| 研究課題/領域番号 |
25220607
|
|---|
| 研究種目 |
基盤研究(S)
|
| 研究機関 | 京都大学 |
|---|
研究代表者 |
野田 進 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10208358)
|
|---|
| 研究分担者 |
浅野 卓 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30332729)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2013-05-31 – 2018-03-31
|
| キーワード | フォトニック結晶 / 熱輻射 / 熱光発電 |
|---|
| 研究概要 |
本研究では、電子系と光子系の両状態制御により、物体からの熱輻射を、エネルギー損失なく、望む波長に望む線幅で集約する技術、また、熱輻射を動的かつ超高速に制御する技術など、高温物体からの熱輻射を自在に制御・利用するための新技術や概念を構築することを目的として研究を進めている。
本基盤Sの開始段階では、量子井戸のサブバンド間遷移を用いた電子系の制御と、フォトニック結晶による光子系の制御の組み合わせにより、黒体の1/30(Q値:30)まで熱輻射スペクトル線幅を狭め、かつ投入電力がこの狭いスペクトルに集約可能であるということを世界で初めて示すことに成功していた。本年度は、まずこの線幅をさらに狭帯域化することを目指して検討を行った。フォトニック結晶格子を正方格子に、格子点形状を円柱に変更するとともに、2種類の半径をもつ円柱を混合し、この半径の差を微調整することで、共鳴モードのQ値制御を行った。さらに、サブバンド間遷移の吸収Q値を、フォトニック結晶の共鳴Q値と一致するように、量子井戸数やドーピング量を調整した。これらにより、単峰かつQ値100を超える熱輻射を実証することに成功した。
併せて、熱輻射を高速で制御する方法に関しても検討を開始した。通常、熱輻射のスイッチングは物体の温度変化により行うため、応答速度はミリ秒～秒単位と遅いが、これをマイクロ秒領域へ速くすることを目指す。物体の放射率は、サブバンド間吸収によるQ値と、フォトニック結晶の共鳴Q値のマッチング条件により決まるため、温度変化ではなく、Qマッチング条件を時間領域で変化させることにより、熱輻射を高速で制御することを考えた。本年度は、超短光パルスを用いて、キャリアを量子井戸の伝導帯へ高速に励起することで、サブバンド間遷移による光吸収係数を高速変調し、Qマッチングの時間制御を行った結果、高速熱輻射制御の実現を示唆する結果が得られた。
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
前述のように、本研究では、電子系と光子系の両状態制御により、物体からの熱輻射を、エネルギー損失なく、望む波長に望む線幅で集約する技術、また、熱輻射を動的かつ超高速に制御する技術など、高温物体からの熱輻射を自在に制御・利用するための新技術や概念を構築することを目的としている。
本年度の目標として、これまでに実現していた熱輻射の線幅であるQ値30を、さらに狭帯域化するとともに、このような狭帯域熱輻射を、サブマイクロ秒程度の高速で制御することを目指した検討に着手することを掲げていた。前者に対しては、前述のように、Qマッチング条件を満たし、かつ、フォトニック結晶の共鳴Q値とサブバンド間遷移の吸収Q値を大きくなるように調整することで、Q値100を超える狭帯域化が実現できた。さらに、応用例として、有機媒体の吸収線幅に合わせた狭帯域熱輻射光源を作製することによって、有機溶媒のセンシングにも成功しているなど、計画していなかった新しい展開が得られた。また、後者についても、本年度は、超短光パルスを用いて、キャリアを量子井戸の伝導帯へ高速に励起することで、サブバンド間遷移による光吸収係数を高速変調し、吸収Q値を制御することによって、高速熱輻射制御の実現を示唆する結果が得られるなど、当初の想定よりも順調に成果が得られている。以上のようなことから、本年度当初に掲げた目標以上に進展しているといえる。
|
| 今後の研究の推進方策 |
次年度においては、まず、本年度に引き続き、狭帯域熱輻射の高速変調の検討を進める。本年度に示唆された超短パルス光による熱輻射変調に関して、詳細な検討を進めるとともに、このような高速の熱輻射を電気的に実現することも目指す。そのために、高速動作のための量子井戸構造やLC回路の設計などを進め、高速熱輻射変調を電気的に実証することを目指す。
併せて、熱光発電の実現に向けて、本研究で検討している狭帯域熱輻射を、近赤外領域で実現する方法に関しても検討を開始する。材料系として、これまでのGaAs/AlGaAs量子井戸のサブバンド間遷移に代わり、Siのバンド間遷移(遷移波長:1μm近傍)の活用を考え、Si（無添加）に、フォトニック結晶構造を形成することで、電子系と光子系の同時制御を行っていく。具体的には、高温に加熱されたSiの光学特性の評価を行うとともに、Qマッチング条件を満たすように、Siの薄膜化とフォトニック結晶構造の設計と作製評価に着手する。これにより、近赤外域の望む波長域に、強い熱輻射を発生させられるようになると期待される。
|
