The Damage analysis for irradiation tolerant spin-driven thermoelectric device based on single-crystalline YFeO/Pt heterostructures

YFeO/Ptヘテロ構造に基づく耐放射線スピン駆動熱電素子の損傷分析

家田 淳一   ; 岡安 悟  ; 針井 一哉*; 小畠 雅明  ; 吉井 賢資  ; 福田 竜生  ; 石田 真彦*; 齊藤 英治

Ieda, Junichi; Okayasu, Satoru; Harii, Kazuya*; Kobata, Masaaki; Yoshii, Kenji; Fukuda, Tatsuo; Ishida, Masahiko*; Saito, Eiji

スピンゼーベック効果(SSE)に基づくスピン駆動熱電(STE)デバイスと、熱源としての放射性同位元素の組み合わせは、宇宙探査機の電源などの応用における次世代の発電方法としての可能性を秘めている。しかし、スピン熱電デバイスの照射耐性を示す利用可能な知識は非常に限られている。重イオンビーム加速器と硬X線光電子分光法(HAXPES)測定を使用した分析を通じて、YFeO/Ptヘテロ構造に基づく典型的なSTEデバイスが高エネルギー重イオンビームの照射に対する耐性を持つことを検証する。使用済み核燃料の表面から放出される核分裂生成物による累積損傷をモデル化した320MeVの金イオンビームを使用し、線量レベルを変えることにより、SSE要素の熱電および磁気特性がイオン/cmフルエンスまでのイオン照射線量の影響を受けず、イオントラックがサンプル表面をほぼ完全に覆う約イオン/cmでSSE信号が消滅することを確認した。さらに、HAXPES測定は、YFeO/Pt界面への影響を理解するために実行した。HAXPES測定は、SSE信号を減少させる化学反応が照射線量の増加とともに強化されることを示唆している。過酷な環境使用に適用できるより優れたSTEデバイスを開発するために、YFeO/Ptで損傷分析の現在の理解を共有したい。

The combination of spin-driven thermoelectric (STE) devices based on spin Seebeck effect (SSE), and radioactive isotopes as heat sources, has potential as a next-generation method of power generation in applications such as power supplies for space probes. However, there has been very limited knowledge available indicating the irradiation tolerance of spin thermoelectric devices. Through analysis using a heavy ion-beam accelerator and the hard X-ray photoemission spectroscopy (HAXPES) measurements, we show that a prototypical STE device based on YFeO/Pt heterostructures has tolerance to irradiation of high-energy heavy-ion beams. We used 320 MeV gold ion beams modeling cumulative damages due to fission products emitted from the surface of spent nuclear fuels. By varying the dose level, we confirmed that the thermoelectric and magnetic properties of the SSE elements are not affected by the ion-irradiation dose up to ions/cm fluence and that the SSE signal is extinguished around ions/cm, in which the ion tracks almost fully cover the sample surface. In addition, the HAXPES measurements were performed to understand the effects at the interface of YFeO/Pt. The HAXPES measurements suggest that the chemical reaction that diminishes the SSE signals is enhanced with the increase of the irradiation dose. We share the current understandings of the damage analysis in YFeO/Pt for developing better STE devices applicable to harsh environmental usages.