2021 Fiscal Year Annual Research Report
Functional control of plasmons and phnons at nanoparticle interfaces on oxide semiconductor for thermal management
| Project/Area Number |
21H01360
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
松井 裕章 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (80397752)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
依田 秀彦 宇都宮大学, 工学部, 准教授 (30312862)
J・J Delaunay 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (80376516)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | 酸化物半導体 / ナノ粒子 / 赤外領域 / 表面プラズモン / 反射遮熱 / フォノン / 熱伝導 / 機能制御 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
省エネ社会に向けて、窓から侵入する赤外光（太陽熱・輻射熱）を効率よく遮蔽する透明遮熱技術が必要である。本申請者は、赤外表面プラズモンを示す透明酸化物半導体ナノ粒子に着目して、赤外域で共鳴反射を持つ透明反射遮熱フィルムの創出を目指す。特に、透明反射遮熱技術の光学的特性（反射・吸収）が、どの程度の熱量や熱物性（日射熱・輻射熱など）を実際に制御できるのか、社会実装に向けて明らかにする必要がある。故に、従来技術の延長では解決できないエレクトロクロミック（機能性窓）やナノ粒子界面の光熱制御に基づいた新しい熱基盤制御材料に関する研究開発を本課題の目標とした。初年度（2021年度）は、本課題で開発した酸化物半導体ナノ粒子薄膜の赤外域の共鳴反射と遮熱性能の評価を実施した。更に、断熱性能に関しては、時間分解熱反射分光計測を用いた熱伝導率評価を実施した。故に、酸化物半導体ナノ粒子界面の光学的及び熱学的性質を理解し、熱流入（熱放出）に関係する光熱物性を調査した。
Sn-doped In2O3 (ITO)ナノ粒子薄膜の表面プラズモン制御は、日射熱に対する遮熱効果に寄与した。測定試料には、スピンコーティング法を用い、次元的に積層制御したナノ粒子薄膜を利用する。日射熱取得率は、日射熱が窓から室内側へ流入する比率を意味し、可視・近赤外の透過・反射率の積分球（全方位）計測とR3106（JIS規格）に基づいて実施した。結果として、可視透過率：70%以上、近赤外反射率65%、日射遮蔽係数は0.61を実現した。更に、断熱性能を決める熱輸送に関する熱物性評価を行い0.16[W/m2.s]の低い熱伝導率を達成した。この低い熱伝導率は有機材料に匹敵し、ITOナノ粒子薄膜が高い断熱性能を持つことを実証した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ITOナノ粒子薄膜の表面プラズモン制御（特に、電子濃度依存性の観点）の実施、及び表面プラズモン励起と赤外域における共鳴反射性能の関係を明らかにできた点は、2021年度の研究進歩としては重要な点となる。日射遮蔽性能の評価は、近赤外分光器に積分球を搭載した装置を用いて実施した。結果として、ITOナノ粒子間界面で生じる強い光相互作用が強い光散乱を近赤外域で発現し、結果として低い日射遮蔽係数（~0.61）となった（日射遮蔽係数は低い数値ほど高い遮蔽効果を持つ）。この日射遮蔽係数は産業応用上に必要とされる数値（0.60）に近い結果を与え、本課題で作製したナノ粒子薄膜の高い遮熱性能が実証された。一方、ITOナノ粒子薄膜の断熱性能として、パルスレーザーを用いた時間分解熱反射計測とPt・ITOナノ粒子薄膜・Ptの3層試料を用いた熱伝導性の評価を行った。0.16[W/m2.s]の低い熱伝導率が実験的に得られ、それは3次元非定常熱伝導解析からも確認された。上記から、ITOナノ粒子薄膜の遮熱性能及び断熱性能が明らかにされた。上記の成果は、2021年度に実施した項目としておおむね順調に進歩している判断できる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は、ITOナノ粒子薄膜のナノ粒子間界面に関係する電気・磁気共鳴について考察する。特に、ナノ粒子を人工原子「メタ原子」とし、ナノ粒子薄膜をメタ表面 「メタマテリアル」として光機能化させ、既存物質の光学特性を超えた機能材料の創出を行う。故に、本課題の2年目は、酸化物半導体メタマテリアルの光熱制御に着目し、革新的な新しい低熱放射材料の開拓を目指す。最初に、ナノ粒子界面の光学的・熱的特性に着目する。表面プラズモン励起は、ナノ粒子界面に強い光電場増強を与え、それは構造学的特性（粒子間距離、粒子径及び形状）に依存し、ナノ粒子薄膜のメタマテリアル制御へ重要な因子となる。本年度では、ナノ粒子界面の表面プラズモンとその構造学的依存性を理解し、可視透明な低熱放射材料に向けた材料設計を行う。特に、酸化物半導体ナノ粒子薄膜の電気・磁気共鳴に関係する複素誘電率や複素透磁率の赤外エリプソメトリ分光や3次元電磁界解析を用いて実験的・理論的に調査する。また、室内の熱環境を決める輻射熱の低減に向けて、ナノ粒子間界面の光電場増強（プラズモン増強）による中赤外域での高い反射性能を実現する。そして、その反射性能と熱物性（特に、熱放射性能）の関係を積分球赤外分光と熱放射解析を用いてスペクトル学的に理解する。
|
Research Products
(9 results)
