2014 Fiscal Year Annual Research Report
周期構造による超音波・表面弾性波の制御とエネルギー輸送・収穫デバイスの設計
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25600132
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
鶴田 健二 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (00304329)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤森 和博 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (70314705)
石川 篤 岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (90585994)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 超音波 / フォノニック結晶 / 表面弾性波 / テラヘルツ / 圧電性薄膜 / 分子動力学 / 音響ダイオード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，弾性波の伝播制御を可能にする周期構造体“フォノニック（ソニック）結晶”の最適設計と固体表面弾性波制御構造の設計を行い，超音波・弾性波を用いた電力伝送など，高効率のエネルギー輸送デバイスを考案し，さらに未踏領域のテラヘルツ波発振原理の確立と応用開拓を目指した。
昨年度に引き続き，水中超音波によるフォノニック結晶の音響レンズ効果の高効率化・広帯域化の検討を行った。特に，負の屈折現象などに対する定量的評価には，超音波波面の可視化とそれを数値シミュレーションと直接比較することが重要となる。昨年度に導入した超音波トランスデューサでの超音波伝搬の可視化のためのシュリーレン装置を構築し，超音波伝送の指向性およびフォノニック結晶による透過特性・伝搬方向確認までが可能となった。更にその技術を援用して，水中パイプ内を超音波が高効率で伝送するためのパイプ構造の数値設計と伝送効率の評価と伝搬の可視化解析を行った。
一方，昨年度から開始した半導体表面の周期構造によるテラヘルツ波制御実現に向け，大規模分子動力学シミュレーションによる構造・材料探索を実施した。圧電性薄膜として既に使用実績のある窒化アルミニウム(AlN)についての原子レベル解析を行った。膜厚3.8nmのAlN薄膜において厚み縦振動共振モードが励起され，かつ薄膜上を安定に伝搬できること，さらにその薄膜にナノスケールの周期孔構造を導入した薄膜構造にフォノンバンドギャップが形成されることを示し，それを基に，テラヘルツ導波路を設計，その中で弾性波が閉じ込められて伝搬特性が向上することが分かった。これと圧電効果を組み合わせることによって新しいテラヘルツ波発振源を実現できる可能性が定量的に示された。
また，高効率音響エネルギー回収デバイスの基本原理として，圧電体と誘電体の周期構造からなり，可聴域で動作する音響ダイオードの数値設計を行った。
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