kondo, Koichi*; Ishida, Masahiko*; Ihara, Kazuki*; Iwasaki, Yuma*; Someya, Hiroko*; Matsuba, Asuka*; Uchida, Kenichi*; Saito, Eiji; Yamamoto, Naoharu*; Komoto, Shigeru*; Murakami, Tomoo*

ヒートフローセンシングは、将来的にスマート熱管理の重要な技術要素となることが期待されている。従来、ゼーベック効果に基づく熱電変換技術は、熱の流れを電圧に変換することによって熱流を測定するために使用されてきた。しかし、ユビキタス・ヒートフロー可視化のためには、非常に低い熱抵抗を有する薄く柔軟なセンサが非常に望まれている。近年、別のタイプの熱電効果である縦スピンゼーベック効果が大きな関心を集めている。これは縦スピンゼーベック効果が、単純な薄膜デバイス構造のような熱電アプリケーションにとって有利な機能を潜在的に提供するためである。ここでは、縦スピンゼーベック効果ベースのフレキシブル熱電シートを紹介する。このシートは、熱流検出の用途に特に適している。この熱電シートは、「フェライトめっき」として知られているスプレーコーティング法を用いてフレキシブルプラスチックシート上に形成されたNi$$_{0.2}$$Zn$$_{0.3}$$Fe$$_{2.5}$$O$$_4$$フィルムを含んでいる。実験結果は、膜面に垂直に配向した柱状結晶構造を有するフェライトめっき膜が、曲げ可能な縦スピンゼーベック効果ベースのセンサに適した独特の一次元スピン流導体として機能することを示唆している。この新しく開発された薄い熱電シートは、熱流の本来の流れを妨げることなく、さまざまな形の熱源に取り付けられ、多目的な熱流の測定と管理につながる。

Heat-flow sensing is expected to be an important technological component of smart thermal management in the future. Conventionally, the thermoelectric (TE) conversion technique, which is based on the Seebeck effect, has been used to measure a heat flow by converting the flow into electric voltage. However, for ubiquitous heat-flow visualization, thin and flexible sensors with extremely low thermal resistance are highly desired. Recently, another type of TE effect, the longitudinal spin Seebeck effect (LSSE), has aroused great interest because the LSSE potentially offers favourable features for TE applications such as simple thin-film device structures. Here we demonstrate an LSSE-based flexible TE sheet that is especially suitable for a heat-flow sensing application. This TE sheet contained a Ni$$_{0.2}$$Zn$$_{0.3}$$Fe$$_{2.5}$$O$$_4$$ film which was formed on a flexible plastic sheet using a spray-coating method known as ferrite plating. The experimental results suggest that the ferrite-plated film, which has a columnar crystal structure aligned perpendicular to the film plane, functions as a unique one-dimensional spin- current conductor suitable for bendable LSSE-based sensors. This newly developed thin TE sheet may be attached to differently shaped heat sources without obstructing an innate heat flux, paving the way to versatile heat-flow measurements and management.

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分野:Multidisciplinary Sciences

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