2021 Fiscal Year Research-status Report
メタマテリアル完全光吸収体の構造最適化と高効率放熱デバイスへの応用
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18K19038
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
田中 拓男 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (40283733)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
竹澤 晃弘 早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (10452608)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | メタマテリアル / 光吸収 / トポロジー最適化 / 有限要素法 / マスクレスリソグラフィ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，1)赤外吸収メタマテリアルにおいて，その光吸収効率を最大限に高めるための最適な構造を洗い出し，実際にそれを試作することと，2)それを極限的な効率を持つ熱放射デバイス（放熱デバイス）に応用することを目的とした研究を実施している．具体的には，古典電磁気学に基づく固定観念を捨てて，数理学的最適化アルゴリズムを駆使してメタマテリアルに最適な構造を自動かつ網羅的に洗い出し，その光学機能の限界を追求する．そして，設計したメタマテリアル構造を実際に試作し，実験を通してその有効性を検証する．
自動最適化アルゴリズムに基づくトポロジー最適化手法を，メタマテリアル吸収体の設計という目的に合わせて最適化させたソフトウェアを開発した．
赤外吸収体の特性は，デバイス内部での熱伝導特性とも密接に関係しているため，単なる光（電磁波）の放射特性の計算のみでは正確な見積もりができない．光吸収特性については有限要素法を用いて解析を行い，さらに温度変化とその後の熱拡散を考慮して，全体の特性を評価した．そしてその結果をメタマテリアルの構造へフィードバックした．特に本年度は可視から赤外域の幅広い波長域において高い光吸収特性を示すような，より完全黒体に近い構造をターゲットとしてその解析プログラムの開発を行った．
また，熱拡散の評価技術は，流体の数値解析にも応用できるため，ポーラス構造中の流体の解析を行い，Forchheimer dragを考慮したポーラス状流路のユニットセルの最適化を行った．
また，メタマテリアル吸収体の光吸収特性とその温度変化を有限要素法を用いて計算する計算モデルを構築した．そして，熱電変換材料にメタマテリアル吸収体を装荷することにより，より高い効率で光-熱変換が可能であることを確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
メタマテリアルトポロジー最適化手法を導入した赤外吸収メタマテリアルの構造最適化プログラムの開発に成功し，可視～赤外の広い波長域に対応できるメタマテリアルの構造設計を行った．実験ではメタマテリアルを加工手法の実験パラメータを洗い出し最適値を見出した．電磁気学的シミュレーションを中心とする解析は順調に進んだが，新型コロナウイルス感染症や半導体不足の問題により赤外吸収メタマテリアルの試作実験に使用するシリコンウェファなどの実験部材が入手できなくなったため実験の実施が遅れた．そのため，研究期間をさらに１年延長することにした．
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| Strategy for Future Research Activity |
新型コロナウイルス感染症の問題発生により，実験に必要な基板材料が入手できず，研究期間をさらに１年延長することとした．材料が入手でき次第，開発した設計パラメータに基づく赤外吸収メタマテリアルを試作して，その光吸収特性を測定・評価することにより，提案した自動設計手法の有効性を確認する．
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症ならびに半導体不足の影響でシリコン基板等の実験部材が入手できなくなったため，研究期間を1年延長して研究を実施する．シリコン基板は今年度半ばまでにの納品される事が確定したため，入手次第実験を再開する．
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Research Products
(1 results)
