2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of novel infrared emitters: resonant antenna emitters
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19H00875
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
宮崎 英樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (10262114)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
間野 高明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (60391215)
野田 武司 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, グループリーダー (90251462)
井上 純一 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, 主幹研究員 (90323427)
神馬 洋司 日本大学, 工学部, 准教授 (00246844)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | メタマテリアル / 光アンテナ / トンネル発光 / 赤外光源 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
波長３～１０μｍの中赤外域は、可視域では姿を消した熱放射光源の独壇場であり、１００年間本質的に進歩していない。問題の本質は、可視～近赤外域の主力光源である発光ダイオード（ＬＥＤ）の効率が、中赤外域では原理的に極めて低いことにある。中赤外域では、可視域のＬＥＤに相当する実用的な新原理単色光源の登場が待望されている。本研究では、共鳴トンネル構造を独自の光アンテナ構造に挟み込んだ「共鳴量子アンテナ光源」を開発し、熱放射光源を代替できるかを問う。新原理光源では、電子系の共鳴を利用した共鳴トンネル構造の長い相互作用時間が高効率な非弾性発光を産む。これを輻射場系の共鳴を利用してさらに増強する。本研究では、設計・製造の基盤となる学術的研究に加え、現実のガス計測における従来の諸光源に対する優位性の実証や製造コストの見積もりにまで踏み込んで、その産業的・社会的意義を明らかにする。
本年度は、まずは過去の事例を参考に共鳴トンネル構造を試作し、様々な温度で電流－電圧特性を測定した。室温～７７Ｋの全領域で共鳴トンネル効果の発生を確認し、低温ほど電流ピークのコントラストが高くなることを示した。
また、これに組み合わせる位相同調光アンテナ構造の設計法をほぼ確立し、特許出願・論文発表を行った。これは正方形パッチアンテナを基本とするが、個々のアンテナの共鳴を乱さずに電流を供給できるよう、共鳴波長に合わせて適切な形状、長さに調整した導線でアンテナ間を接続し、全アンテナが位相を合わせて共鳴できるようにした構造である。論文発表に合わせて、研究機関からプレス発表をした。
さらに、発熱に伴う熱放射の可能性を排除しつつ、素子からの共鳴トンネル発光を測定するためにフーリエ変換赤外分光光度計に結合できるクライオスタットを導入した。しかし、現在、光学系の構築途上であり、現時点では発光の確認実験には至っていない。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度の当初計画では、共鳴トンネル構造と、共鳴波長が広い範囲で様々に異なる多数の光アンテナとを組み合わせ、バイアス電圧、量子井戸準位、高効率発光波長の概略の関係を把握することを目標としていた。さらには、可能であれば、電極金属界面から共鳴トンネル構造までをどのように接続するかという層構造設計、トンネル共鳴準位をどのくらいのエネルギー位置に設定すべきかという量子準位設計、必要に応じてはＧａＡｓ系以外の材料系の検討にも着手することも構想していた。しかしながら、現時点で、実際の発光の確認に至っていない。本年度、位相同調光アンテナの試作、解析、論文化に予想外に労力を割かれてしまったのが遅れの主な原因である。また、本研究専用のクライオスタットの設計にも当初の計画以上に時間を割かれてしまい、導入が年度末になり、年度内には事実上評価実験ができなかった。しかしながら、アンテナ構造については徹底した研究をほぼ終えたので、今後は共鳴トンネル構造の方に力を集中する準備が整ったとも考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
計画には特に変更はない。次年度は導入したクライオスタット用の光学系の確立を進める一方で、共鳴トンネル構造に組み合わせた広い範囲で共鳴波長が様々に異なる多数の光アンテナを作製し、まずは共鳴トンネル発光の観測を目指す。さらにはバイアス電圧、量子井戸準位、高効率発光波長の概略の関係を把握する。材料系には、当面は、共鳴トンネル構造にはＧａＡｓ／ＡｌＡｓ（またはＡｌＧａＡｓ）、光アンテナにはＡｕを用いる。評価を進めつつ、電極金属界面から共鳴トンネル構造までをどのように接続するかという層構造設計、トンネル共鳴準位をどのくらいのエネルギー位置に設定すべきかという量子準位設計、必要に応じてはＧａＡｓ系以外の材料系も検討したい。これらの課題を達成し、次年度内に、具体的な応用を想定した光源の試作にまで進むことを目指している。想定しているのは、波長３．９５μｍと４．２６μｍの２波長光源である。これによりＣＯ２濃度計測が可能になる。この応用対象はニーズが大きいことと、比較対象の光源（研究代表者自身が過去に開発した熱放射アンテナ光源や市販のＬＥＤ）が揃っている点が利点である。
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Research Products
(10 results)
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[Presentation] 位相同調アンテナを用いたメタ表面量子井戸赤外検出器2020
Author(s)
宮崎英樹, 間野高明, 笠谷岳士, 大里啓孝, 渡邉一弘, 杉本喜正, 川津琢也, 新井志大, 重藤暁津, 落合哲行, 神馬洋司, 宮嵜博司, M. F. Hainey, Jr.
Organizer
2020年第67回応用物理学会春季学術講演会
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[Presentation] Morphology Considerations for Optimizing Metasurface Quantum Well Photodetector Performance2020
Author(s)
M. F. Hainey, Jr., T. Mano, T. Kasaya, H. Osato, K. Watanabe, Y. Sugimoto, T. Kawazu, Y. Arai, A. Shigetou, T. Ochiai, Y. Jimba, H. Miyazaki, and H. T. Miyazaki
Organizer
2020年第67回応用物理学会春季学術講演会
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