| 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、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、中赤外域において、相互作用の電気的制御、具体的には、GaAs/AlGaAs量子井戸の第1サブバンドに存在する電子を電気的に引き抜くことで熱輻射に必要な光と物質の相互作用を無くすことにより、温度変化に依存しない熱輻射の超高速変調に成功した。また、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、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の設計に成功してした。
本年度は、中赤外域においては、昨年度に実現した相互作用の電気的制御を発展させ、1つのチップ上で輻射波長を切り替え可能な素子の開発を進めた。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、必要な波長の領域だけを発光させることで、同一チップ上で4波長切り替え可能な光源の実現に成功した。
また、Siのバンド間遷移を用いた近赤外域光源について、実験的な検討を進めた。昨年度に設計を行った、構造保持のための厚さ1 μmのSiO2薄膜上に、高さ500 nmのSiフォトニック結晶ロッドを形成した構造を作製し、輻射特性を評価した結果、波長1 μm以下の短波長域で高い放射率（～80％）をもち、かつ長波側については広い波長域に渡って放射率が抑制出来ることを、実験的に確かめることに成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
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。
GaAs/AlGaAsを利用した中赤外光源については、昨年度、当初の予定に掲げていなかった熱輻射の電気制御に取り組み、電圧制御という実用上重要な手法により、これまでの温度変化による変調と比較して、10,000倍という高速での熱輻射の変調に世界で初めて成功していた。本年度は、本技術をさらに発展させ、一つのデバイス内部に輻射波長の異なる領域を複数個設け、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・電極を設けた、1つのチップ上で輻射波長を切り替え可能な素子の実現に成功した。本成果は、当初の目標を大きく上回るものであり、幸いにもApplied Physics LettersのFeatured Articleとして選出されるとともに表紙に掲載され、またNature Photonics誌のNews and Viewsにも取り上げられるなど大きく注目された。
また、Siを利用した近赤外光源についても、昨年度設計した、ロッド型Siフォトニック結晶構造の作製・評価を行い、波長1 μmより短波の領域で高い放射率（～80%）をもち、かつ1 μmより長波の領域では放射率が抑制された素子の実現に成功した。本素子を利用することで、幅広いスペクトルをもつ太陽光、また地熱・廃熱からの輻射光を、太陽電池のバンドギャップ付近の光に変換することが可能となり、太陽光や地熱等を利用した発電の高効率化などに大いに寄与する重要な成果と位置づけることが出来る。
以上のようなことから、全体として本研究課題は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、チップ内の輻射波長の異なる複数領域の輻射率を個別に制御することで輻射波長を切り替え可能な光源をさらに発展させると共に、単一発光面で複数の輻射ピーク波長を切り替え可能な熱輻射光源の開発をも目指していく。後者については、1つの基板に異なる井戸幅をもつ複数の量子井戸層を積層し、それぞれをフォトニック結晶の複数の共振モードと相互作用出来るように設計した上で、それぞれの量子井戸層を制御することで、単一発光面における熱輻射波長の切り替えを目指す。また、近赤外光源については、光源物理のさらなる深化と、その大面積化の検討を行う。具体的には、Siロッド型フォトニック結晶の輻射スペクトルのさらに詳細な実験・理論検討とともに、不要放射の少ない支持基板上（中赤外域における熱輻射の小さい基板）にSiフォトニック結晶を作製した光源について検討を行う。
また自由空間の状態密度の制限を超えてエネルギーを引き出すための手法の開拓について、数値計算による検証を本格化させる。これまでは、電子・光子状態の制御の併用により、光源から遠方に放射される熱輻射の帯域制御・高速制御を検討してきたが、その強度にはプランクの法則で与えられる上限（黒体リミット）が存在する。本研究では、上記の光源と受光素子を近接させ、通常は遠方に放射されない近接場光成分を利用することで、上記限界を超える狭帯域熱輻射の授受を目指す。次年度は特に、フォトニック結晶構造に対する近接場熱輻射の解析手法を確立するとともに、材料の吸収係数やフォトニックバンド構造が近接場熱輻射に与える影響・効果を明らかにする。
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