Metal-Insulator Phase Transition at the Near-Field Interface and its Application to Thermal Switching

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K13699
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 上野 藍 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (50647211)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 金属ー絶縁体相転移 / 蓄熱 / 比熱 / 熱伝導率 / 全半球放射率 / 熱物性計測 / 熱スイッチ

Outline of Annual Research Achievements

2021年度の主な研究実績を以下に示す．2020年度に論文に投稿したVWO2を用いた宇宙用多機能的熱制御デバイスについて，熱スイッチとしてのON/OFF比の概算を行い，当初，期待していた2桁程度のON/OFFを得るには構造を原理的に見直す必要が出てきた．そこで，先のデバイスをベースとして近接場効果も考慮した熱スイッチ等への応用について検討を行った．
続いて，研究期間全体を通じて実施した研究の成果を以下にまとめる．
・新たな宇宙用熱制御デバイスとして，金属絶縁体相転移物質に着目し，その放射率可変機能，熱伝導率可変機能，蓄熱機能の3つの機能を有する多機能熱制御デバイスの提案を行った．
・候補材料として，LSMO，LPMO，VO2を選定し，試料の製作方法を確立するとともに，各種熱物性値を独自の熱物性計測装置で明らかにした．さらに，VO2の課題である高い相転移温度点を下げるため，W(タングステン)をドープすることでVO2よりも蓄熱能力は劣るものの，相転移温度を20℃以下まで低下させることに成功した．
・最終的にLSMOとVWO2の積層構造による多機能熱制御デバイスを考案し，熱伝導率可変機能と蓄熱機能はVWO2に，放射率可変機能は放射率変化が0.4以上有するLSMOに持たせる構成を提案した．
以上を踏まえて，本研究における結果は，単独の熱物性変化のみに着目していた従来の転移材料の応用事例に対し，3つの熱物性変化を効率的に利用するものであり，熱制御デバイスとしての機能を拡張した新たな研究報告事例として伝熱分野の最高峰の学術論文International Journal of Heat and Mass Transferに掲載された．今後の展開として，熱スイッチの性能向上のため，近接場効果を導入することも検討しているが，デバイス作製上，VWO2の薄膜化などの課題がある．