量子共鳴効果による周期的表面ナノ構造からの熱放射スペクトル制御

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14655078
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 湯上 浩雄 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (60192803)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 齋 均 東北大学, 大学院・工学研究科, 日本学術振興会特別研究員(DC1) ; 金森 義明 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (10333858) ; 佐多 教子 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20271984) ; 圓山 重直 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (80173962)
• Keywords: 回折格子 / 熱放射 / ナノ構造 / 熱光起電力発電 / 微細加工 / RCWA

Research Abstract

我々は、熱光起電(Thermo-Photo-Voltaic : TPV)発電に関する研究を行っていく過程で、フォトニック結晶と類似の表面ナノ構造により熱放射スペクトルが制御できる可能性が有ることを見出した。本研究では、この量子共鳴効果を用いた熱放射スペックトル制御機能の発現原理の解明と、TPV以外の熱工学応用分野への適応性に関して研究を行う。本研究では,熱放射スペクトルの制御を行うことにより,より高効率な熱利用システムを構築するとともに、作製したナノ構造エミッタの熱・光学特性を評価し、機能性発現原理と応用について考察する。
前年度行った、Maxwell方程式の厳密解を求めるRigorous Coupled-Wave Analysis(RCWA)法に基づいた解析プログラムコードによる、最適な微細構造の決定、微細領域の放射スペクトルを測定するための放射測定装置の設計と製作に引き続き、以下の研究を行った。
・可視領域の輻射スペクトルを選択的に放射する表面ナノ構造体を高融点金属に作製し、高温耐性を有する構造を実現するために、単結晶タングステン金属を用いて表面微細構造を製作し、1400Kにおいても安定な構造を得ることができた。
・実際の試料の製作に当たっては製作誤差が不可避であり、それを考慮して改めて設計を行い、周期1.0-1.2μmの試料を作製した。これにより可視〜2.0μmの放射率が増大し、波長特性が改善された。
・開発したRCW法に基づく数値解析と、微細構造のパラメータを変化させた試料の放射特性の比較から、今回得られた熱放射特性の変化は、主としてマイクロキャビティ効果に起因することが実験的に示された。

Research Products

• [Publications] H.Yugami, H.Sasa, M.Yamaguchi: "Civilian and Industrial Applications of TPV in Japan"Semiconductor Science and Technology. 18. S239-S246 (2003)
• [Publications] Hitoshi Sai, Y.Kanamori, H.Yugami: "High-temperature resistive surface grating for spectral control of thermal radiation"Applied Physics Letters. 82. 1685-1687 (2003)
• [Publications] Hiroo Yugami, Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori: "Spectral Control of Thermal Radiation by Two-Dimensional Surface Grating Structures"Proceedings of International Symposium on Micro-Mechanical Engineering. 157-162 (2003)