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

通过量子共振效应控制周期性表面纳米结构的热辐射光谱

• 批准号: 14655078
• 负责人: 湯上 浩雄
• 金额: $ 2.11万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-14655078/
• 关键词: 回折格子; 熱放射; ナノ構造; 熱光起電力発電; 微細加工; RCWA; 解析格子

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。

The study of Thermo-Photo-voltaic (TPV) generation processes, crystalline structures and similar surface structures has been carried out and the possibility of thermal emission control has been revealed. This study aims to clarify the mechanism of thermal emission control function in the application of quantum resonance effect, and to study the applicability of thermal engineering separation field other than TPV. In this study, the thermal emission control mechanism was investigated, including the construction, operation and thermal optical properties of the thermal emission control mechanism with high efficiency, and the functional development mechanism. The previous year's research was conducted in the following areas: fundamental analysis, determination of optimal microstructure, determination of radiation in fine areas, design and manufacture of radiometric devices, and Rigorous coupled-wave Analysis(RCWA) for solving Maxwell equations. The radiation of visible field is selected from the radiation structure of high melting point metal, high temperature resistance structure of high melting point metal, high melting point metal. During the production of the sample, the production error is unavoidable, and the design is changed. The sample is produced with a period of 1.0-1.2μm. The visible ~ 2.0μm emissivity increased and the wavelength characteristics improved. The RCW method is used to analyze the fundamental values, to analyze the microstructure, to compare the emission characteristics of the samples, and to analyze the main causes of the thermal emission characteristics.

项目成果

H.Yugami, H.Sasa, M.Yamaguchi: "Civilian and Industrial Applications of TPV in Japan"Semiconductor Science and Technology. Vol.. S1-S8 (2003)

H.Yugami、H.Sasa、M.Yamaguchi：《日本TPV的民用和工业应用》半导体科学与技术。

Hitoshi Sai, Y.Kanamori, H.Yugami: "High-temperature resistive surface grating for spectral control of thermal radiation"Applied Physics Letters. (印刷中). (2003)

Hitoshi Sai、Y.Kanamori、H.Yugami：“用于热辐射光谱控制的高温电阻表面光栅”应用物理快报（2003 年出版）。

H.Yugami, H.Sasa, M.Yamaguchi: "Civilian and Industrial Applications of TPV in Japan"Semiconductor Science and Technology. 18. S239-S246 (2003)

H.Yugami、H.Sasa、M.Yamaguchi：《日本TPV的民用和工业应用》半导体科学与技术。

Hitoshi Sai, Y.Kanamori, H.Yugami: "High-temperature resistive surface grating for spectral control of thermal radiation"Applied Physics Letters. 82. 1685-1687 (2003)

Hitoshi Sai、Y.Kanamori、H.Yugami：“用于热辐射光谱控制的高温电阻表面光栅”应用物理快报。

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)

Hiroo Yugami、Hitoshi Sai、Yoshiaki Kanamori：“二维表面光栅结构热辐射的光谱控制”国际微机械工程研讨会论文集。