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External affiliations

  • Professor, Department of Condensed Matters Physics, Hokkaido University

Research

Keywords

surface physics, radiative heat conversion, infrared sensing, optical nanomaterials/devices

https://www.jst.go.jp/crest/soukaimen/EN/crest/2013/Tadaaki_Nagao/index.html

PublicationsNIMS affiliated publications since 2004.

Research papers
Proceedings

Society memberships

応用物理学会, 日本表面真空学会, 日本物理学会, Institute of Physics

Research Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA)
Title

スペクトル制御された熱線利用材料の開拓とその応用

Keywords

赤外線,熱吸収,熱放射,セラミック,ポラリトン,スペクトル制御

Overview

近年、ナノ構造を用いて材料表面の熱放射や熱吸収のスペクトル(波長分布)を制御する研究が大きく進展している。熱線の吸収や放射の強度やスペクトルは、材料の表面の構造と共に、材料内部の性質にも大きく左右される。そこで、多くの材料から光学的性質の適した材料を選びだし、その上で構造を設計し、性能を最大化することが求められている。当グループでは、材料の赤外物性探索とナノ微細構造による電磁場制御の2つの方法論を融合することで、特定波長に対して高い効率で熱放射や吸収を生じる熱光・光熱変換構造や、高い効率で太陽熱を利用する技術を実現した。

Novelty and originality

第一原理計算とナノスケール電磁場計算の複合化による材料探索法を開発した
赤外帯域で光学的な特性の良好な高耐熱な薄膜セラミック材料を開発した
赤外帯域で光学的な特性の良好な高耐熱な薄膜超合金材料を開発した
1200℃で動作する熱放射エミッターを開発した
3.2μmの放射波長で26 nmの半値幅をもつ狭帯域な熱吸収素子を開発した

Details

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量子力学的赤外物性の予測技術とMaxwell電磁気学的なナノスケール赤外線制御技術とを融合し、太陽熱の吸収や熱線の放射・吸収現象の制御と、高効率なエネルギー利用のためのセラミックス微細構造を開発した(左図)。その応用として、特定波長の熱線しか放射しない1200℃動作のセラミックヒーター、太陽熱完全吸収材料および完全反射材料、中赤外で動作し波長分解能50 nmの赤外線センサー、近赤外で動作し波長分解8nmのセンサーを実証した。

開発した材料は省エネな赤外線パネルヒーターや加熱炉、小型安価で省エネな赤外線受動センサーや小型分光器、などへの応用が可能。例えば、化学合成や半導体分野の材料加熱プロセスにおける分子や化学結合の選択的な励起や蒸発、反応促進、低温省エネ、安全な加熱加工への出口がある(右図)。光学フィルターを用いて熱線を多量にカットする従来方式に比べて、初めから無駄な熱線の放射がないため、炉の構造が簡素化され、産業加熱炉の低価格化と省エネに貢献できる。新しい加工法や新製品開拓の可能性が広がる。

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Summary

所望の光熱変換や光電変換機能を発現させ実用に供するためには、電磁気学的な境界条件のエンジニアリングと物質合成や結晶学的な知見を踏まえた材料物理学的アプローチの両立が不可欠である。我々は赤外物性探索と表面電磁場設計とを相互に連携させた材料科学研究により、これをスペクトル制御型赤外線ヒーター、太陽熱発電、多波長赤外線センサーや温調技術に応用し、熱線研究における新機軸を生み出してゆく。

この機能は所内限定です。
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