| 研究課題/領域番号 |
18K19038
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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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)
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| 研究分担者 |
竹澤 晃弘 広島大学, 工学研究科, 准教授 (10452608)
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| 研究期間 (年度) |
2018-06-29 – 2022-03-31
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| キーワード | 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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| 研究実績の概要 |
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．
赤外吸収メタマテリアルの試作実験も平行して行った．マスクレスリソグラフィ装置と反応性エッチング装置を用いて3次元メタマテリアル構造を試作し，フーリエ変換分光器にてその赤外吸収特性を評価した．その結果，９０％を超える吸収特性を持つ試料の試作に成功した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
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．新型コロナウイルス感染症の問題発生により赤外吸収メタマテリアルの試作実験が実施できなかったため，研究期間をさらに１年延長することにした．
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| 今後の研究の推進方策 |
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．材料入手のメドはついたため，すでに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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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナウイルス感染症によりシリコン基板等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．2020年度末になりシリコン基板入手のメドが立ったので，入手次第実験を再開する予定である．
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