Functional control of plasmons and phnons at nanoparticle interfaces on oxide semiconductor for thermal management

点击翻译按钮获取中文摘要

省エネ社会に向けて、窓から侵入する赤外光（太陽熱・輻射熱）を効率よく遮蔽する透明遮熱技術が必要である。本申請者は、赤外表面プラズモンを示す透明酸化物半導体ナノ粒子に着目して、赤外域で共鳴反射を持つ透明反射遮熱フィルムの創出を目指す。更に、遮熱の動的制御（スイッチ機能の実現）を行う。特に、透明反射遮熱技術の光学的特性（反射・吸収）が、どの程度の熱量や熱物性（日射熱・輻射熱など）を実際に制御できるのか、社会実装に向けて明らかにする必要がある。故に、従来技術の延長では解決できないエレクトロクロミック（機能性窓）やナノ粒子界面の光熱制御に基づいた新しい熱基盤制御材料に関する研究開発を本課題の目標とした。２年目（2022年度）は、赤外エリプソメトリ分光を用い、Sn-doped In2O3 (ITO)ナノ粒子薄膜の光学応答（複素誘電率及び複素透磁率）を調査し、酸化物半導体ナノ粒子薄膜の反射共鳴に伴う低い熱放射率の実現を目指した。ITOナノ粒子薄膜は、赤外域でローレンツ共鳴を持った光学特性を示し、ITO連続薄膜とは異なった赤外光学応答を示した。この光学的な相違は、ITOナノ粒子薄膜が光メタマテリアルとして機能化したことに基づく。近赤外域の共鳴反射は、金属的性質な特性に由来し、中赤外域の共鳴反射は、入射光と反射光の干渉効果による。また、3次元電磁界計算から、ナノ粒子の形状・粒子間距離及び積層構造の変化に伴い、赤外域での共鳴反射性能は著しく変化しする。特に、立方体形状のITOナノ粒子を用いた場合、赤外域の反射率が85%以上に達する。この高い赤外反射共鳴は低い熱放射率に寄与し、赤外域全体における熱放射率は15%程度まで減少することを見出した。故に、ITOナノ粒子薄膜の構造制御は、赤外域の光学応答に強い影響を与え、高性能な遮熱特性を持つことを明らかにした。