2019 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, MANA主任研究者 (40267456)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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, 主任研究員 (80704725)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 赤外線 / ヘテロ接合 / 界面光起電力 / グラフェン / V族ナノワイヤー / カーボンナノチューブ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度も非対称グラフェン構造による整流デバイスの開発を進めた。グラフェンの平均自由行程と同程度のサイズを持つ非対称構造を作成し、そのグラフェン構造をプラズモン光捕集構造に組み込み電気特性を測定した。幾何構造による整流効果は顕著では無く、代わりに熱起電力の効果と考えられる電圧が光照射下で観測された。この効果と起電力の増加を目指し、熱伝導を抑えたMEMS構造設計し、デバイスの製作を開始した。また、赤外光の完全吸収とグラフェン起電力を併せたデバイスの見当も開始した。また、バルクのBiやBiSbやBiSbの表面電子状態に起因する磁場中の励起状態、MoS２やMoSe２などの半金属や2次元材料の光励起についての研究を行い、磁場中の旋光効果の非対称性などの研究を発表した。また、BiやBiSbやBiSbにおける、赤外線による電気エネルギー変換の研究へと進めるために、湿式合成法と圧力注入法によるナノワイヤ－の合成を進め、ナノアンテナとして用いための構造制御の方法論を確立し、光伝導形の波長選択型のセンサーの製作を行った。また、カーボンナノチューブやホウ化物、アルミ合金などの材料を開発し、赤外線ナノアンテナや赤外線光源の材料として用い、デバイスの製作にも着手した。
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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
金属ホウ化物である六ホウ化ランタンの高品質エピタクシャル薄膜の合成に成功し、学会と論文の発表を行った。このホウ化物膜の近赤外帯域での高い赤外応答性を利用して、狭帯域の赤外線エミッターを提案し、1200℃での動作に成功した。また、第一原理誘電応答の計算から見出したアルミニウムをベースとしたNiAl耐熱超合金の単結晶の育成を行い、誘電率の評価を行い、良い一致を見た。さらにスパッタ成膜による高品質膜の合成にも成功し、これらの結果を用いて赤外光源の設計を行い製作を開始し、企業との共同を目指した応用研究を行った。また、同じアプロ―チを酸化物に重金属をドープした赤外プラズモン材料に適用し、第一原理計算と、材料の合成を行い電気的光学的特性を評価した。さらに、上記Bi多結晶膜の赤外THｚ物性研究や、BiSb膜の異方性トポロジカル表面状態におけるTHz偏光状態の研究を国際共同研究として行い発表した。並行して、BiやBi合金のワイヤーの開発をグループ内で行い、0-100nm幅で数μｍレベルのナノワイヤーの合成に成功した。その後、赤外線光検出素子の構成材料として応用するためのデバイス製作を開始した。また、グラフェン、MoS2やMoSe2の原子シートのTHz光励起ダイナミクス、フォノン‐電子結合、プラズモン‐エキシトン強結合などの電子励起の基礎研究を行い、これらの材料による光素子、創エネルギーデバイスのための見当を開始した。現在これらのナノ薄膜やワイヤーと半導体とのヘテロ接合界面における整流効果の研究に進み、創エネルギーデバイスへと進める予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで、ホウ化物ナノ薄膜、アルミ合金、グラフェン、Bi合金、MoSe2,MoS2、などの高品質膜やワイヤーの合成と基礎物性研究を行い、デバイス製作の基盤となる材料群の開発と基礎物性研究を順調に進めて来た。50-100nm幅で数μｍレベルのナノワイヤー、ホウ化物ナノ薄膜、ドープした酸化物の高品質膜の合成に成功し、それらのヘテロ接合界面でのエネルギー変換などの基礎物性の知見を蓄積できた。今後は、ナノ構造制御により波長制御と界面電磁場制御の設計を行い、上記の界面ヘテロ接合界面によるエネルギー変換の機能と組み合わせたデバイスの設計と製作に進める。この設計と製作を系統的に行い、相互にフィードバックさせることで、目的とする赤外帯域の熱輻射や太陽光吸収、環境熱や冷却をなどを利用できる創エネデバイスの実現につなげる予定である。
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