[論文レビュー] Nanophotonic engineering of active and functional thermal emitters

Denis G. Baranov, Yuzhe Xiao+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2018

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 122被引用数 2

ひとこと要約

本レビューでは、ナノ構造材料を用いてスペクトル的・方向的・偏光的性質を制御することで、熱放射をナノフォトニクス的手法で工学的に制御する戦略を提示する。これにより、プランクの法則を凌駕する、整合的で選択的かつ方向性のある熱放射が実現され、エネルギー回収や放射冷却への応用が可能になる。

ABSTRACT

Thermal emission is a ubiquitous and fundamental process by which all objects at non-zero temperature radiate electromagnetic energy. This process is often presented to be incoherent in both space and time, resulting in broadband, omnidirectional light emission, with a spectral density related to the object's temperature by Planck's law. Over the past two decades, there has been considerable progress in engineering the spectrum, directionality, and polarization of thermally emitted light using nanostructured materials. This review summarizes the basic physics of thermal emission, lays out various nanophotonic approaches to engineer thermal-emission and manipulate its dynamics, and highlights impactful applications including energy harvesting, lighting, and radiative cooling.

研究の動機と目的

• ナノスケールにおける熱放射の基本的物理を理解し、制御すること。
• 従来の材料が示す固有の非整合性および広帯域性を有する熱放射の問題を解決すること。
• 方向性、スペクトル選択的、偏光制御が可能なナノフォトニクスプラットフォームの開発。
• 設計された熱放射体を通じて、エネルギー効率向上および熱管理の分野における実用的応用を実現すること。

提案手法

• フォトニクス結晶、メタマテリアル、プラズモニック構造などのナノ構造材料を用いて、熱放射スペクトルを調整する。
• フォトニクス帯域ギャップ工学の原則を応用し、特定波長での放射を抑制または強化する。
• 共鳴構造（例：マイクロキャビティ、グレーティングアレイ）を設計して、放射の方向性および偏光を制御する。
• 近場および遠方場結合効果を活用して、放射強度および指向性を向上させる。
• 可変性を持つ熱放射を実現するため、位相変化材料や半導体材料などのアクティブ材料を統合する。
• 電磁気学理論およびマクスウェル方程式を用いてモデル化し、スペクトル的および角度的特性を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノフォトニクス構造をどのように設計すれば、ブラックボディ放射を凌駕するスペクトル選択的熱放射を実現できるか？
• RQ2 フォトニクス帯域ギャップおよび共鳴モードは、熱放射の方向性および偏光を制御するために果たす役割は何か？
• RQ3 アクティブ材料を熱放射体に統合することで、動的で可変な放射を実現するにはどうすればよいか？
• RQ4 ナノスケールでの熱放射の工学的設計における根本的限界およびトレードオフは何か？
• RQ5 設計された熱放射体は、エネルギー回収や冷却といった実世界の応用において、性能をどのように向上させるか？

主な発見

• ナノ構造材料を用いることで、プランクの法則が予測する広帯域放射とは異なる、高スペクトル選択的熱放射が実現される。
• フォトニクス結晶およびプラズモニック構造は、熱放射を狭い角度的およびスペクトル的帯域に閉じ込め、指向性を発揮できる。
• 共鳴キャビティ設計により、従来の熱放射源を上回る指向性を持つ方向性放射が可能になる。
• アノードトロピーなナノ構造を用いることで、特定の偏光状態を持つ熱放射の制御が達成できる。
• 位相変化材料を用いたアクティブ熱放射体により、必要に応じて発光スペクトルを動的にチューニングできる。
• 設計された熱放射体は、放射冷却および太陽熱エネルギー変換の応用分野において、性能を顕著に向上させる。