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2021 年度 実績報告書

3次元メタマテリアル構造を用いた広帯域・高効率赤外吸収体

研究課題

研究課題/領域番号 18H03889
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

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)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2022-03-31
キーワードメタマテリアル / 光吸収体 / 赤外光 / 赤外分光 / 円錐螺旋構造 / 機械学習 / 光熱電変換デバイス
研究実績の概要

従来2次元平面状の構造であったMetal-Insulator-Metal(MIM)構造を基板表面に垂直方向に配列させた3次元vertically oriented Metal-Insulator-Metal(v-MIM)メタマテリアルを効率良く加工する技術を開発した.開発した技術を利用して実際にv-MIM構造を作製し,その光学特性を赤外分光器を用いて評価した.その結果,中赤外領域に共鳴吸収バンドを持ち,特に波長5μm帯において99.5%のほぼ完全な光吸収を示す事を確認した.さらに異なる波長域に吸収バンドを持つ構造を集積化することで吸収波長体域を拡大できることを実証できた.また,3次元円錐螺旋構造を用いた広帯域光吸収体構造については,有限要素法を用いて構造パラメータと吸収スペクトルとの関係を解析した.その結果,螺旋構造の巻き数が整数の場合と比較して非整数の時の方が広い波長域の光を吸収することが解った.現在そのメカニズムを探究中である.また,前年度の研究で,深層学習手法を用いて構造パラメータから吸収スペクトルを高い精度で推測できることを確認したが,今年度は与えられた吸収スペクトルからそれを実現する構造パラメータを推測する手法の開発を試みた.その結果,特定のスペクトル形状については,それに対応する構造パラメータを推測することができたものの,全く見当違いの構造が出力されることがあることも解った.そこで,ベイズ推定法を利用して,さらに効率良く解を探究する手法の検討を行った.メタマテリアル吸収体の光熱電デバイスの高効率化への応用については,吸収体の構造を最適化することでさらに光吸収特性を向上させるとともに,素子にフォノンの拡散を抑制するフォノニックな構造を導入する事で光熱電変換特性の感度が向上し,電力生成デバイスのみならず赤外線の検出デバイスとして利用できることを明らかにできた.

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Nanostructure-enhanced infrared spectroscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Takuo Tanaka, Taka-aki Yano, and Ryo Kato
    • 雑誌名

      Nanophotonics

      巻: 11 ページ: 2541-2561

    • DOI

      10.1515/nanoph-2021-0661

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Metamaterial perfect absorber simulations for intensifying thermal gradient across a thermoelectric device2021

    • 著者名/発表者名
      Shohei Katsumata, Takuo Tanaka, and Wakana Kubo
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 29 ページ: 16396-164065

    • DOI

      10.1364/OE.418814

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 機械学習を用いたメタマテリアル吸収体の構造設計2022

    • 著者名/発表者名
      伊藤 昴, 田中拓男
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 3次元Conical Helix構造を有するメタマテリアル広帯域電波吸収体2022

    • 著者名/発表者名
      五十嵐 絵里, 梅津 暢彦, 金子 幸雄, 田中 拓男
    • 学会等名
      2022年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [学会発表] Three-dimensional broadband metamaterial absorbers for IR gas molecules sensing2022

    • 著者名/発表者名
      Takuo Tanaka
    • 学会等名
      SPIE Optics+Photonics 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Metamaterial absorber and reflector for ultra-sensitive infrared spectroscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Takuo Tanaka
    • 学会等名
      SPIE Optics+Photonics 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Broadband Electromagnetic Absorber Based on 3D Conical Helix Metamaterials2022

    • 著者名/発表者名
      Eri Igarashi, Nobuhiko Umezu, and Takuo Tanaka
    • 学会等名
      MRS Spring Meeting 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] 広帯域電波吸収特性を与える3D Conical Helix型メタマ テリアル電波吸収材2022

    • 著者名/発表者名
      五十嵐 絵里, 梅津 暢彦, 田中 拓男
    • 学会等名
      第69回 応用物理学会春期学術講演会

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公開日: 2023-12-25  

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