JP2019192910A - Switching element and thermoelectric conversion element - Google Patents

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Abstract

To provide a switching element that utilizes local heat generated at a metamaterial complete absorption structure.SOLUTION: A switching element 100 includes a metamaterial complete absorption structure 10 composed of a conductive microstructure 1, a metal thin film 2, and a thermal phase transition material layer 3 sandwiched therebetween.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、スイッチング素子及び熱電変換素子に関するものである。   The present invention relates to a switching element and a thermoelectric conversion element.

メタマテリアルは、光の波長よりも小さな構造体からなる人工的な材料であり、2000年に負の屈折率を有するメタマテリアルが実現できれば、無限に小さな物を可視光で観察できるとの論文が発表されて注目された。
その後、様々なメタマテリアルの構造が報告された。その一つに薄膜を金属ナノ構造体と金属平板で挟んだメタマテリアル完全吸収構造がある。
A metamaterial is an artificial material consisting of a structure smaller than the wavelength of light, and if a metamaterial with a negative refractive index can be realized in 2000, a paper says that infinitely small objects can be observed with visible light. It was announced and attracted attention.
Later, various metamaterial structures were reported. One of them is a metamaterial complete absorption structure in which a thin film is sandwiched between a metal nanostructure and a metal flat plate.

N. I. Landy, S. Sajuyigbe, J. J. Mock, D. R. Smith, W. J. Padilla, Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 207402.N. I. Landy, S. Sajuyigbe, J. J. Mock, D. R. Smith, W. J. Padilla, Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 207402. S. Lysenko, A. J. Rua, V. Vikhnin, J. Jimenez, F. Fernandez, H. Liu, Appl. Surf. Sci. 2006, 252, 5512.S. Lysenko, A. J. Rua, V. Vikhnin, J. Jimenez, F. Fernandez, H. Liu, Appl. Surf. Sci. 2006, 252, 5512. Appavoo, B. Wang, N. F. Brady, M. Seo, J. Nag, R. P. Prasankumar, D. J. Hilton, S. T. Pantelides and R. F. Haglund, Nano Lett., 2014, 14, 112.Appavoo, B. Wang, N. F. Brady, M. Seo, J. Nag, R. P. Prasankumar, D. J. Hilton, S. T. Pantelides and R. F. Haglund, Nano Lett., 2014, 14, 112. A. J. Green, A. A. Alaulamie, S. Baral and H. H. Richardson, Nano Lett., 2013, 13, 4142.A. J. Green, A. A. Alaulamie, S. Baral and H. H. Richardson, Nano Lett., 2013, 13, 4142. A. Rasoul, A. Mohammad and R. Carsten, J. Phys. D: Appl. Phys., 2017, 50, 503002A. Rasoul, A. Mohammad and R. Carsten, J. Phys. D: Appl. Phys., 2017, 50, 503002 M. L. Brongersma, N. J. Halas and P. Nordlander, Nat Nano, 2015, 10, 25.M. L. Brongersma, N. J. Halas and P. Nordlander, Nat Nano, 2015, 10, 25.

従来、メタマテリアル完全吸収構造に関する文献の多くは、その薄膜の材料として金属酸化物など、電磁波と相互作用をしない物質が広く用いられてきた(非特許文献1参照)。   Conventionally, most of the literature on the metamaterial complete absorption structure has widely used a material that does not interact with electromagnetic waves, such as a metal oxide, as a material for the thin film (see Non-Patent Document 1).

発明者は鋭意研究によって、メタマテリアル完全吸収構造に熱応答性を有する材料層(例えば、二酸化バナジウム(VO)薄膜)を挿入した構成を備えた新規のスイッチング素子及び熱電変換素子によって、メタマテリアル完全吸収構造に生成する局所熱を利用する新規のスイッチング素子及び熱電変換素子に想到した。 The inventor has conducted intensive research on the metamaterial by using a novel switching element and a thermoelectric conversion element having a structure in which a material layer (for example, vanadium dioxide (VO 2 ) thin film) having a thermal response property is inserted into the metamaterial complete absorption structure. A novel switching element and thermoelectric conversion element utilizing local heat generated in a complete absorption structure have been conceived.

二酸化バナジウム(VO)薄膜の光照射による相転移誘起が可能であることが報告されている(非特許文献2参照)。非特許文献2が相転移を誘起するのに必要としたフェムト秒レーザー光の1パルス当たりの光強度は140GW/cmであり、光照射のみによるVO薄膜を備えたスイッチング素子は非常に強力な光を必要とされていた。 It has been reported that a phase transition can be induced by light irradiation of a vanadium dioxide (VO 2 ) thin film (see Non-Patent Document 2). The light intensity per pulse of femtosecond laser light required for non-patent document 2 to induce the phase transition is 140 GW / cm 2 , and the switching element having a VO 2 thin film only by light irradiation is very powerful. The light was needed.

本発明は、メタマテリアル完全吸収構造に生成する局所熱を利用するスイッチング素子及び熱電変換素子を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the switching element and thermoelectric conversion element which utilize the local heat produced | generated in a metamaterial perfect absorption structure.

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。   The present invention provides the following means in order to solve the above problems.

(1)本発明の第1の態様に係るスイッチング素子は、導電性微小構造体と、金属薄膜と、それらに挟まれた熱相転移材料層とからなる完全吸収メタマテリアル構造を備えている。 (1) The switching element according to the first aspect of the present invention includes a fully absorbing metamaterial structure including a conductive microstructure, a metal thin film, and a thermal phase transition material layer sandwiched between them.

(2)上記態様において、前記導電性微小構造体が複数備えられてもよい。 (2) In the above aspect, a plurality of the conductive microstructures may be provided.

(3)上記態様において、複数の導電性微小構造体が同じプラズモン共鳴波長を示すものからなってもよい。 (3) In the above aspect, the plurality of conductive microstructures may be configured to exhibit the same plasmon resonance wavelength.

(4)上記態様において、複数の導電性微小構造体に異なるプラズモン共鳴波長を示すものが含まれていてもよい。 (4) In the above aspect, the plurality of conductive microstructures may include those having different plasmon resonance wavelengths.

(5)上記態様において、前記複数の導電性微小構造体がランダムに配置されていてもよい。 (5) In the above aspect, the plurality of conductive microstructures may be randomly arranged.

(6)上記態様において、前記複数の導電性微小構造体が規則的に配置されていてもよい。 (6) In the above aspect, the plurality of conductive microstructures may be regularly arranged.

(7)上記態様において、前記導電性微小構造体が異方的形状を有してもよい。 (7) In the above aspect, the conductive microstructure may have an anisotropic shape.

(8)本発明の第2の態様に係る熱電変換素子は、導電性微小構造体と、金属薄膜と、それらに挟まれた熱電変換層とからなる完全吸収メタマテリアル構造を備えている。 (8) The thermoelectric conversion element which concerns on the 2nd aspect of this invention is equipped with the perfect absorption metamaterial structure which consists of an electroconductive microstructure, a metal thin film, and the thermoelectric conversion layer pinched | interposed among them.

(9)上記態様において、前記導電性微小構造体は、前記熱電変換膜の一部の内部又は表面に配設されていてもよい。 (9) In the above aspect, the conductive microstructure may be disposed inside or on a part of the thermoelectric conversion film.

(10)上記態様において、前記導電性微小構造体が複数備えられてもよい。 (10) In the above aspect, a plurality of the conductive microstructures may be provided.

(11)上記態様において、複数の導電性微小構造体が同じプラズモン共鳴波長を示すものからなってもよい。 (11) In the above aspect, the plurality of conductive microstructures may be ones exhibiting the same plasmon resonance wavelength.

(12)上記態様において、複数の導電性微小構造体に異なるプラズモン共鳴波長を示すものが含まれていてもよい。 (12) In the above aspect, the plurality of conductive microstructures may include ones exhibiting different plasmon resonance wavelengths.

(13)上記態様において、前記複数の導電性微小構造体がランダムに配置されていてもよい。 (13) In the above aspect, the plurality of conductive microstructures may be randomly arranged.

(14)上記態様において、前記複数の導電性微小構造体が規則的に配置されていてもよい。 (14) In the above aspect, the plurality of conductive microstructures may be regularly arranged.

(15)上記態様において、前記導電性微小構造体が異方的形状を有してもよい。 (15) In the above aspect, the conductive microstructure may have an anisotropic shape.

本発明のスイッチング素子によれば、メタマテリアル完全吸収構造に生成する局所熱を利用するスイッチング素子を提供できる。
本発明の熱電変換素子によれば、メタマテリアル完全吸収構造に生成する局所熱を利用する熱電変換素子を提供できる。
According to the switching element of the present invention, it is possible to provide a switching element that utilizes local heat generated in the metamaterial complete absorption structure.
According to the thermoelectric conversion element of the present invention, it is possible to provide a thermoelectric conversion element that uses local heat generated in the metamaterial complete absorption structure.

本発明の一実施形態にかかるスイッチング素子を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the switching element concerning one Embodiment of this invention. 二酸化バナジウム(VO)の温度に対する電気抵抗率の変化特性を示すグラフである。It is a graph showing a change characteristic of the electrical resistivity with respect to temperature of the vanadium dioxide (VO 2). 本発明のスイッチング素子の駆動方法を説明するための図であり、(a)は、スイッチング素子の断面模式図であり、(b)は、光のオン/オフ制御により電流のオン/オフを制御することを示す駆動のタイミングチャートである。It is a figure for demonstrating the drive method of the switching element of this invention, (a) is a cross-sectional schematic diagram of a switching element, (b) controls on / off of an electric current by light on / off control. It is a drive timing chart which shows doing. 導電性微小構造体の形状を例示する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates the shape of an electroconductive microstructure. (a)は、基板上に金属平板電極、VO薄膜、金属ナノ構造体を順に形成した構成であり、基板のメタマテリアル完全吸収構造を形成した側から光照射を行った場合を示す断面模式図であり、(b)は、基板上に金属ナノ構造体、VO薄膜、金属平板電極を順に形成した構成であり、基板の下方から光照射を行った場合を示す断面模式図である。(A) is a metal plate electrode on the substrate, a structure formed VO 2 thin film, a metal nanostructure in order, cross-sectional view schematically showing the case of performing light irradiation from the side of forming the metamaterial complete absorption structure of the substrate FIG. 2B is a schematic cross-sectional view showing a structure in which a metal nanostructure, a VO 2 thin film, and a metal flat plate electrode are sequentially formed on a substrate, and light irradiation is performed from below the substrate. 本発明のスイッチング素子の製造方法を説明するための模式的に示した断面図であり、(a)は基板上に金属薄膜を形成する工程、(b)は金属薄膜上に熱相転移材料層を形成する工程、(c)は熱相転移材料層上に導電性微小構造体及び電極部分を形成する工程、を示すものである。It is sectional drawing shown typically for demonstrating the manufacturing method of the switching element of this invention, (a) is the process of forming a metal thin film on a board | substrate, (b) is a thermal phase change material layer on a metal thin film. (C) shows a step of forming a conductive microstructure and an electrode portion on the thermal phase transition material layer. 本発明のスイッチング素子の製造方法2によって製造できるスイッチング素子の斜視模式図である。It is a perspective schematic diagram of the switching element which can be manufactured with the manufacturing method 2 of the switching element of this invention. 本発明の一実施形態にかかるスイッチング素子の一例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically an example of the switching element concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかるスイッチング素子の他の例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the other example of the switching element concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかるスイッチング素子の他の例を模式的に示した断面図であり、(a)は、複数の帯状の導電性微小構造体が不規則な間隔で配置する例であり、(b)は、複数のドット状の導電性微小構造体が不規則な間隔で配置する例である。It is sectional drawing which showed typically the other example of the switching element concerning one Embodiment of this invention, (a) is an example which arrange | positions several strip | belt-shaped electroconductive microstructures at irregular intervals. (B) is an example in which a plurality of dot-like conductive microstructures are arranged at irregular intervals. VO薄膜の電気抵抗率の測定する際に用いた構成を示す斜視模式図である。It is a perspective schematic view showing a configuration used in measuring the electrical resistivity of the VO 2 thin film. 短軸方向に偏光した単色光を照射してVO薄膜の電気抵抗率を測定した結果を示すグラフである。Is a graph showing the results of measuring the electrical resistivity of the VO 2 thin film is irradiated with monochromatic light polarized in the short axis direction. 銀ナノロッドの短軸方向及び長軸方向に偏光した650nmの単色光の照射下で、温度を昇降してVO薄膜の電気抵抗率を測定した結果を示すグラフである。Under irradiation with monochromatic light of 650nm polarized in the short axis direction and the major axis of the silver nanorod is a graph showing the results of measuring the electrical resistivity of the VO 2 thin film by elevating the temperature. 2次元電磁界計算を実施した、金属平板電極/VO薄膜/金属ナノ構造体電極構造のモデル図である。2D electromagnetic field calculation was performed, a model view of a metal plate electrode / VO 2 thin film / metal nanostructure electrode structure. 図11Aで示したモデル図において周期を100nm〜300nmでふった際の吸収スペクトルを示すグラフである。FIG. 11B is a graph showing an absorption spectrum when the period is 100 nm to 300 nm in the model diagram shown in FIG. 11A. 図11Aで示したモデル図において波長1.7マイクロメートル付近の吸収ピークの電場分布図である。FIG. 11B is an electric field distribution diagram of an absorption peak near a wavelength of 1.7 micrometers in the model diagram shown in FIG. 本発明の一実施形態にかかる熱電変換素子200を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the thermoelectric conversion element 200 concerning one Embodiment of this invention. メタマテリアル完全吸収構造を一端に有する本発明の熱電変換素子の概念図である。It is a conceptual diagram of the thermoelectric conversion element of this invention which has a metamaterial perfect absorption structure in one end. 本発明の一実施形態にかかる熱電変換素子の複数の導電性微小構造体の配置(配列)例を示したものである。The example of arrangement | positioning (arrangement | positioning) of the some electroconductive microstructure of the thermoelectric conversion element concerning one Embodiment of this invention is shown. (a)は、基板上に金属平板電極、熱電変換膜、金属ナノ構造体を順に形成した構成であり、基板のメタマテリアル完全吸収構造を形成した側から光照射を行った場合を示す断面模式図であり、(b)は、基板上に金属ナノ構造体、熱電変換膜、金属平板電極を順に形成した構成であり、基板の下方から光照射を行った場合を示す断面模式図である。(A) is the structure which formed the metal plate electrode, the thermoelectric conversion film, and the metal nanostructure in order on the board | substrate, and is a cross-sectional schematic which shows the case where light irradiation is performed from the side which formed the metamaterial perfect absorption structure of the board | substrate. It is a figure, (b) is a structure which formed the metal nanostructure, the thermoelectric conversion film, and the metal flat plate electrode in order on the board | substrate, and is a cross-sectional schematic diagram which shows the case where light irradiation is performed from the downward direction of a board | substrate. 本発明の一実施形態にかかる熱電変換素子の利用方法を概念的に示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows notionally the utilization method of the thermoelectric conversion element concerning one Embodiment of this invention.

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。   Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with appropriate reference to the drawings. In the drawings used in the following description, in order to make the characteristics of the present invention easier to understand, there are cases where the characteristic parts are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are different from actual ones. is there. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited to these, and can be implemented with appropriate modifications within the scope of the effects of the present invention.

(スイッチング素子)
図1は、本発明の一実施形態にかかるスイッチング素子100を模式的に示した断面図である。
スイッチング素子100は、導電性微小構造体1と、金属薄膜2と、それらに挟まれた熱相転移材料層3とからなるメタマテリアル完全吸収構造10を備えている。
導電性微小構造体1及び金属薄膜2は、電極として用いることもできる。
(Switching element)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a switching element 100 according to an embodiment of the present invention.
The switching element 100 includes a metamaterial complete absorption structure 10 including a conductive microstructure 1, a metal thin film 2, and a thermal phase transition material layer 3 sandwiched between them.
The conductive microstructure 1 and the metal thin film 2 can also be used as electrodes.

本明細書において、完全吸収とは、80%以上の光吸収特性を有することをいうものとする。メタマテリアル完全吸収構造とは、入射光を80%以上の光を閉じ込めることができるものである。   In this specification, complete absorption means having light absorption characteristics of 80% or more. The metamaterial complete absorption structure is capable of confining 80% or more of incident light.

<熱相転移材料層>
熱相転移材料層3を構成する材料としては、熱によって電気抵抗率が著しく変化する材料(高抵抗及び低抵抗をとる材料)であれば用いることができる。例えば、二酸化バナジウム(VO)、3酸化2バナジウム(V)、1酸化バナジウム(VO)、ゲルマニウムアンチモンテルル(GeSbTe)などを例示できる。
<Thermal phase transition material layer>
As the material constituting the thermal phase transition material layer 3, any material can be used as long as its electrical resistivity changes significantly by heat (a material having high resistance and low resistance). For example, vanadium dioxide (VO 2 ), trivanadium oxide (V 2 O 3 ), vanadium monoxide (VO), germanium antimony tellurium (GeSbTe) and the like can be exemplified.

熱相転移材料層3の膜厚としては、特に限定するものではないが、目安を例示すると、数nm以上、数100nm以下であり、好ましくは10nm以上、100nm以下である。   The thickness of the thermal phase transition material layer 3 is not particularly limited, but a guideline is exemplified by several nm or more and several hundred nm or less, preferably 10 nm or more and 100 nm or less.

図2は、二酸化バナジウム(VO)の温度に対する電気抵抗率の変化特性を示すグラフである。
図2に示されている通り、室温下では高抵抗な誘電体相を、また、相転移温度(68℃近傍)以上では低抵抗な金属相を示す。すなわち、相転移温度前後において、金属−絶縁体(誘電体)相転移をしている。誘電体相と金属相の電気抵抗率差は例えば、3〜4桁であるため、二酸化バナジウム薄膜の誘電体相と金属相を相転移によってスイッチすれば、電流のオン/オフ制御が可能になる。
FIG. 2 is a graph showing a change characteristic of electric resistivity with respect to temperature of vanadium dioxide (VO 2 ).
As shown in FIG. 2, a high-resistance dielectric phase is shown at room temperature, and a low-resistance metal phase is shown above the phase transition temperature (around 68 ° C.). That is, a metal-insulator (dielectric) phase transition occurs around the phase transition temperature. Since the electrical resistivity difference between the dielectric phase and the metal phase is, for example, 3 to 4 digits, the current on / off control can be performed by switching the dielectric phase and the metal phase of the vanadium dioxide thin film by phase transition. .

メタマテリアル完全吸収構造に光が照射されれば、メタマテリアル完全吸収構造は光を閉じ込め、高い熱を熱相転移材料層中に生成することが可能になる。この局所熱によって、熱相転移材料が相転移すれば、熱相転移材料層の電気抵抗率は低下し、導電性微小構造体1と金属薄膜2との間に電流が流れる。光照射を止めれば、メタマテリアル完全吸収構造内の熱は低下して熱相転移材料は高抵抗な誘電体相に戻るため、電流が流れなくなる。
このため、図3に示すように、光のオン/オフ制御により、導電性微小構造体電極1および金属平板電極2間に流れる電流のオン/オフが可能な光スイッチングデバイスとして機能する。
If the metamaterial complete absorption structure is irradiated with light, the metamaterial complete absorption structure can confine light and generate high heat in the thermal phase change material layer. If the thermal phase transition material undergoes phase transition due to this local heat, the electrical resistivity of the thermal phase transition material layer decreases, and a current flows between the conductive microstructure 1 and the metal thin film 2. If the light irradiation is stopped, the heat in the metamaterial complete absorption structure decreases and the thermal phase transition material returns to the high-resistance dielectric phase, so that no current flows.
For this reason, as shown in FIG. 3, it functions as an optical switching device capable of turning on / off the current flowing between the conductive microstructure electrode 1 and the metal plate electrode 2 by light on / off control.

より詳細には、メタマテリアル完全吸収構造に挟まれた熱相転移材料層における相転移は、以下の2つのプロセスによって進行すると考えられる。
(1)メタマテリアル完全吸収構造の誘電体層に閉じ込められる局所熱による相転移
メタマテリアル完全吸収構造は、特にQ値の高いプラズモン4重極子モードを励起する。4重極子モードは狭帯域で寿命が長く、局所熱の元となる熱電子の発生効率が高いことで知られる。熱電子は緩和機構を経て局所熱となるため、その局所熱が熱相転移材料層に与えられ、熱相転移材料の相転移が進行する。
(2)メタマテリアル完全吸収構造中で発生する熱電子の注入による相転移
メタマテリアル完全吸収構造は熱電子の発生効率が高いことで知られる。金ナノ構造体と二酸化バナジウムが接触すると、金属ナノ構造体から二酸化バナジウム薄膜の伝導帯へ熱電子が注入され、二酸化バナジウムの相転移が誘起されると知られている(非特許文献3参照)。熱電子注入によって二酸化バナジウムの相転移が生じる時間はピコ秒台と報告されている。仮にメタマテリアル完全吸収構造による二酸化バナジウム相転移において、熱電子注入による相転移が主要なプロセスである場合、本発明の光スイッチング素子はピコ秒オーダーで電流のスイッチができる高速スイッチング素子となる。
More specifically, the phase transition in the thermal phase transition material layer sandwiched between the metamaterial complete absorption structures is considered to proceed by the following two processes.
(1) Phase transition due to local heat confined in the dielectric layer of the metamaterial complete absorption structure The metamaterial complete absorption structure excites a plasmon quadrupole mode having a particularly high Q value. The quadrupole mode is known to have a long life in a narrow band and high generation efficiency of thermoelectrons that are the source of local heat. Since the thermoelectrons become local heat through a relaxation mechanism, the local heat is given to the thermal phase transition material layer, and the phase transition of the thermal phase transition material proceeds.
(2) Phase transition by injection of thermoelectrons generated in metamaterial complete absorption structure Metamaterial complete absorption structure is known for its high generation efficiency of thermoelectrons. It is known that when a gold nanostructure and vanadium dioxide come into contact, thermoelectrons are injected from the metal nanostructure into the conduction band of the vanadium dioxide thin film, and a phase transition of vanadium dioxide is induced (see Non-Patent Document 3). . The time when the phase transition of vanadium dioxide occurs by thermionic injection is reported to be in the picosecond range. If the phase transition by thermionic injection is the main process in the vanadium dioxide phase transition by the metamaterial complete absorption structure, the optical switching element of the present invention is a high-speed switching element capable of switching current in picosecond order.

<金属薄膜>
金属薄膜2の材料としては、特に限定するものではないが、金・銀・銅・白金・アルミニウムなどの金属を挙げることができる。
金属薄膜2を電極としても用いる場合には、金属平板電極ということがある。
<Metal thin film>
Although it does not specifically limit as a material of the metal thin film 2, Metals, such as gold | metal | money, silver, copper, platinum, aluminum, can be mentioned.
When the metal thin film 2 is also used as an electrode, it may be referred to as a metal flat plate electrode.

金属薄膜2はその表面は平坦な膜あるいは平板であることが好ましいが、メタマテリアル完全吸収構造を形成できれば、それに限定されない。   The metal thin film 2 is preferably a flat film or a flat surface, but is not limited thereto as long as a metamaterial complete absorption structure can be formed.

金属薄膜2の膜厚としては、特に限定するものではないが、目安を例示すると、数nm〜数100nmである。   Although it does not specifically limit as a film thickness of the metal thin film 2, If a standard is illustrated, it will be several nm-several hundred nm.

<導電性微小構造体>
導電性微小構造体1の材料と用いることができる材料として公知のプラズモン共鳴を示す材料を用いることができる。
具体的に例示すれば、金・銀・銅・白金・アルミニウムなどの金属や、酸化インジウム錫などの金属酸化物が挙げられる。
<Conductive microstructure>
As a material that can be used as the material of the conductive microstructure 1, a known material that exhibits plasmon resonance can be used.
Specific examples include metals such as gold, silver, copper, platinum, and aluminum, and metal oxides such as indium tin oxide.

また、導電性微小構造体1の構造と用いることができる構造としては、金属薄膜2と対面する面が平行になっている形状を有するものであることを要する。さらに、プラズモン共鳴を示す構造である必要がある。
具体的に例示すれば、図4にその一部を示すように、球、円板、楕円柱、楕円版直方体、立方体、パッチ(薄板)、円柱、中空シリンダー、ボウタイ(蝶ネクタイ)型、二量体・三量体・四量体・五量体等のn量体、星形、グレーティング、微小穴がランダムまたは規則的に配列した金属薄膜、などが挙げられる。形状に異方性を有するもの例えば、直方体などは、偏光応答性を有する。
これらの形状にする方法としては公知の方法を用いることができ、例えば、電子線描画法、光露光法、真空蒸着法、スパッタ法、合成法、自己集積化法などを用いることができる。
In addition, the structure that can be used as the structure of the conductive microstructure 1 is required to have a shape in which the surface facing the metal thin film 2 is parallel. Furthermore, the structure needs to exhibit plasmon resonance.
Specifically, as shown in part in FIG. 4, a sphere, a disk, an elliptical cylinder, an elliptical rectangular parallelepiped, a cube, a patch (thin plate), a cylinder, a hollow cylinder, a bowtie (bow tie) type, two Examples thereof include n-mers such as a monomer, trimer, tetramer, and pentamer, a star, a grating, and a metal thin film in which minute holes are randomly or regularly arranged. A material having anisotropy in shape, for example, a rectangular parallelepiped has polarization response.
A known method can be used as a method for forming these shapes, and for example, an electron beam drawing method, a light exposure method, a vacuum deposition method, a sputtering method, a synthesis method, a self-integration method, and the like can be used.

図1に示すスイッチング素子100では、導電性微小構造体は一つ備えられているが、複数備えても構わない。
本明細書において、特に記載しない限り、「導電性微小構造体」は、単体(1つ)の導電性微小構造体の場合も、複数の導電性微小構造体(この場合、「導電性微小構造体群」ということがある)の場合の両方を意味する。また、図1において、導電性微小構造体を複数備えた構成を図示しているが、一例として示しているだけであり、本実施形態には、導電性微小構造体が一つのものも含む。同様に、以下の図においても、導電性微小構造体が複数示されている場合でも、実施形態には導電性微小構造体が一つのものも含み、同様に、導電性微小構造体が一つだけ示されている場合でも、実施形態には導電性微小構造体が複数のものも含む。
In the switching element 100 shown in FIG. 1, one conductive microstructure is provided, but a plurality of conductive microstructures may be provided.
In this specification, unless otherwise specified, the “conductive microstructure” includes a single conductive microstructure as well as a plurality of conductive microstructures (in this case, “conductive microstructures”). In the case of “group of bodies”). In addition, in FIG. 1, a configuration including a plurality of conductive microstructures is illustrated, but is illustrated only as an example, and the present embodiment includes one conductive microstructure. Similarly, in the following drawings, even when a plurality of conductive microstructures are shown, the embodiment includes one conductive microstructure, and similarly, there is one conductive microstructure. Even if only shown, embodiments include a plurality of conductive microstructures.

メタマテリアル完全吸収構造10がプラズモン共鳴を用いたメタマテリアル完全吸収構造であるため、プラズモン共鳴波長は、導電性微小構造体の種類、サイズ、形状、数、密度などの態様によって決まる。従って、導電性微小構造体の態様を適切に制御することによって、スイッチング素子が駆動する波長域などの特性を制御することができる。例えば、可視光、遠赤外光など任意のプラズモン共鳴波長の導電性微小構造体を形成できる。   Since the metamaterial complete absorption structure 10 is a metamaterial complete absorption structure using plasmon resonance, the plasmon resonance wavelength is determined by the type, size, shape, number, density, and the like of the conductive microstructure. Therefore, by appropriately controlling the mode of the conductive microstructure, it is possible to control characteristics such as a wavelength region that is driven by the switching element. For example, a conductive microstructure having an arbitrary plasmon resonance wavelength such as visible light or far infrared light can be formed.

本発明のスイッチング素子において、同じプラズモン共鳴波長を示す導電性微小構造体を複数備えた構成とすることにより、生成される局所熱が大きくなる。例えば、単体(1つ)の導電性微小構造体によって発生する局所熱によってはスイッチング素子の駆動ができない構成の場合には、駆動させるのに十分な局所熱を発生するように、複数の同じプラズモン共鳴波長を示す導電性微小構造体を備えてもよい。複数の同じプラズモン共鳴波長を示す導電性微小構造体を備えた構成をとることによって、狭帯応答性を向上させることができる。   In the switching element of the present invention, local heat generated is increased by providing a plurality of conductive microstructures having the same plasmon resonance wavelength. For example, in the case where the switching element cannot be driven by local heat generated by a single conductive microstructure, a plurality of the same plasmons are generated so as to generate sufficient local heat to drive the switching element. A conductive microstructure exhibiting a resonance wavelength may be provided. By adopting a configuration including a plurality of conductive microstructures having the same plasmon resonance wavelength, the narrow band response can be improved.

本発明のスイッチング素子において、複数の導電性微小構造体(導電性微小構造体群)を備えた構成において、異なるプラズモン共鳴波長を示す導電性微小構造体を含む構成としてもよい。
この構成では、異なるプラズモン共鳴波長が比較的近い波長の場合には、広帯域応答性が向上する。また、近くない所望波長の光を吸収するような、異なるプラズモン共鳴波長を示す導電性微小構造体群を備える構成とすることによって、特定の複数の波長の光に応答するスイッチング素子としてもよい。
異なるプラズモン共鳴波長を示す導電性微小構造体の選択によって、プラズモン共鳴波長スペクトルを任意に設計したスイッチング素子とすることができる。
In the switching element of the present invention, the configuration including a plurality of conductive microstructures (conductive microstructure groups) may include a configuration including conductive microstructures exhibiting different plasmon resonance wavelengths.
In this configuration, wideband response is improved when different plasmon resonance wavelengths are relatively close. Alternatively, a switching element that responds to light having a plurality of specific wavelengths may be provided by including a group of conductive microstructures having different plasmon resonance wavelengths that absorb light having a desired wavelength that is not near.
By selecting a conductive microstructure exhibiting a different plasmon resonance wavelength, a switching element having an arbitrarily designed plasmon resonance wavelength spectrum can be obtained.

本発明のスイッチング素子において、導電性微小構造体が異方的形状を有するものを用いてもよい。
例えば、直方体形状の導電性微小構造体は所定の縦横比(アスペクト比)を有する形状である。直方体形状の導電性微小構造体は、短軸と長軸に由来する二つの異なるプラズモン共鳴波長を有する。すなわち、それぞれの軸方向の自由電子振動に由来する共鳴モードを有する。直方体形状の導電性微小構造体を備えたスイッチング素子では、偏光方向が短軸又は長軸のいずれかに一致する光を吸収するので偏光応答性を有するものとなる。
また、複数の同じ異方的形状の導電性微小構造体を所定の複数の配向方向に並べてパターンとしてもよい。
In the switching element of the present invention, a conductive microstructure having an anisotropic shape may be used.
For example, a rectangular parallelepiped conductive microstructure has a shape having a predetermined aspect ratio. The rectangular parallelepiped conductive microstructure has two different plasmon resonance wavelengths derived from the short axis and the long axis. That is, it has a resonance mode derived from free electron vibration in each axial direction. A switching element having a rectangular parallelepiped conductive microstructure absorbs light whose polarization direction coincides with either the short axis or the long axis, and thus has polarization response.
Also, a plurality of conductive microstructures having the same anisotropic shape may be arranged in a predetermined plurality of orientation directions to form a pattern.

本発明のスイッチング素子において、複数の導電性微小構造体をランダムに配置してもよい。ランダム配置の導電性微小構造体群は容易に形成することができる。
「ランダムに配置」とは、後述する「規則的に配置」以外の配置を意味している。ランダムに配置する方法としては、例えば、有機熱電材料溶液に複数の導電性微小構造体を混ぜ合わせ、スピンコート法によって熱電変換材料を成膜する方法や、無機熱電材料をスパッタ・蒸着などで成膜する際に、導電性微小構造体の材料を同時スパッタ・蒸着して熱電変換膜内に導電性微小構造体を閉じ込めて熱電変換材料を成膜する方法が挙げられる。
In the switching element of the present invention, a plurality of conductive microstructures may be randomly arranged. Randomly arranged conductive microstructures can be easily formed.
“Randomly arranged” means an arrangement other than “regularly arranged” described later. Examples of the random arrangement method include a method in which a plurality of conductive microstructures are mixed in an organic thermoelectric material solution and a thermoelectric conversion material is formed by spin coating, or an inorganic thermoelectric material is formed by sputtering or vapor deposition. A method of forming a thermoelectric conversion material by confining the conductive microstructure in the thermoelectric conversion film by simultaneously sputtering and vapor-depositing the material of the conductive microstructure when forming the film is mentioned.

本発明のスイッチング素子において、複数の導電性微小構造体を規則的に配置してもよい。規則的に配置する方法としては例えば、フォトリソグラフィによる、規則的な配置のパターニングが挙げられる。規則的配置の導電性微小構造体群は、その規則性(例えば、周期性)ならではの応答特性を有する。   In the switching element of the present invention, a plurality of conductive microstructures may be regularly arranged. Examples of the regular arrangement method include regular arrangement patterning by photolithography. The regularly arranged conductive microstructures have response characteristics unique to their regularity (for example, periodicity).

導電性微小構造体のサイズについて、目安を例示するために直方体形状を例にとると、長さとしては1〜10000nm、幅としては1〜10000nm、高さとしては1〜10000nmとすることができる。
導電性微小構造体がナノメートルスケールのものである場合には、導電性ナノ構造体という場合がある。また、材料を金属として、ナノメートルのサイズをものとした場合には特に、金属ナノ構造体という場合がある。
Taking a rectangular parallelepiped shape as an example of the size of the conductive microstructure, the length may be 1 to 10,000 nm, the width may be 1 to 10,000 nm, and the height may be 1 to 10,000 nm. .
When the conductive microstructure is of a nanometer scale, it may be referred to as a conductive nanostructure. In addition, when a material is a metal and a nanometer size is used, it may be a metal nanostructure.

本発明のスイッチング素子において、複数の導電性微小構造体を備えた構成では、二個づつ、三個づつ、四個づつ等、n個づつが近接して相互作用を有する二量体、三量体、四量体等、n量体で構成された導電性微小構造体群とすることができる。
n量体では、熱がたまりやすいので、発生した局所熱を効率的に活用できる。
例えば、可視光のプラズモン共鳴吸収を利用する場合、相互作用する隣接の導電性微小構造体間の距離は、0nm超え、40nm以下にすることが好ましく、10nm以下にすることがより好ましい。また、赤外光のプラズモン共鳴吸収を利用する場合、相互作用する隣接の導電性微小構造体間の距離は、1nm以上、40nm以下にすることが好ましく、1nm以上、20nm以下にすることがより好ましい。
In the switching element according to the present invention, in a configuration including a plurality of conductive microstructures, two dimers, three trids, four deciphers, etc., each having n elements in close proximity to each other, a trimer It can be set as a conductive microstructure group composed of n-mers such as a body and a tetramer.
In the n-mer, heat tends to accumulate, so that the generated local heat can be used efficiently.
For example, when using plasmon resonance absorption of visible light, the distance between adjacent conductive microstructures that interact is preferably greater than 0 nm and less than or equal to 40 nm, and more preferably less than or equal to 10 nm. In the case of using plasmon resonance absorption of infrared light, the distance between adjacent conductive microstructures that interact with each other is preferably 1 nm or more and 40 nm or less, and more preferably 1 nm or more and 20 nm or less. preferable.

<基板>
本発明のスイッチング素子では基板は必須ではないが、本発明のスイッチング素子を基板上に作製する場合、その基板としては例えば、ソーダライムガラスなどを用いることができる。
用途に応じて基板を選択できるが、全体としてフレキシブル(柔軟な)ものにしたい場合には、フレキシブルな基板として例えば、ポリエチレンテレフタレート、シクロオレフィンポリマーなどを用いることができる。逆に全体として剛性なものにしたい場合には例えば、サファイア基板、石英基板、シリコン基板などを用いることができる。
<Board>
In the switching element of the present invention, a substrate is not essential, but when the switching element of the present invention is fabricated on a substrate, for example, soda lime glass can be used as the substrate.
Although a substrate can be selected according to the application, when it is desired to make the substrate flexible as a whole, for example, polyethylene terephthalate, cycloolefin polymer, or the like can be used as the flexible substrate. On the contrary, when it is desired to make the substrate rigid as a whole, for example, a sapphire substrate, a quartz substrate, a silicon substrate, or the like can be used.

メタマテリアル完全吸収構造を備えた本発明の光スイッチング素子では、その応答波長域、偏光依存性は、導電性微小構造体の材料(例えば、金属ナノ構造体を構成する金属種(金、銀、銅、白金、およびアルミニウムなど、プラズモンを誘起する金属))並びに、そのサイズ及び形状によって任意に制御出来る。そのため、駆動波長は幅広い波長(例えば、紫外域から赤外域まで)から選択することができる。   In the optical switching element of the present invention having a metamaterial complete absorption structure, the response wavelength region and the polarization dependency are determined depending on the material of the conductive microstructure (for example, the metal species constituting the metal nanostructure (gold, silver, The metal that induces plasmon, such as copper, platinum, and aluminum))) and its size and shape can be arbitrarily controlled. Therefore, the driving wavelength can be selected from a wide range of wavelengths (for example, from the ultraviolet region to the infrared region).

プラズモン4重極子モードを誘起するメタマテリアル完全吸収構造は、熱電子生成効率が金属ナノ粒子など単純なプラズモニック構造よりもはるかに高いことが知られている。熱電子生成効率が高いということは、熱電子緩和で生じる局所熱の発生量も大きいことを意味する。そのため、1kW/cm程度を必要とするレーザー光誘起相転移と比較し、メタマテリアル完全吸収構造を利用する本発明の光スイッチング素子では、2,3桁低い微弱光での熱相転移材料(例えば、VO)のスイッチングを可能にする。 It is known that the metamaterial perfect absorption structure that induces the plasmon quadrupole mode has a much higher thermoelectron generation efficiency than simple plasmonic structures such as metal nanoparticles. High thermoelectron generation efficiency means that the amount of local heat generated by thermal electron relaxation is also large. Therefore, compared with the laser light-induced phase transition that requires about 1 kW / cm 2, the optical switching element of the present invention using the metamaterial complete absorption structure is a thermal phase transition material with weak light that is a few orders of magnitude lower ( For example, switching of VO 2 ) is enabled.

図5に、基板上に、本発明のメタマテリアル完全吸収構造の一例として金属ナノ構造体−VO薄膜−金属平板電極の構造を配設した構成を示す。
図5(a)は、基板上に金属平板電極、VO薄膜、金属ナノ構造体を順に形成した構成であり、基板のメタマテリアル完全吸収構造を形成した側から光照射を行った場合を示す断面模式図であり、図5(b)は、基板上に金属ナノ構造体、VO薄膜、金属平板電極を順に形成した構成であり、基板の下方から光照射を行った場合を示す断面模式図である。図5(b)の場合は、基板としては透明性が高いものを用いることが好ましい。
金属ナノ構造体が基板上に作製され、基板下部から光照射する場合が考えられる。金属ナノ構造体が応答波長を決定するため、光照射は必ず、金属ナノ構造体側より行う。
5, on the substrate, the metamaterial metallic nanostructures -VO 2 thin film as an example of a complete absorbent structure of the present invention - showing the structure of a metal plate electrode structure is disposed.
FIG. 5A shows a configuration in which a metal plate electrode, a VO 2 thin film, and a metal nanostructure are sequentially formed on a substrate, and shows a case where light irradiation is performed from the side where the metamaterial complete absorption structure of the substrate is formed. FIG. 5B is a schematic cross-sectional view showing a configuration in which a metal nanostructure, a VO 2 thin film, and a metal flat plate electrode are sequentially formed on a substrate, and shows a case where light irradiation is performed from below the substrate. FIG. In the case of FIG. 5B, it is preferable to use a highly transparent substrate.
It is conceivable that a metal nanostructure is produced on a substrate and light is irradiated from the bottom of the substrate. Since the metal nanostructure determines the response wavelength, light irradiation is always performed from the metal nanostructure side.

メタマテリアル完全吸収構造の局所熱は、導電性微小構造体(例えば、金属ナノ構造体)と金属薄膜(例えば、金属平板電極)間で発生するため、発生場所に熱相転移材料層を挿入している点が本発明の特徴である。   Since the local heat of the metamaterial complete absorption structure is generated between the conductive microstructure (for example, metal nanostructure) and the metal thin film (for example, metal plate electrode), a thermal phase transition material layer is inserted at the generation site. This is a feature of the present invention.

導電性微小構造体(例えば、金属ナノ構造体)のサイズと形状の適切な設計により、紫外から赤外域まで、幅広い波長域から応答波長を選択できる。プラズモン4重極子モードは非常にQ値の高い狭帯域応答性を持つため、狭帯域光スイッチング素子としての利用が期待できる。原理的には、1個の金属ナノ構造体だけでも波長応答性を示すことから、ピクセルサイズがnmオーダーである高解像度のイメージセンサも実現できる。
また、本発明のスイッチング素子を光検出器に用いることもできる。
By appropriately designing the size and shape of the conductive microstructure (eg, metal nanostructure), the response wavelength can be selected from a wide wavelength range from the ultraviolet to the infrared range. Since the plasmon quadrupole mode has a narrow band response with a very high Q value, it can be expected to be used as a narrow band optical switching element. In principle, since only one metal nanostructure exhibits wavelength response, a high-resolution image sensor with a pixel size on the order of nm can be realized.
The switching element of the present invention can also be used for a photodetector.

(スイッチング素子の製造方法)
図6は、本発明の一実施形態にかかるスイッチング素子の製造方法を説明するための模式的に示した断面図である。以下に、スイッチング素子の製造方法の3つの例を説明する。
(Manufacturing method of switching element)
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically illustrating a method for manufacturing a switching element according to an embodiment of the present invention. Below, three examples of the manufacturing method of a switching element are demonstrated.

<スイッチング素子の製造方法1>
(1)基板上に金属薄膜を形成する(蒸着法・スパッタ法・電解(無電解)めっき法などの手法を用いることができる)(図6(a))。
(2)次に、金属薄膜上に熱相転移材料層を形成する(スパッタ法・蒸着法・化学的合成法などの手法を用いることができる)(図6(b))。
(3)次に、導電性微小構造体および電流を取り出すための電極部分を形成する(微細加工には、光リソグラフィー法・電子線リソグラフィー法などの手法を用いることができる。金属形成には、蒸着法・スパッタ法・電解(無電解)めっき法などの手法を用いることができる)(図6(c))。
<Manufacturing method 1 of a switching element>
(1) A metal thin film is formed on a substrate (a method such as a vapor deposition method, a sputtering method, or an electrolytic (electroless) plating method can be used) (FIG. 6A).
(2) Next, a thermal phase transition material layer is formed on the metal thin film (a method such as sputtering, vapor deposition, or chemical synthesis can be used) (FIG. 6B).
(3) Next, a conductive microstructure and an electrode portion for taking out current are formed. (For microfabrication, a technique such as an optical lithography method or an electron beam lithography method can be used. Methods such as vapor deposition, sputtering, and electrolysis (electroless) plating can be used) (FIG. 6C).

<スイッチング素子の製造方法2>
(1)基板上に金属薄膜を形成する(蒸着法・スパッタ法・電解(無電解)めっき法などの手法を用いることができる)(図6(a))。
(2)次に、金属薄膜上に熱相転移材料層を形成する(スパッタ法・蒸着法・化学的合成法などの手法を用いることができる)(図6(b))。
(3)次に、導電性微小構造体を形成する(微細加工には、光リソグラフィー法・電子線リソグラフィー法などの手法を用いることができる。金属形成には、蒸着法・スパッタ法・電解(無電解)めっき法などの手法を用いることができる)。
(4)電流を取り出すための透明電極を形成する(スパッタ法・蒸着法・ゾルゲル法などの化学的形成法などの手法を用いることができる)(図7参照)。
<Manufacturing method 2 of a switching element>
(1) A metal thin film is formed on a substrate (a method such as a vapor deposition method, a sputtering method, or an electrolytic (electroless) plating method can be used) (FIG. 6A).
(2) Next, a thermal phase transition material layer is formed on the metal thin film (a method such as sputtering, vapor deposition, or chemical synthesis can be used) (FIG. 6B).
(3) Next, a conductive microstructure is formed (for microfabrication, techniques such as photolithography and electron beam lithography can be used. For metal formation, vapor deposition, sputtering, electrolysis ( Techniques such as electroless plating may be used).
(4) A transparent electrode for taking out an electric current is formed (a method such as a chemical forming method such as sputtering, vapor deposition or sol-gel method can be used) (see FIG. 7).

<スイッチング素子の製造方法3>
(1)基板上に導電性微小構造体を形成する(微細加工には、光リソグラフィー法・電子線リソグラフィー法などの手法を用いることができる。金属形成には、蒸着法・スパッタ法・電解(無電解)めっき法などの手法を用いることができる)。
(2)次に、基板及び導電性微小構造体上に熱相転移材料層を形成する(スパッタ法・蒸着法・化学的合成法などの手法を用いることができる)。
(3)次に、熱相転移材料層上に金属平板電極を形成する(金属形成には、蒸着法・スパッタ法・電解(無電解)めっき法などの手法を用いることができる)。
<Manufacturing method 3 of a switching element>
(1) A conductive microstructure is formed on a substrate (for microfabrication, techniques such as photolithography and electron beam lithography can be used. For metal formation, vapor deposition, sputtering, electrolysis ( Techniques such as electroless plating may be used).
(2) Next, a thermal phase transition material layer is formed on the substrate and the conductive microstructure (a method such as sputtering, vapor deposition, or chemical synthesis can be used).
(3) Next, a metal plate electrode is formed on the thermal phase transition material layer (a method such as a vapor deposition method, a sputtering method, an electrolytic (electroless) plating method can be used for forming the metal).

図8は、本発明の一実施形態にかかるスイッチング素子の一例を模式的に示した断面図である。
図8に示すスイッチング素子110は、等間隔で離間して規則的に(より具体的には、周期的に)配置する複数の導電性微小構造体1Aaと、金属薄膜2と、それらに挟まれた熱相転移材料層3とからなるメタマテリアル完全吸収構造を備えている。
図8に示すスイッチング素子110では、複数の帯状の導電性微小構造体1Aaはそれらと連結する共通部1Abと共に導電性微小構造体電極1Aを構成している。
図8に示すスイッチング素子110では、光のオン/オフ制御により、導電性微小構造体電極1Aと金属薄膜(金属平板電極)2との間に流れる電流のオン/オフが可能な光スイッチングデバイスとして機能する。
複数の導電性微小構造体1Aaの周期は、完全吸収メタマテリアル構造の応答波長によって決定される。周期は例えば、数10nm〜数100μmである。
図8に示すスイッチング素子110は、複数の導電性微小構造体1Aaが同じ周期で配列しているため、狭帯域性を示すスイッチング素子となる。
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing an example of a switching element according to an embodiment of the present invention.
The switching element 110 shown in FIG. 8 is sandwiched between a plurality of conductive microstructures 1Aa, regularly (more specifically, periodically) spaced apart at equal intervals, and the metal thin film 2. And a metamaterial complete absorption structure comprising the thermal phase transition material layer 3.
In the switching element 110 shown in FIG. 8, a plurality of strip-like conductive microstructures 1Aa and the common portion 1Ab connected to them constitute a conductive microstructure electrode 1A.
The switching element 110 shown in FIG. 8 is an optical switching device capable of turning on / off the current flowing between the conductive microstructure electrode 1A and the metal thin film (metal plate electrode) 2 by light on / off control. Function.
The period of the plurality of conductive microstructures 1Aa is determined by the response wavelength of the fully absorbing metamaterial structure. The period is, for example, several tens of nm to several hundreds of μm.
The switching element 110 illustrated in FIG. 8 is a switching element exhibiting narrow bandwidth because the plurality of conductive microstructures 1Aa are arranged at the same period.

図9は、本発明の一実施形態にかかるスイッチング素子の他の例を模式的に示した断面図である。
図9に示すスイッチング素子120は、狭い間隔から広い間隔へと段階的に変化する間隔で離間して配置する複数の帯状の導電性微小構造体1Baと、金属薄膜2と、それらに挟まれた熱相転移材料層3とからなるメタマテリアル完全吸収構造を備えている。
図9に示すスイッチング素子120では、複数の導電性微小構造体1Baはそれらと連結する共通部1Bbと共に導電性微小構造体電極1Bを構成している。
図9に示すスイッチング素子120では、光のオン/オフ制御により、導電性微小構造体電極1Bと金属薄膜(金属平板電極)2との間に流れる電流のオン/オフが可能な光スイッチングデバイスとして機能する。
複数の導電性微小構造体1Baの各間隔は、完全吸収メタマテリアル構造の応答波長によって決定される。各間隔は例えば、数10nm〜数100μmである。
図9に示すスイッチング素子120は、複数の導電性微小構造体1Baが狭い間隔から広い間隔へと段階的に変化する間隔で離間して配列しているため、広帯域性を示すスイッチング素子となる。
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing another example of the switching element according to the embodiment of the present invention.
The switching element 120 shown in FIG. 9 is sandwiched between a plurality of strip-like conductive microstructures 1Ba arranged at intervals that change stepwise from a narrow interval to a wide interval, a metal thin film 2, and the like. A metamaterial complete absorption structure including the thermal phase transition material layer 3 is provided.
In the switching element 120 shown in FIG. 9, the plurality of conductive microstructures 1Ba constitutes a conductive microstructure electrode 1B together with the common portion 1Bb connected to them.
The switching element 120 shown in FIG. 9 is an optical switching device that can turn on / off the current flowing between the conductive microstructure electrode 1B and the metal thin film (metal plate electrode) 2 by light on / off control. Function.
Each interval between the plurality of conductive microstructures 1Ba is determined by the response wavelength of the fully absorbing metamaterial structure. Each interval is, for example, several tens of nm to several hundreds of μm.
The switching element 120 shown in FIG. 9 is a switching element having a wide bandwidth because the plurality of conductive microstructures 1Ba are arranged at intervals that change stepwise from a narrow interval to a wide interval.

図10(a)及び(b)は、本発明の一実施形態にかかるスイッチング素子の他の例を模式的に示した断面図である。   FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views schematically showing another example of the switching element according to the embodiment of the present invention.

図10(a)に示すスイッチング素子130は、不規則な(ランダムな)間隔で離間して配置する複数の帯状の導電性微小構造体1Caと、金属薄膜2と、それらに挟まれた熱相転移材料層3とからなるメタマテリアル完全吸収構造を備えている。
図10(a)に示すスイッチング素子130では、複数の導電性微小構造体1Caはそれらと連結する共通部1Cbと共に導電性微小構造体電極1Cを構成している。
図10(a)に示すスイッチング素子130では、光のオン/オフ制御により、導電性微小構造体電極1Cと金属薄膜(金属平板電極)2との間に流れる電流のオン/オフが可能な光スイッチングデバイスとして機能する。
図10(a)に示すスイッチング素子130は、複数の導電性微小構造体1Caの不規則な(ランダムな)間隔が所定の分布を有する場合には、広帯域性を示すスイッチング素子となる。
The switching element 130 shown in FIG. 10A includes a plurality of strip-like conductive microstructures 1Ca arranged at irregular (random) intervals, a metal thin film 2, and a thermal phase sandwiched between them. A metamaterial complete absorption structure including the transition material layer 3 is provided.
In the switching element 130 shown in FIG. 10A, a plurality of conductive microstructures 1Ca constitute a conductive microstructure electrode 1C together with a common portion 1Cb connected to them.
In the switching element 130 shown in FIG. 10A, light that can turn on / off the current flowing between the conductive microstructure electrode 1 </ b> C and the metal thin film (metal plate electrode) 2 by light on / off control. Functions as a switching device.
The switching element 130 shown in FIG. 10A is a switching element exhibiting broadband characteristics when the irregular (random) intervals of the plurality of conductive microstructures 1Ca have a predetermined distribution.

図10(b)に示すスイッチング素子140は、不規則な(ランダムな)間隔で離間して配置する複数のドット状の導電性微小構造体1Daと、金属薄膜2と、それらに挟まれた熱相転移材料層3とからなるメタマテリアル完全吸収構造を備えている。
図10(b)に示すスイッチング素子140では、複数の導電性微小構造体1Daはそれらを覆うように熱相転移材料層3上に配置する透明電極1Dbと共に導電性微小構造体電極1Dを構成している。
図10(b)に示すスイッチング素子140では、光のオン/オフ制御により、導電性微小構造体電極1Dと金属薄膜(金属平板電極)2との間に流れる電流のオン/オフが可能な光スイッチングデバイスとして機能する。
図10(b)に示すスイッチング素子140は、複数の導電性微小構造体1Daの不規則な(ランダムな)間隔が所定の分布を有する場合には、広帯域性を示すスイッチング素子となる。
The switching element 140 shown in FIG. 10B includes a plurality of dot-like conductive microstructures 1Da that are spaced apart at irregular (random) intervals, the metal thin film 2, and the heat sandwiched between them. A metamaterial complete absorption structure including the phase change material layer 3 is provided.
In the switching element 140 shown in FIG. 10B, the plurality of conductive microstructures 1Da constitute the conductive microstructure electrode 1D together with the transparent electrode 1Db disposed on the thermal phase transition material layer 3 so as to cover them. ing.
In the switching element 140 shown in FIG. 10B, light that can be turned on / off between the conductive microstructure electrode 1D and the metal thin film (metal plate electrode) 2 by light on / off control. Functions as a switching device.
The switching element 140 shown in FIG. 10B is a switching element exhibiting broadband characteristics when the irregular (random) intervals of the plurality of conductive microstructures 1Da have a predetermined distribution.

<VO薄膜の電気抵抗率の測定>
図11に示す通り、ガラス基板上に膜厚250nmのVO薄膜を形成し、VO薄膜上に銀ナノロッドアレイ(縦60nm×横150nm×高さ40nmの銀ナノロッドを約3600万個)を形成した。さらに、VO薄膜の両端に幅2mmの銀を100nm蒸着して、3mm離間させて銀電極を形成した。
<Measurement of electrical resistivity of VO 2 thin film>
As shown in FIG. 11, a VO 2 thin film with a thickness of 250 nm is formed on a glass substrate, and a silver nanorod array (approximately 36 million silver nanorods with a length of 60 nm × width 150 nm × height 40 nm) is formed on the VO 2 thin film. did. Furthermore, silver having a width of 2 mm was deposited on both ends of the VO 2 thin film to a thickness of 100 nm and separated by 3 mm to form silver electrodes.

次に、短軸方向に偏光した単色光を照射して、そのときのVO薄膜の電気抵抗率を測定した。その結果を図9に示す。
図12のグラフにおいて、横軸は波長(nm)、左側縦軸は銀ナノロッドアレイの透過率、右側縦軸は電気抵抗率(Ωcm)である。
電気抵抗率は、光強度が10mW/cmの単色光をふって、各単色光(図9中の黒丸印)ごとに光照射してVO薄膜に流れた電流を測定して得られたものである。
Next, the monochromatic light polarized in the minor axis direction was irradiated, and the electrical resistivity of the VO 2 thin film at that time was measured. The result is shown in FIG.
In the graph of FIG. 12, the horizontal axis represents the wavelength (nm), the left vertical axis represents the transmittance of the silver nanorod array, and the right vertical axis represents the electrical resistivity (Ωcm).
The electrical resistivity was obtained by irradiating each monochromatic light (black circle in FIG. 9) with a monochromatic light having a light intensity of 10 mW / cm 2 and measuring the current flowing through the VO 2 thin film. Is.

図12により、プラズモン共鳴波長(650nm)においてVO薄膜の電気抵抗率は低下しており、プラズモン共鳴によって銀ナノロッドアレイに生じた熱がVO薄膜に伝搬し、VO薄膜の相転移が進行してVO薄膜の電気抵抗率が低下したものである。 The Figure 12, the electrical resistivity of the VO 2 thin film in the plasmon resonance wavelength (650 nm) is decreased, the heat generated in the silver nanorod array by plasmon resonance propagates to the VO 2 thin film, progression phase transition VO 2 thin film As a result, the electrical resistivity of the VO 2 thin film is lowered.

図13は、銀ナノロッドの短軸方向及び長軸方向に偏光した650nmの単色光の照射下で、VO薄膜の温度を20℃から100℃まで上昇させ、次いで100℃から20℃まで下降させて、VO薄膜の電気抵抗率を測定した結果を示すグラフである。
図12により、650nmの単色光は銀ナノロッドの短軸方向のプラズモン共鳴波長である。従って、短軸方向に偏光した650nmの単色光の照射下はプラズモン励起を伴う場合であり、長軸方向に偏光した650nmの単色光の照射下はプラズモン励起を伴わない場合である。以下では、前者の場合をプラズモン励起偏光照射下、後者の場合をプラズモン非励起偏光照射下、ということがある。
FIG. 13 shows that the temperature of the VO 2 thin film is increased from 20 ° C. to 100 ° C. and then decreased from 100 ° C. to 20 ° C. under irradiation of monochromatic light of 650 nm polarized in the short axis direction and the long axis direction of the silver nanorods. Te is a graph showing the results of measuring the electrical resistivity of the VO 2 thin film.
According to FIG. 12, 650 nm monochromatic light has a plasmon resonance wavelength in the minor axis direction of the silver nanorods. Therefore, irradiation with 650 nm monochromatic light polarized in the minor axis direction is accompanied by plasmon excitation, and irradiation with 650 nm monochromatic light polarized in the major axis direction is not accompanied by plasmon excitation. Hereinafter, the former case may be referred to as plasmon-excited polarized light irradiation, and the latter case may be referred to as plasmon non-excited polarized light irradiation.

プラズモン励起偏光照射下の測定とプラズモン非励起偏光照射下の測定とを比較すると、VO薄膜の温度が68℃において、プラズモン励起偏光照射下の場合はプラズモン非励起偏光照射下の場合よりも0.05[Ωcm]のVO薄膜の電気抵抗率が低下した。0.05[Ωcm]は0.7℃に相当する。これは、プラズモン共鳴によって銀ナノロッド上に生じた熱がVO薄膜に伝搬し、VO薄膜の相転移が進行した結果である。
照射した単色光の光強度は10mW/cmである。プラズモン共鳴時に生じる熱は照射光強度に応じて線形的に増加することから、100mW/cmの光強度の単色光を照射すれば銀ナノロッドは7℃相当の熱を生じ、VO薄膜の電気抵抗率は10[Ωcm]から10−3[Ωcm]台まで低下して、3桁の電気抵抗率変化が得られると予測できる。
Comparing the measurement under plasmon excitation polarized light irradiation and the measurement under plasmon unpolarized polarized light irradiation, the temperature of the VO 2 thin film is 68 ° C., and it is 0 in the case of plasmon excited polarized light irradiation than in the case of plasmon unpolarized polarized light irradiation. The electrical resistivity of the VO 2 thin film of 0.05 [Ωcm] was lowered. 0.05 [Ωcm] corresponds to 0.7 ° C. This heat generated on the silver nanorods by plasmon resonance propagates to the VO 2 thin film, the results of phase transition of the VO 2 thin film is progressed.
The intensity of the irradiated monochromatic light is 10 mW / cm 2 . Since heat generated during plasmon resonance increases linearly according to the intensity of irradiated light, silver nanorods generate heat corresponding to 7 ° C. when irradiated with monochromatic light having a light intensity of 100 mW / cm 2 , and the electrical properties of the VO 2 thin film It can be predicted that the resistivity decreases from the 10 [Ωcm] to the 10 −3 [Ωcm] level and a three-digit electrical resistivity change is obtained.

単にフェムト秒レーザー光を照射するだけでVOをスイッチングした非特許文献2の場合、最低140GW/cm程度の光強度が必要であったが、完全吸収メタマテリアル構造としたVOスイッチングの場合、10mW/cm以下の光強度でもスイッチングできるものと考えられる。 In the case of Non-Patent Document 2 in which VO 2 is switched by simply irradiating femtosecond laser light, a light intensity of at least about 140 GW / cm 2 is required, but in the case of VO 2 switching with a fully absorbing metamaterial structure It is considered that switching is possible even with a light intensity of 10 mW / cm 2 or less.

<完全吸収メタマテリアル構造が生成する熱の見込み>
(1)図14Aに示す金属平板電極/VO薄膜/金属ナノ構造体電極構造の2次元電磁界計算を実施した。
その結果、吸収率が80%以上の完全吸収特性が確認された(図14B)。図14B中の「Pitch」は、図14Aに示した「Pitch」であり、同じ構造の繰り返しの周期(ピッチ)を示すものである。図14Bにおいて、横軸は波長であり、縦軸は入射光を1としたときの光の吸収率である。
特に1.7マイクロメートル付近の吸収ピークの電場分布計算をおこなったところ(図14C)、完全吸収特性に由来する電場分布が確認され、80%以上の高い吸収特性は完全吸収構造によってもたらされていることが計算で確認できた。
<Expectation of heat generated by fully absorbing metamaterial structure>
(1) The two-dimensional electromagnetic field calculation of the metal plate electrode / VO 2 thin film / metal nanostructure electrode structure shown in FIG. 14A was performed.
As a result, a complete absorption characteristic having an absorption rate of 80% or more was confirmed (FIG. 14B). “Pitch” in FIG. 14B is “Pitch” shown in FIG. 14A, and indicates the repetition period (pitch) of the same structure. In FIG. 14B, the horizontal axis represents the wavelength, and the vertical axis represents the light absorption rate when the incident light is 1.
In particular, when the electric field distribution of the absorption peak near 1.7 micrometers was calculated (FIG. 14C), the electric field distribution derived from the complete absorption characteristics was confirmed, and high absorption characteristics of 80% or more were brought about by the complete absorption structure. It was confirmed by calculation.

(2)完全吸収メタマテリアル構造が発生する熱量の推測
プラズモン共鳴によって生成する熱は、主に以下の式で計算出来る(非特許文献4参照)。
(2) Estimation of the amount of heat generated by the fully absorbing metamaterial structure The heat generated by plasmon resonance can be calculated mainly by the following equation (see Non-Patent Document 4).

完全吸収構造の場合、構造因子(Req, β)を求めるのが困難なため、発熱量の実計算が難しい。実験的に得た知見および関連研究の報告から、完全吸収メタマテリアル構造が発生する熱を予測した。
図13に示した通り、単純な銀ナノロッドに10mW/cmの光を照射した場合でも、1℃程度の発熱が実験的に観測された。
完全吸収メタマテリアル構造の吸収率・吸収断面積は銀ナノロッドよりも10倍以上高くなる結果が計算から得られているため、10mW/cmの共鳴光を照射した場合、完全吸収メタマテリアル構造の発熱度は少なくとも10℃以上と推測される(非特許文献5参照)。
For fully absorbing structures, the structure factor (R eq , Since it is difficult to obtain β), it is difficult to calculate the actual calorific value. The heat generated by the fully absorbing metamaterial structure was predicted from experimental findings and related research reports.
As shown in FIG. 13, even when simple silver nanorods were irradiated with light of 10 mW / cm 2 , heat generation of about 1 ° C. was experimentally observed.
Since the absorption rate / absorption cross-sectional area of the fully absorbing metamaterial structure is 10 times higher than that of the silver nanorods, the calculation results show that when the 10 mW / cm 2 resonant light is irradiated, The degree of heat generation is estimated to be at least 10 ° C. (see Non-Patent Document 5).

プラズモン4重極子モードを誘起するメタマテリアル完全吸収構造は、熱電子生成効率が金属ナノ粒子など単純なプラズモニック構造よりもはるかに高いことが知られている(非特許文献6参照)。熱電子生成効率が高いということは、熱電子緩和で生じる局所熱の発生量も大きいことを意味する。そのため、1kW/cm程度を必要とするレーザー光誘起相転移と比較し、メタマテリアル完全吸収構造を利用する本発明の光スイッチング素子では、2,3桁低い微弱光での熱相転移材料(例えば、VO)のスイッチングを可能にする。 It is known that a metamaterial perfect absorption structure that induces a plasmon quadrupole mode has a much higher thermoelectron generation efficiency than a simple plasmonic structure such as metal nanoparticles (see Non-Patent Document 6). High thermoelectron generation efficiency means that the amount of local heat generated by thermal electron relaxation is also large. Therefore, compared with the laser light-induced phase transition that requires about 1 kW / cm 2, the optical switching element of the present invention using the metamaterial complete absorption structure is a thermal phase transition material with weak light that is a few orders of magnitude lower ( For example, switching of VO 2 ) is enabled.

また、例えば、VO薄膜を用いた場合、VOとプラズモン構造が接触した場合、プラズモン構造体で生成した熱電子がVO伝導帯に注入されて相転移が促進されていることはすでに報告されており、熱電子注入によって誘起される相転移現象はピコ秒(10−12)オーダーであると報告されている(非特許文献3参照)。
そのため、熱電子生成効率の高い完全吸収メタマテリアル構造が、熱電子注入機構によってVOの相転移を促進すると、その応答速度はピコ秒オーダーとなり、既存のMOSFETなどのスイッチング素子の応答速度であるナノ秒をはるかに上回る高速の応答速度が得られる。
In addition, for example, when a VO 2 thin film is used, it has already been reported that when VO 2 and a plasmon structure are in contact, thermoelectrons generated in the plasmon structure are injected into the VO 2 conduction band to promote phase transition. It has been reported that the phase transition phenomenon induced by thermionic injection is on the order of picoseconds (10 −12 ) (see Non-Patent Document 3).
Therefore, when the fully absorbing metamaterial structure with high thermoelectron generation efficiency promotes the phase transition of VO 2 by the thermoelectron injection mechanism, the response speed is on the order of picoseconds, which is the response speed of a switching element such as an existing MOSFET. A response speed much faster than nanoseconds is obtained.

(熱電変換素子)
図15は、本発明の一実施形態にかかる熱電変換素子200を模式的に示した断面図である。
熱電変換素子200は、導電性微小構造体11と、金属薄膜12と、それらに挟まれた熱電変換層13とからなるメタマテリアル完全吸収構造200を備えている。
(Thermoelectric conversion element)
FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing a thermoelectric conversion element 200 according to an embodiment of the present invention.
The thermoelectric conversion element 200 includes a metamaterial complete absorption structure 200 including the conductive microstructure 11, the metal thin film 12, and the thermoelectric conversion layer 13 sandwiched between them.

本発明の熱電変換素子を、本発明のスイッチング素子と比較すると、熱相転移材料層が熱電変換層に変わった点が異なるが、メタマテリアル完全吸収構造を用いる点で共通する。
また、導電性微小構造体及び金属薄膜については同様な構成のものを用いることができるので、主に異なる点を説明するが、共通する点については説明を省略する場合がある。
The thermoelectric conversion element of the present invention is different from the switching element of the present invention in that the thermal phase transition material layer is changed to a thermoelectric conversion layer, but is common in that a metamaterial complete absorption structure is used.
Moreover, since the thing of the same structure can be used about a conductive microstructure and a metal thin film, although a different point is mainly demonstrated, description may be abbreviate | omitted about a common point.

本発明の熱電変換素子においても、メタマテリアル完全吸収構造は入射光を100%近く閉じ込めることができ、導電性微小構造体11と金属薄膜12との間に高い熱が生じる。
そのため、導電性微小構造体11と金属薄膜12との間に挟まれた熱電変換膜の一端が加熱されて温度差が生じ、ゼーベック効果によって熱電変換素子の両端間には起電力が発生する。
本発明の熱電変換素子は、導電性微小構造体のプラズモン共鳴時に発生する局所熱を動力源として機能する熱電変換素子である。
本発明の熱電変換素子は、実際の使用の際に、従来の熱電変換素子あるいは熱電変換モジュールが備えている高温部や低温部、高温熱源や低温熱源を必要としない。
Also in the thermoelectric conversion element of the present invention, the metamaterial complete absorption structure can confine incident light nearly 100%, and high heat is generated between the conductive microstructure 11 and the metal thin film 12.
Therefore, one end of the thermoelectric conversion film sandwiched between the conductive microstructure 11 and the metal thin film 12 is heated to generate a temperature difference, and an electromotive force is generated between both ends of the thermoelectric conversion element due to the Seebeck effect.
The thermoelectric conversion element of the present invention is a thermoelectric conversion element that functions using local heat generated during plasmon resonance of a conductive microstructure as a power source.
The thermoelectric conversion element of the present invention does not require a high-temperature part or a low-temperature part, a high-temperature heat source, or a low-temperature heat source provided in a conventional thermoelectric conversion element or thermoelectric conversion module in actual use.

<導電性微小構造体>
導電性微小構造体11は、熱電変換層13の一部の内部又は表面に配設されたものとすることができる。
導電性微小構造体は、熱電変換膜の「一部にだけ」設けるが、これは、熱電変換膜中に温度差を設ける(高温部と低温部とを作る)必要があるために、熱電変換膜の全体に設けることはできない。この「一部」は、熱電変換膜の一端部としてもよい。この場合、その一端部が高温部となり、それ以外の部分が低温部となる。電流又は電圧を取り出す電極は、高温部近傍と、低温部のどこかに設ければよい。例えば、熱電変換膜を一方向に延在する形状である場合には、低温部の電極はその長手方向の「一端部」と反対側の他端部に設けてもよい。
<Conductive microstructure>
The conductive microstructure 11 may be disposed inside or on a part of the thermoelectric conversion layer 13.
The conductive microstructure is provided “only in part” of the thermoelectric conversion film. This is because it is necessary to provide a temperature difference in the thermoelectric conversion film (making a high-temperature part and a low-temperature part). It cannot be provided over the entire membrane. This “part” may be one end of the thermoelectric conversion film. In this case, the one end part becomes a high temperature part, and the other part becomes a low temperature part. The electrode for taking out the current or voltage may be provided near the high temperature part and somewhere in the low temperature part. For example, when the thermoelectric conversion film has a shape extending in one direction, the electrode of the low temperature part may be provided on the other end opposite to the “one end” in the longitudinal direction.

<熱電変換膜>
熱電変換膜13の材料としては、公知の有機熱電変換材料、無機熱電変換材料を用いることができる。
具体的には、有機熱電変換材料としては、PEDOT:PSS(3,4-エチレンジオキシチオフェン:ポリ(4-スチレンスルホン酸塩))、P3HT(3-ヘキシルチオフェン)、ポニフェニレンビニレン等の導電性ポリマーや、カーボンナノチューブなどの炭素材料などが挙げられる。また、無機熱電変換材料としては、金属酸化物系、テルル化合物系、シリコン化合物系、アンチモン化合物系などが挙げられる。
<Thermoelectric conversion membrane>
As the material of the thermoelectric conversion film 13, a known organic thermoelectric conversion material or inorganic thermoelectric conversion material can be used.
Specifically, as an organic thermoelectric conversion material, PEDOT: PSS (3,4-ethylenedioxythiophene: poly (4-styrenesulfonate)), P3HT (3-hexylthiophene), poniphenylenevinylene, etc. And carbon materials such as carbon nanotubes. Examples of the inorganic thermoelectric conversion material include metal oxides, tellurium compounds, silicon compounds, and antimony compounds.

熱電変換膜13の膜厚としては限定するものではないが、目安を例示すれば、10nm〜10000nmとすることができる。   Although it does not limit as a film thickness of the thermoelectric conversion film | membrane 13, if a standard is illustrated, it can be set to 10 nm-10000 nm.

熱電変換膜の形成方法としては公知の方法を用いることができ、例えば、塗布、スピンコート、ディップコート、スプレーコート、蒸着法、スパッタ法などを用いることができる。無機系熱電変換材料による熱電変換膜の形成では例示した方法をすべて利用することができ、有機系熱電変換材料による熱電変換膜の形成では例示した方法のうち、スパッタ法以外の方法をすべて利用することができる。   As a method for forming the thermoelectric conversion film, a known method can be used. For example, coating, spin coating, dip coating, spray coating, vapor deposition, sputtering, or the like can be used. All of the exemplified methods can be used for the formation of the thermoelectric conversion film with the inorganic thermoelectric conversion material, and all the methods other than the sputtering method are used for the formation of the thermoelectric conversion film with the organic thermoelectric conversion material. be able to.

メタマテリアル完全吸収構造の金属薄膜は、電極としても機能するため、熱電変換素子に新たに電極を形成する必要はない。   Since the metal thin film having a metamaterial complete absorption structure also functions as an electrode, it is not necessary to newly form an electrode on the thermoelectric conversion element.

図16に、メタマテリアル完全吸収構造を一端に有する本発明の熱電変換素子の概念図を示す。
光照射は、メタマテリアル完全吸収構造の導電性微小構造体の表面に行われる。完全吸収特性の励起により、メタマテリアル完全吸収構造の金属薄膜(金属平板電極)と導電性微小構造体との間に入射光が閉じ込められ、高い熱が発生する。熱電変換素子の両端には温度差が生じ、両端にそれぞれ配置する電極間には起電力が生じる。
In FIG. 16, the conceptual diagram of the thermoelectric conversion element of this invention which has a metamaterial perfect absorption structure in one end is shown.
Light irradiation is performed on the surface of the conductive microstructure of the metamaterial complete absorption structure. Excitation of the complete absorption characteristic confines incident light between the metal thin film (metal plate electrode) of the metamaterial complete absorption structure and the conductive microstructure, and generates high heat. A temperature difference occurs at both ends of the thermoelectric conversion element, and an electromotive force is generated between the electrodes disposed at both ends.

本発明の熱電変換素子では基板は必須ではないが、本発明のスイッチング素子と同様な基板を用いることができる。
例えば、フレキシブルな基板を用いて、図16に示したような熱電変換素子とすることもできる(図中に基板は不図示)。
In the thermoelectric conversion element of the present invention, a substrate is not essential, but a substrate similar to the switching element of the present invention can be used.
For example, a thermoelectric conversion element as shown in FIG. 16 can be formed using a flexible substrate (the substrate is not shown in the drawing).

メタマテリアル完全吸収構造は、特にQ値の高いプラズモン4重極子モードを励起する。4重極子モードは狭帯域で寿命が長く、局所熱の元となる熱電子の発生効率が高いことで知られる。そのため、他の単純なプラズモニック構造と比較し、より大きな局所熱が生成し、かつ、熱電変換膜への熱電子注入機構の効率も高くなるため、4重極子モードが励起される金属薄膜(金属平板電極)と導電性微小構造体との間に熱電変換膜が挿入されることが重要である。4重極子モードによって、熱電子の注入および局所熱の熱電素子への伝搬が、効率よく行われるためである。   The metamaterial complete absorption structure excites a plasmon quadrupole mode having a particularly high Q value. The quadrupole mode is known to have a long life in a narrow band and high generation efficiency of thermoelectrons that are the source of local heat. Therefore, compared to other simple plasmonic structures, a larger amount of local heat is generated and the efficiency of the thermoelectron injection mechanism into the thermoelectric conversion film is increased, so that a metal thin film that excites the quadrupole mode ( It is important that a thermoelectric conversion film is inserted between the metal flat plate electrode) and the conductive microstructure. This is because the quadrupole mode efficiently injects thermoelectrons and propagates local heat to the thermoelectric element.

図17は、本発明の一実施形態にかかる熱電変換素子の複数の導電性微小構造体の配置(配列)例を示したものであり、(a)〜(d)はそれぞれ、図8に示したスイッチング素子110が備える複数の導電性微小構造体1Aaと同様の配置、図9に示したスイッチング素子120が備える複数の導電性微小構造体1Baと同様の配置、図10(a)に示したスイッチング素子130が備える複数の導電性微小構造体1Caと同様の配置、図10(b)に示したスイッチング素子140が備える複数の導電性微小構造体1Daと同様の配置と同様の配置の例である。   FIG. 17 shows an example of the arrangement (arrangement) of a plurality of conductive microstructures of a thermoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention, and (a) to (d) are shown in FIG. The same arrangement as that of the plurality of conductive microstructures 1Aa included in the switching element 110, the same arrangement as that of the plurality of conductive microstructures 1Ba included in the switching element 120 illustrated in FIG. 9, and illustrated in FIG. An example of the same arrangement as the plurality of conductive microstructures 1Ca included in the switching element 130 and the same arrangement as the plurality of conductive microstructures 1Da included in the switching element 140 illustrated in FIG. is there.

例えば、図16に示した熱電変換素子200において、複数の導電性微小構造体11を、図17(a)〜(d)に示した配置例の複数の導電性微小構造体に置き換えた熱電変換素子では、図8〜図10のそれぞれに対応する狭帯域性、あるいは、広帯域性を示す熱電変換素子になる。   For example, in the thermoelectric conversion element 200 shown in FIG. 16, the plurality of conductive microstructures 11 are replaced with the plurality of conductive microstructures in the arrangement examples shown in FIGS. 17 (a) to 17 (d). The element is a thermoelectric conversion element exhibiting a narrow band characteristic or a wide band characteristic corresponding to each of FIGS.

図18に、基板上に、本発明のメタマテリアル完全吸収構造の一例として金属ナノ構造体−熱電変換膜−金属平板電極の構造を配設した構成を示す。
図18(a)は、基板上に金属平板電極、熱電変換膜、金属ナノ構造体を順に形成した構成であり、基板のメタマテリアル完全吸収構造を形成した側から光照射を行った場合を示す断面模式図であり、図4(b)は、基板上に金属ナノ構造体、熱電変換膜、金属平板電極を順に形成した構成であり、基板の下方から光照射を行った場合を示す断面模式図である。図18(b)の場合は、基板としては透明性が高いものを用いることが好ましい。
金属ナノ構造体が基板上に作製され、基板下部から光照射する場合が考えられる。金属ナノ構造体が応答波長を決定するため、光照射は必ず、金属ナノ構造体側より行う。
FIG. 18 shows a configuration in which a metal nanostructure-thermoelectric conversion film-metal plate electrode structure is disposed on a substrate as an example of the metamaterial complete absorption structure of the present invention.
FIG. 18A shows a configuration in which a metal plate electrode, a thermoelectric conversion film, and a metal nanostructure are sequentially formed on a substrate, and shows a case where light irradiation is performed from the side where the metamaterial complete absorption structure of the substrate is formed. FIG. 4B is a schematic cross-sectional view showing a configuration in which a metal nanostructure, a thermoelectric conversion film, and a metal flat plate electrode are sequentially formed on a substrate, and shows a case where light irradiation is performed from below the substrate. FIG. In the case of FIG. 18B, it is preferable to use a highly transparent substrate.
It is conceivable that a metal nanostructure is produced on a substrate and light is irradiated from the bottom of the substrate. Since the metal nanostructure determines the response wavelength, light irradiation is always performed from the metal nanostructure side.

導電性微小構造体(例えば、金属ナノ構造体)のサイズと形状の適切な設計により、紫外から赤外域まで、幅広い波長域から応答波長を選択できる。プラズモン4重極子モードは非常にQ値の高い狭帯域応答性を持つため、狭帯域光スイッチング素子としての利用が期待できる。原理的には、1個の金属ナノ構造体だけでも波長応答性を示すことから、ピクセルサイズがnmオーダーである高解像度のイメージセンサも実現できる。
また、本発明のスイッチング素子を光検出器に用いることもできる。
By appropriately designing the size and shape of the conductive microstructure (eg, metal nanostructure), the response wavelength can be selected from a wide wavelength range from the ultraviolet to the infrared range. Since the plasmon quadrupole mode has a narrow band response with a very high Q value, it can be expected to be used as a narrow band optical switching element. In principle, since only one metal nanostructure exhibits wavelength response, a high-resolution image sensor having a pixel size in the order of nm can be realized.
The switching element of the present invention can also be used for a photodetector.

<表面保護膜>
本発明の熱電変換素子において、導電性微小構造体を熱電変換膜の表面に形成した場合には、表面保護膜を形成してもよい。表面保護膜の材料としては、プラズモン共鳴波長を透過する材料であれば、電子デバイス等の表面保護膜として用いられている公知の材料のものを用いることができる。
かかる表面保護膜は、導電性微小構造体を熱電変換膜の内部に埋没される構成において、導電性微小構造体を形成した領域において導電性微小構造体が熱電変換膜から露出するように開口を形成して、その開口を保護するために設けてもよい。
<Surface protective film>
In the thermoelectric conversion element of the present invention, when the conductive microstructure is formed on the surface of the thermoelectric conversion film, a surface protective film may be formed. As the material for the surface protective film, any known material used as a surface protective film for an electronic device or the like can be used as long as it is a material that transmits a plasmon resonance wavelength.
Such a surface protective film has an opening so that the conductive microstructure is exposed from the thermoelectric conversion film in the region where the conductive microstructure is formed in a configuration in which the conductive microstructure is buried inside the thermoelectric conversion film. It may be formed and provided to protect the opening.

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の効果を奏する範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。   The embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, but the configurations and combinations of the embodiments in the embodiments are examples, and within the scope of the effects of the present invention, the addition, omission of configurations, Substitutions and other changes are possible.

(熱電変換素子の製造方法)
本発明の熱電変換素子の製造方法の一例を以下に説明する。
<熱電変換素子の製造方法1>
(1)基板上に金属薄膜を形成する(蒸着法・スパッタ法・電解(無電解)めっき法などの手法を用いることができる)(図6(a)参照)。
(2)次に、金属薄膜上に熱電変換層を形成する(塗布、スピンコート、ディップコート、スプレーコート、蒸着法、スパッタ法などの手法を用いることができる)(図6(b)参照)。
(3)次に、熱電変換層上に導電性微小構造体および電流を取り出すための電極部分を形成する(微細加工には、光リソグラフィー法・電子線リソグラフィー法などの手法を用いることができる。金属形成には、蒸着法・スパッタ法・電解(無電解)めっき法などの手法を用いることができる)(図6(c)参照)。
この製造方法で製造される熱電変換素子では、導電性微小構造体は熱電変換膜の表面に配設されている。
(Method for manufacturing thermoelectric conversion element)
An example of the manufacturing method of the thermoelectric conversion element of this invention is demonstrated below.
<The manufacturing method 1 of a thermoelectric conversion element>
(1) A metal thin film is formed on a substrate (a method such as a vapor deposition method, a sputtering method, or an electrolytic (electroless) plating method can be used) (see FIG. 6A).
(2) Next, a thermoelectric conversion layer is formed on the metal thin film (application, spin coating, dip coating, spray coating, vapor deposition, sputtering, etc. can be used) (see FIG. 6B) .
(3) Next, a conductive microstructure and an electrode portion for taking out an electric current are formed on the thermoelectric conversion layer (a method such as a photolithographic method or an electron beam lithography method can be used for microfabrication). For metal formation, techniques such as vapor deposition, sputtering, and electrolytic (electroless) plating can be used (see FIG. 6C).
In the thermoelectric conversion element manufactured by this manufacturing method, the conductive microstructure is disposed on the surface of the thermoelectric conversion film.

<熱電変換素子の製造方法2>
(1)基板上に金属薄膜を形成する(蒸着法・スパッタ法・電解(無電解)めっき法などなどの手法を用いることができる)(図6(a)参照)。
(2)次に、金属薄膜上に熱電変換層を形成する(塗布、スピンコート、ディップコート、スプレーコート、蒸着法、スパッタ法などの手法を用いることができる)(図6(b)参照)。
(3)次に、熱電変換層上に導電性微小構造体を形成する(微細加工には、光リソグラフィー法・電子線リソグラフィー法などの手法を用いることができる。金属形成には、蒸着法・スパッタ法・電解(無電解)めっき法などの手法を用いることができる)。
(4)次に、熱電変換層及び導電性微小構造体上に2回目の熱電変換層を形成する(塗布、スピンコート、ディップコート、スプレーコート、蒸着法、スパッタ法などの手法を用いることができる)。
この製造方法で製造される熱電変換素子では、導電性微小構造体は熱電変換膜の一部の内部に配設されている。
<The manufacturing method 2 of a thermoelectric conversion element>
(1) A metal thin film is formed on a substrate (a method such as a vapor deposition method, a sputtering method, an electrolytic (electroless) plating method, or the like can be used) (see FIG. 6A).
(2) Next, a thermoelectric conversion layer is formed on the metal thin film (application, spin coating, dip coating, spray coating, vapor deposition, sputtering, etc. can be used) (see FIG. 6B) .
(3) Next, a conductive microstructure is formed on the thermoelectric conversion layer (a method such as a photolithographic method or an electron beam lithography method can be used for microfabrication. Techniques such as sputtering and electrolysis (electroless) plating can be used).
(4) Next, a second thermoelectric conversion layer is formed on the thermoelectric conversion layer and the conductive microstructure (using techniques such as coating, spin coating, dip coating, spray coating, vapor deposition, and sputtering). it can).
In the thermoelectric conversion element manufactured by this manufacturing method, the conductive microstructure is disposed inside a part of the thermoelectric conversion film.

<熱電変換素子(図18(b)参照)の製造方法3>
(1)基板上に導電性微小構造体を形成する(微細加工には、光リソグラフィー法・電子線リソグラフィー法などの手法を用いることができる。金属形成には、蒸着法・スパッタ法・電解(無電解)めっき法などの手法を用いることができる)。
(2)次に、基板及び導電性微小構造体上に熱電変換層を形成する(塗布、スピンコート、ディップコート、スプレーコート、蒸着法、スパッタ法などの手法を用いることができる)。
(3)次に、熱電変換層上に金属平板電極を形成する(金属形成には、蒸着法・スパッタ法・電解(無電解)めっき法などの手法を用いることができる)。
<Method 3 for producing thermoelectric conversion element (see FIG. 18B)>
(1) A conductive microstructure is formed on a substrate (for microfabrication, a technique such as an optical lithography method or an electron beam lithography method can be used. For metal formation, a vapor deposition method, a sputtering method, an electrolysis ( Techniques such as electroless plating may be used).
(2) Next, a thermoelectric conversion layer is formed on the substrate and the conductive microstructure (a method such as coating, spin coating, dip coating, spray coating, vapor deposition, or sputtering can be used).
(3) Next, a metal plate electrode is formed on the thermoelectric conversion layer (a method such as a vapor deposition method, a sputtering method, an electrolytic (electroless) plating method can be used for forming the metal).

(排熱(廃熱)利用)
各種電子デバイス、各種産業機器、各種自動車等の発熱体の排熱(廃熱)を熱源として、本発明の熱電変換素子を用いて、起電力を発生させることができる。
(Use of waste heat (waste heat))
An electromotive force can be generated using the thermoelectric conversion element of the present invention using exhaust heat (waste heat) of a heating element such as various electronic devices, various industrial equipment, and various automobiles as a heat source.

図19に、本発明の一実施形態にかかる熱電変換素子210を模式的に示した概念断面図を示す。
図19に示す熱電変換素子210は、導電性微小構造体11と、金属薄膜12Aと、それらに挟まれた熱電変換層13とからなる完全吸収メタマテリアル構造を備えた熱電変換素子である。
熱電変換素子210を、導電性微小構造体11が発熱体50に近接して配置するように設置することによって、発熱体50から発生する熱を利用して起電力を発生することができる。熱電変換素子210においては、発生した起電力又は電流は、一方の電極としても機能する金属薄膜12Aと、それとは離間して配置するもう一方の電極12Bとから取り出すことができる。
In FIG. 19, the conceptual sectional drawing which showed typically the thermoelectric conversion element 210 concerning one Embodiment of this invention is shown.
A thermoelectric conversion element 210 illustrated in FIG. 19 is a thermoelectric conversion element including a fully absorbing metamaterial structure including the conductive microstructure 11, the metal thin film 12A, and the thermoelectric conversion layer 13 sandwiched therebetween.
By installing the thermoelectric conversion element 210 so that the conductive microstructure 11 is disposed close to the heating element 50, an electromotive force can be generated using heat generated from the heating element 50. In the thermoelectric conversion element 210, the generated electromotive force or current can be taken out from the metal thin film 12A that also functions as one electrode and the other electrode 12B that is spaced apart from the metal thin film 12A.

例えば、発熱体がLSIである場合、LSIが100℃程度の温度になるとすると、熱電変換素子210の完全吸収メタマテリアル構造がLSIから発せられた放射線(赤外線)を吸収することによって、熱電変換層13の金属薄膜12A近傍が高温部となり、電極12Bが低温(室温)部であることから、金属薄膜12Aと電極12Bとによって電圧または電流を取り出すことができる。
なお、100℃程度の発熱体が発生する電磁波は、6μmを中心とする赤外線であり、発熱体から100nm離したときの赤外線強度である分光放出輝度(W/cm.μm)は、1x10-1(W/cm2・μm)である。発熱体から100nm離して設置した光熱電変換効率1.2%の、完全吸収メタマテリアル構造を備えた熱電変換素子(ゼーベック係数76μV/K、導電率142000S/mの熱電変換材料を用いた場合)は、100℃程度の発熱体から放射された電磁波を吸収し、最低約108nAの電流を発生させることをシミュレーション計算によって確認した。
For example, when the heating element is an LSI, and the LSI is at a temperature of about 100 ° C., the thermoelectric conversion layer 210 absorbs the radiation (infrared rays) emitted from the LSI by the fully absorbing metamaterial structure of the thermoelectric conversion element 210. Since the vicinity of the metal thin film 12A is a high temperature portion and the electrode 12B is a low temperature (room temperature) portion, voltage or current can be taken out by the metal thin film 12A and the electrode 12B.
The electromagnetic wave generated by the heating element at about 100 ° C. is infrared light centered on 6 μm, and the spectral emission luminance (W / cm 2 .μm), which is the infrared intensity when separated from the heating element by 100 nm, is 1 × 10 − 1 (W / cm 2 · μm). Thermoelectric conversion element with a fully absorbing metamaterial structure with a photothermoelectric conversion efficiency of 1.2% installed 100 nm away from the heating element (when using a thermoelectric conversion material with Seebeck coefficient of 76 μV / K and conductivity of 142000 S / m) Was confirmed by simulation calculation to absorb electromagnetic waves radiated from a heating element of about 100 ° C. and generate a current of at least about 108 nA.

本発明の熱電変換素子を図16に示すようなフレキシブルな態様とした場合には、例えば、管状などの曲面を有する発熱体に対しては、その曲面に沿って巻回して用いることもできる。   When the thermoelectric conversion element of the present invention is configured to be flexible as shown in FIG. 16, for example, a heating element having a curved surface such as a tube can be wound around the curved surface.

完全吸収メタマテリアル構造を発熱体に近接させる距離としては、発熱体の種類にも拠るが、例えば、ゼロより大きく、数μm程度とすることができる。   The distance at which the completely absorbing metamaterial structure is brought close to the heating element depends on the type of the heating element, but can be, for example, larger than zero and about several μm.

本発明の熱電変換素子は薄膜によって作製できる。通常のヒートシンク(例えば、放熱を目的とし、主に熱伝導率の高いアルミ・鉄・銅などの金属材料でできた素子で、その表面に表面積が大きくなるように、フィン型または剣山型・蛇腹型などの成形が施されているもの)と比較して、完全吸収メタマテリアル構造を備えた熱電変換素子(以下、完全吸収熱電変換素子ということがある)は最大厚み300−1000nmの薄膜とすることができる。同じ膜厚で比較した場合は、完全吸収熱電変換素子の排熱効率がヒートシンクのそれよりも高い。   The thermoelectric conversion element of the present invention can be produced by a thin film. Normal heat sink (for example, an element made of metal material such as aluminum, iron, copper, etc. with high thermal conductivity for the purpose of heat dissipation, fin type or sword mountain type, bellows so that the surface area becomes large The thermoelectric conversion element having a fully absorbing metamaterial structure (hereinafter sometimes referred to as a fully absorbing thermoelectric conversion element) is a thin film having a maximum thickness of 300 to 1000 nm. be able to. When compared with the same film thickness, the exhaust heat efficiency of the complete absorption thermoelectric conversion element is higher than that of the heat sink.

完全吸収メタマテリアル構造の構成要素である金属ナノ構造体の適切な設計によって、発熱体から発生する広帯域の放射スペクトルを漏れなく吸収することが可能である。また、金属ナノ構造体が形成されている部分のみが放射スペクトルを吸収するため、完全吸収熱電変換素子全体の温度勾配が保持され、熱電変換機構が働く。
単なる薄膜の熱電変換素子では、そもそも赤外線吸収率が低く、同様の発熱体の放射赤外線を吸収して発電することはできない。
By appropriately designing the metal nanostructure that is a component of the fully absorbing metamaterial structure, it is possible to absorb the broadband radiation spectrum generated from the heating element without leakage. In addition, since only the portion where the metal nanostructure is formed absorbs the radiation spectrum, the temperature gradient of the complete absorption thermoelectric conversion element is maintained, and the thermoelectric conversion mechanism works.
In the first place, a thin-film thermoelectric conversion element has a low infrared absorptivity in the first place, and cannot generate power by absorbing the radiant infrared rays of a similar heating element.

(排熱(廃熱)機能)
各種電子デバイス、各種産業機器、各種自動車等の発熱体が発生した熱を、本発明の熱電変換素子を用いて、電気に変換して、発熱体の排熱を行うことができる。
(Exhaust heat (waste heat) function)
Heat generated by heating elements of various electronic devices, various industrial equipment, various automobiles, and the like can be converted into electricity using the thermoelectric conversion element of the present invention, and the heating elements can be exhausted.

1 導電性微小構造体
2 金属薄膜
3 熱相転移材料層
10 メタマテリアル完全吸収構造
11 導電性微小構造体
12 金属薄膜
13 熱電変換膜
20 メタマテリアル完全吸収構造
100 スイッチング素子
200、210 熱電変換素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Conductive microstructure 2 Metal thin film 3 Thermal phase transition material layer 10 Metamaterial complete absorption structure 11 Conductive microstructure 12 Metal thin film 13 Thermoelectric conversion film 20 Metamaterial complete absorption structure 100 Switching element 200, 210 Thermoelectric conversion element

Claims (15)

導電性微小構造体と、金属薄膜と、それらに挟まれた熱相転移材料層とからなる完全吸収メタマテリアル構造を備えたスイッチング素子。   A switching element having a fully absorbing metamaterial structure comprising a conductive microstructure, a metal thin film, and a thermal phase transition material layer sandwiched between them. 前記導電性微小構造体が複数備えられている、請求項1に記載のスイッチング素子。   The switching element according to claim 1, wherein a plurality of the conductive microstructures are provided. 複数の導電性微小構造体が同じプラズモン共鳴波長を示すものからなる、請求項2に記載のスイッチング素子。   The switching element according to claim 2, wherein the plurality of conductive microstructures have the same plasmon resonance wavelength. 複数の導電性微小構造体に異なるプラズモン共鳴波長を示すものが含まれている、請求項2に記載のスイッチング素子。   The switching element according to claim 2, wherein the plurality of conductive microstructures include those having different plasmon resonance wavelengths. 前記複数の導電性微小構造体がランダムに配置されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載のスイッチング素子。   The switching element according to any one of claims 1 to 4, wherein the plurality of conductive microstructures are randomly arranged. 前記複数の導電性微小構造体が規則的に配置されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載のスイッチング素子。   The switching element according to claim 1, wherein the plurality of conductive microstructures are regularly arranged. 前記導電性微小構造体が異方的形状を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載のスイッチング素子。   The switching element according to claim 1, wherein the conductive microstructure has an anisotropic shape. 導電性微小構造体と、金属薄膜と、それらに挟まれた熱電変換層とからなる完全吸収メタマテリアル構造を備えた熱電変換素子。   A thermoelectric conversion element comprising a fully absorbing metamaterial structure comprising a conductive microstructure, a metal thin film, and a thermoelectric conversion layer sandwiched between them. 前記導電性微小構造体は、前記熱電変換膜の一部の内部又は表面に配設されている、請求項8に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 8, wherein the conductive microstructure is disposed inside or on a part of the thermoelectric conversion film. 前記導電性微小構造体が複数備えられている、請求項8又は9のいずれかに記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 8, wherein a plurality of the conductive microstructures are provided. 複数の導電性微小構造体が同じプラズモン共鳴波長を示すものからなる、請求項8〜10のいずれか一項に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element as described in any one of Claims 8-10 which consists of what a some electroconductive microstructure shows the same plasmon resonance wavelength. 複数の導電性微小構造体に異なるプラズモン共鳴波長を示すものが含まれている、請求項8〜10のいずれか一項に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element as described in any one of Claims 8-10 in which what shows a different plasmon resonance wavelength is contained in several electroconductive microstructures. 前記複数の導電性微小構造体がランダムに配置されている、請求項8〜12のいずれか一項に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to any one of claims 8 to 12, wherein the plurality of conductive microstructures are randomly arranged. 前記複数の導電性微小構造体が規則的に配置されている、請求項8〜12のいずれか一項に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to any one of claims 8 to 12, wherein the plurality of conductive microstructures are regularly arranged. 前記導電性微小構造体が異方的形状を有する、請求項8〜14のいずれか一項に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 8, wherein the conductive microstructure has an anisotropic shape.
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