2016 Fiscal Year Annual Research Report
Infrared Energy Harvester by Artificially Structured Heterojunction
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16H06364
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
長尾 忠昭 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, グループ長・MANA主任研究者 (40267456)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
北島 正弘 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, NIMS特別研究員 (00343830)
石井 智 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 研究員 (80704725)
武田 淳 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (60202165)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | ナノ光学材料 / 電子 / 光 / エネルギー / 表界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、金属半導体接合型の光学ナノアンテナ、ポラリトン共振器などをベースとし、主に近赤外帯域以上の波長を持つ光や熱輻射を高効率に吸収・捕集し、これらの電磁波のエネルギーを他のエネルギーへと返還するための材料科学的方法論を開拓する。特に、THｚから赤外帯域において優れた応答特性を持つ金属・金属製化合物と半導体とを組み合わせ、赤外プラズモンポラリトンと内部光電子励起あるいはフォノンとの間のエネルギー輸送効率を向上し、高い変換効率を持つエネルギー変換材料を目指す。本年度は初年度で有り、まず、成膜を中心とした材料合成のための実験環境の整備に注力した。新規にスパッタ成膜装置と電子ビーム蒸着装置を導入し、また、既存の熱蒸着装置や電気炉、超高真空MBE装置の改良と蒸着源の増設を進めた。さらに共通施設で未使用となっていた成膜装置も再立ち上げを完了し、使用を開始した。また同時に、解析技術の強化も進め、電磁場シミュレーション技術と第一原理計算の技術の整備にも着手した。その間、関連研究で得られた成果の発表を兼ねて、国内や国際会議に参加し、情報収集も進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は初年度で有り、まず、成膜を中心とした材料合成のための実験環境の整備に注力した。より高品質の金属ナノ構造の製作のために、排気速度の大きいポンプと高温対応の真空槽によるスパッタ装置と電子ビーム蒸着装置を導入した。また、成膜装置を設置するスペースがなかったため、新たにスペース申請を行い、装置納品前に認められた。スペース借地料金の支払いには、本研究費の間接経費として当機構に入る資金の１０％（インセンティブ予算）を用いることにした。これらの成膜装置による材料はナノスケール・マイクロスケール構造を持つデバイス製作の構成要素に用いる。従って、できるだけ高品質で、欠陥・埃などのコンタミの少ない環境での製作が望ましい。このために成膜用のガスラインを新たに設置し、実験室の環境をできるだけクリーンルームに近い環境として整備を進めている。また、並行して大震災以降止まっていた共通設備のパルスレーザー除着装置の修理オーバーホールを共同で行い、ガスラインや光学系の改良を行い、十分なパワーで成膜ができる様になった。これを用いた、導電性窒化物、酸化物、炭化物の成膜が軌道に乗り、半導体表面上のポラリトン共振器構造の製作に着手した。試験的に金属窒化物（金属窒化物）/シリコンのヘテロ界面、金属窒化物（金属窒化物）/ゲルマニウムのヘテロ界面の製作に着手し、近赤外域に高い光電流を示すことを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
H28年度は、基盤整備のための装置導入、実験スペースの新規確保とその整備に注力した。それと並行して、採択前にJSTやNIMS内プロジェクトなどで進めていた、材料探索・開発研究を利用した化合物プラズモン材料を一部活用し、本課題のショットキー型総エネルギーデバイスの製作のための基礎的な試験研究を開始した。H29年度はこの研究を進め、並行してナノ構造製造技術も開発も行う。まず、金属/半導体へテロ界面の製作法をより詳細に詰め、再現性の高い高品質なヘテロ界面の製作のための知見を蓄積する。目的とする性能を持つ成膜が可能となるように、複数の成膜装置を効果的に使い分けて使用できるようにする。照射する光の波長を変えながらIV特性を計測し、また、成膜した各材料の仕事関数計測も行える市販装置や成膜装置への特注計測系のセットアップも検討し、設置を行う。製作するナノアンテナ構造は既存の電子ビーム描画装置やレーザー描画装置を用い、1.0eV以下の近赤外帯域の周波数に共鳴を持つ構造とし、この大きさのショットキー障壁をもつヘテロデバイスを開発する。製作後は界面のキャラクタリゼーションと光電流特性を評価する。このデバイス更に小さなエネルギーに対して応答するよう、金属材料と半導体材料の組み合わせを変えながら開発を進める。以上のテーマと共に、余裕があれば、赤外帯域の入射光に対して、それより短い波長の光を放射できる波長変換材料についても検討を進める。
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| Remarks |
物質・材料研究機構 研究者データベース
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[Presentation] 高融点材料を用いた中赤外波長選択熱輻射制御2016
Author(s)
横山喬大, DAODuy Thang, CHENKai, 石井智, RAMU PASUPATHISugavaneshwar, 長尾忠昭
Organizer
日本光学会年次学術講演会
Place of Presentation
東京
Year and Date
2016-10-30 – 2016-11-02
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