| 研究課題/領域番号 |
25220607
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
野田 進 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10208358)
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| 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)
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| 研究期間 (年度) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| キーワード | フォトニック結晶 / 熱輻射 / 熱光発電 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、電子・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、熱輻射を動的かつ超高速に制御する技術など、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、昨年度は、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、単峰でQ値120を超える熱輻射を実証することに成功した。また、熱輻射の高速制御法に関しても検討を行い、超短光パルスを用いて、キャリアを量子井戸の伝導帯へ励起することで、サブバンド間遷移による光吸収係数を高速変調するという手法を新たに提案し、高速な熱輻射制御を実現した。
本年度は、光励起により実現した高速熱輻射制御を、電気的に実現することを目指した。具体的には、pn接合に逆バイアスを印加して量子井戸の第1サブバンドに存在するキャリアを引き抜くことで、第1-第2サブバンド間遷移が起こり得ないようにして、熱輻射に必要な光と物質の相互作用を無くすという、温度変化により変調を行う従来デバイスとは全く異なる手法を用いた。この結果、細い線幅をもつ熱輻射を、デバイス温度を一定に保ったまま、外部印加電圧による制御のみで、1MHz程度の周波数で変調することに成功した。これは従来デバイスの1万倍程度と極めて高速であり、従来の熱輻射制御法の限界を打破する新概念の構築・実証に成功したと言える。
併せて、熱光発電の高効率化に向け、近赤外領域での熱輻射制御の検討も開始した。Siのバンド間遷移(遷移波長:1μm近傍)を利用し、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うことを検討している。本年度は理論解析を進め、薄膜Si上に正方格子ロッド型フォトニック結晶を形成することで、近赤外領域のみで高い輻射率をもつ構造を設計し、初期的な実験結果を得ることにも成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
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、狭帯域熱輻射の高速制御を電気的に実現すること、および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。前者については、前述のように、温度変化によって変調を行っていた従来型デバイスとは全く異なる、光吸収係数を変調するという新概念を提案し、1MHz程度という極めて高速の変調を実現することに成功した。本成果は、従来の熱輻射制御法の限界を打破する新概念の構築・実証に成功したものであると言え、幸いにもNature Materialsに掲載されるなど、高く評価されている。さらに、本光源の効率の改善にも取り組み、不要な輻射を抑制するための構造設計を進めた結果、従来の3倍以上の効率を実現することにも成功している。また後者についても、薄膜Si上に正方格子ロッド型フォトニック結晶を形成することで、近赤外領域のみで高い輻射率をもつ構造を設計することに成功するなど、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。
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度においては、まず、本年度得られた熱輻射の高速制御の結果をさらに発展させ、電気的に熱輻射波長を変化させることのできる狭帯域熱輻射光源の実現を目指していく。具体的には、一つのデバイス内部に格子定数の異なるフォトニック結晶領域を複数個設け、それぞれが電気的に輻射強度を変調できるように個別の回路・電極を設定する。これにより、デバイス全体を加熱しつつも、必要な波長の領域だけを発光させることが出来ると期待できる。輻射の電気的制御には本年度実現したpn接合に逆バイアスを印加することで、赤外輻射の元となっているサブバンド間遷移を誘起している量子井戸のキャリアを量子井戸外に引き出すことで、熱輻射に必要な光と物質の相互作用を無くす手法をより改良しつつ適用していく。
併せて、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という研究について、検討を本格化させる。本年度の理論解析により得られた、正方格子ロッド型Siフォトニック結晶を用い、近赤外領域のみで高い輻射率をもつ構造設計結果を基に、本年度は、試料作製、また1000℃程度まで試料加熱し熱輻射の評価を行い、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な構造を実験的に実現していく。
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