熱環境応答型スマートメタマテリアルの提唱と熱スペクトル制御の実証研究
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19K22097
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
金森 義明 東北大学, 工学研究科, 教授 (10333858)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 光デバイス / マイクロ・ナノデバイス / メタマテリアル / マイクロ・ナノ |
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| Outline of Research at the Start |
メタマテリアルは金属サブ波長構造を単位素子とした人工光学材料であり、形状によりスペクトル特性を調整可能である。本研究は「スマートメタマテリアル」を新たに提唱し、試作デバイスを用いてスペクトル制御の実証を行うことを目的とする。１）デバイス概要及び光学設計、２）機械構造の設計、３）プロセスの条件出し、４）デバイス製作、５）特性評価の順に研究を進め、最後に研究総括を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
メタマテリアルは金属サブ波長構造を単位素子とした人工光学材料である。誘電体ナノギャップを隔て積層されたナノパターン構造体で構成される積層メタマテリアルは、ナノギャップ空間に局在するフォトンモードに応答して特定周波数で強い光学共鳴応答を示す。また、ナノギャップのわずかな違いで局在フォトンモードが大きく異なるため、ナノギャップ層（通常はSiO2などの透明絶縁体が使われる）の厚みに応じて光学特性を調整できる。本研究では、誘電体ナノギャップを“気体（空気）”としたナノギャップ可変の積層メタマテリアルで構成され、環境変化に応答し環境のエネルギーを利用してメタマテリアル自らパッシブに構造変形し、適切な光学特性に調整可能な熱環境応答型スマートメタマテリアルの提唱と熱スペクトル制御の実証研究を行う。
本年度は、昨年度に得られた設計を基に、熱環境応答型スマートメタマテリアルの製作を行った。はじめにナノパターン構造を製作し、走査電子顕微鏡（SEM）観察により、構造が出来ていることを確認した。顕微分光器を用いて製作したナノパターン構造の光学測定を行い、近赤外波長で最大反射率を示し、且つ、可視光領域の透過性も確保できていることを確認した。次に、製作したナノパターン構造に誘電体薄膜を密着させることで、熱環境応答型スマートメタマテリアルの動作切り替えの原理実証実験を行った。近赤外波長での反射率変化を確認できた。この反射率変化の結果は、数値計算したものと傾向が一致したことから、狙いの光学特性を得ることができた。
次にバイメタル部分の製作を行った。ラダー状の構造を採用し、実際に製作できたことをSEMにより観察した。バイメタル部分に熱を加え、約14℃の温度上昇により上に反り上がることを確認し、製作したバイメタル構造が正常に駆動することを確認した。
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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
当初の計画通り、昨年度得られた設計を基に、熱環境応答型スマートメタマテリアルの製作を行うことができた。ナノパターン構造を製作し、SEM観察からナノ構造体が高精細に製作できていることを確認できた。また、その光学特性を測定し、数値計算と同様、近赤外波長で高い反射ピークを示すことを確認できた。次に、製作したナノパターン構造に誘電体薄膜を密着させることで、熱環境応答型スマートメタマテリアルの動作切り替えの原理実証実験を行い、近赤外波長での反射率変化を確認できたことから、誘電体薄膜とナノパターン構造との間のギャップ変化によるスペクトル制御が可能であることが実証された。次に、バイメタル部分の製作を行い、デザイン通りの寸法で製作することができた。バイメタル部分に外部から熱を加え、温度上昇により製作したバイメタル構造が正常に駆動することを確認できた。以上のことから、おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、本年度得られたナノパターン構造とバイメタル構造の製作を統合し、全工程を通したデバイス製作を試みる。その後、製作したデバイスの特性評価を行う。外部ヒーターでデバイスを加熱した際の透過スペクトルを測定し、スペクトル制御性を評価する。
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Report
(2 results)
Research Products
(8 results)
