JP2021044239A - 輻射デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】特定波長の電磁波を効率的に輻射する。【解決手段】輻射デバイス（１００）は、ミー共振器（１１０）と、負誘電体層（１２０）とを備える。ミー共振器（１１０）は、誘電体を含む。ミー共振器（１１０）は、ミー共振を励起する。負誘電体層（１２０）は、負の誘電率を有する。ミー共振器（１１０）と負誘電体層（１２０）との間において、プラズモニック共振を励起する。【選択図】図１

Description

本発明は、輻射デバイスに関する。

輻射デバイスは、熱エネルギーを電磁波エネルギーに変換して電磁波を輻射することにより、対象物体の熱を移動できることが知られている（特許文献１参照）。特許文献１には、基材と導電層との間に誘電体層を設けたプラズモン共振構造体を備えた冷暖房用パネルが記載されている。特許文献１の冷暖房用パネルでは、基材と導電層との間に誘電体層を設けたプラズモン共振構造体が波長８〜１４μｍの赤外線を選択的に放射または吸収することにより、熱を効率的に移動できる。

特開２０１７−９６５１６号公報

特許文献１では、輻射デバイスから放出される電磁波の波長が広く分布してしまい、プラズモン共振構造体から放出される電磁波を有効に利用できないことがあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、特定波長の電磁波を効率的に放出可能な輻射デバイスを提供することにある。

本発明による輻射デバイスは、ミー共振器と、負誘電体層とを備える。前記ミー共振器は、誘電体を含み、ミー共振を励起する。前記負誘電体層は、負の誘電率を有する。前記ミー共振器と前記負誘電体層との間において、プラズモニック共振を励起する。

ある実施形態において、前記負誘電体層は、金属を含む。

ある実施形態において、前記負誘電体層は、金属酸化物を含む。

ある実施形態において、前記ミー共振器は、前記負誘電体層から突起している。

ある実施形態において、前記輻射デバイスは、前記ミー共振器と前記負誘電体層との間に位置するギャップ層をさらに備える。

ある実施形態において、前記ギャップ層は、前記ミー共振器の屈折率よりも低い屈折率を有する。

ある実施形態において、前記輻射デバイスは、相転移によって前記負誘電体層に変化する相転移層をさらに備える。

ある実施形態において、前記相転移層は、温度の変化によって金属相と誘電体相との間を相転移する。

ある実施形態において、前記相転移層は、二酸化バナジウムを含む。

ある実施形態において、前記相転移層は、ドーパントを含む。

ある実施形態において、前記ドーパントは、タングステンを含む。

本発明によれば、特定の波長の電磁波を効率的に放出できる。

（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の輻射デバイスの模式的な斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の輻射デバイスの模式的な斜視図である。 （ａ）は、本実施形態の輻射デバイスの模式的な斜視図であり、（ｂ）は、輻射デバイスの模式図であり、（ｃ）は、輻射デバイスにおける電場分布および磁場分布を示すグラフであり、（ｄ）は、輻射デバイスにおける電磁波の波長および入射角に対する輻射率の分布を示すグラフである。 （ａ）は、本実施形態の輻射デバイスを取り付けた冷却装置の模式図であり、（ｂ）は、電磁波の波長に対する輻射デバイスの輻射率を示すグラフである。 本実施形態の輻射デバイスの模式的な斜視図である。 （ａ）は、本実施形態の輻射デバイスにおける電場分布を示すグラフであり、（ｂ）は、本実施形態の輻射デバイスにおける磁場分布を示すグラフであり、（ｃ）は、本実施形態の輻射デバイスにおける吸収率および輻射率の波長依存性を示すグラフである。 （ａ）は、本実施形態の輻射デバイスの模式的な斜視図であり、（ｂ）は、輻射デバイスの模式的な側面図である。 （ａ）は、本実施形態の輻射デバイスにおける輻射強度の波長依存性を示すグラフであり、（ｂ）は、輻射デバイスにおける電磁波の波長および入射角に対する輻射率の分布を示すグラフであり、（ｃ）は、本実施形態の輻射デバイスにおける輻射強度の波長依存性を示すグラフである。 （ａ）〜（ｆ）は、本実施形態の輻射デバイスの製造プロセスを示す模式図である。 本実施形態の輻射デバイスにおける輻射強度の波長依存性を示すグラフである。 （ａ）は、本実施形態の輻射デバイスにおけるＩＴＯの屈折率の波長依存性を示すグラフであり、（ｂ）は、本実施形態の輻射デバイスにおけるＩＴＯの反射率の波長依存性を示すグラフであり、（ｃ）は、本実施形態の輻射デバイスにおけるＩＴＯの透過率の波長依存性を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の輻射デバイスの模式的な斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、本実施形態の輻射デバイスの模式的な斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、電磁波の波長に対する輻射デバイスの輻射率を示すグラフである。 （ａ）は、本実施形態の輻射デバイスの模式的な斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の輻射デバイスにおいて電磁波の波長に対する輻射デバイスの輻射率を示すグラフである。 （ａ）は、ｓ偏光の電磁波が入射される本実施形態の輻射デバイスを示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）の輻射デバイスにおいてｓ偏光の電磁波の波長に対する輻射デバイスの輻射率を示すグラフであり、（ｃ）は、ｐ偏光の電磁波が入射される本実施形態の輻射デバイスを示す模式図であり、（ｄ）は、（ｃ）の輻射デバイスにおいてｐ偏光の電磁波の波長に対する輻射デバイスの輻射率を示すグラフである。 （ａ）は、本実施形態の輻射デバイスにおける輻射スペクトルを示すグラフであり、（ｂ）は、黒体輻射スペクトルを示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明による輻射デバイスの実施形態を説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。なお、本願明細書では、発明の理解を容易にするため、互いに直交するｘ方向、ｙ方向およびｚ方向を記載することがある。典型的には、ｘ方向およびｙ方向は水平方向に平行であり、ｚ方向は鉛直方向に平行である。ただし、ｘ方向およびｙ方向のいずれかが鉛直方向に平行であってもよい。

まず、図１を参照して、本実施形態の輻射デバイス１００を説明する。図１（ａ）は、輻射デバイス１００の模式的な斜視図である。

輻射デバイス１００は、電磁波を輻射する。輻射デバイス１００は、熱エネルギーと電磁波エネルギーとを相互に変換可能である。輻射デバイス１００は、外部の熱エネルギーを電磁波エネルギーに変換して電磁波を輻射する。また、輻射デバイス１００は、外部の電磁波を吸収して電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換できる。

ここでは、輻射デバイス１００は、輻射デバイス１００に伝導した熱を用いて熱エネルギーを電磁波エネルギーに変換して電磁波を輻射する。輻射デバイス１００は、２次元メタマテリアル構造を有している。

輻射デバイス１００は、ミー共振器（Ｍｉｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）１１０と、負誘電体層１２０とを備える。ここでは、ミー共振器１１０は、負誘電体層１２０の一部の領域の上に配置される。ミー共振器１１０は、負誘電体層１２０に支持される。負誘電体層１２０は、ｘｙ平面に広がり、ミー共振器１１０は、負誘電体層１２０に対してｚ方向に延びるように配置される。ここでは、ミー共振器１１０は、負誘電体層１２０と接触している。

負誘電体層１２０の上面は、ｘｙ平面に広がる。ミー共振器１１０は、負誘電体層１２０の上面の上に配置される。ミー共振器１１０は、突起形状を有し、負誘電体層１２０から突出する。ミー共振器１１０の底面は、負誘電体層１２０に対向する。ミー共振器１１０の上面は、ｘｙ平面に広がる。

ミー共振器１１０は、誘電体を含み、正の誘電率を有する。ミー共振器１１０は、ミー共振を励起する。ミー共振が励起されることにより、外部から伝達された熱に応じて、特定の波長を有する電磁波がミー共振器１１０から散乱して輻射が行われる。詳しくは、ミー共振により、誘電体の内部に電気双極子および磁気双極子が励起される。この結果、特定の波長を有する電磁波がミー共振器１１０から散乱する。

ここでは、ミー共振器１１０は、円柱形状を有している。ミー共振器１１０が円柱形状であることにより、ミー共振器１１０の加工が容易になるとともに電磁波の偏光依存性を避けることができる。

ミー共振器１１０の径ｄは、０．５μｍ以上５μｍ以下であり、１μｍ以上３μｍ以下であってもよい。ミー共振器１１０の高さｈは、０．５μｍ以上５μｍ以下であり、１μｍ以上３μｍ以下であってもよい。

ミー共振器１１０は、誘電体を含む。ミー共振器１１０は、比較的高い誘電率を有する誘電体から構成される。例えば、ミー共振器１１０を構成する誘電体の誘電率は１０以上１８以下である。一例では、ミー共振器１１０は、ゲルマニウム（Ｇｅ）またはシリコン（Ｓｉ）を含む。ミー共振器１１０がゲルマニウム（Ｇｅ）から構成される場合、ミー共振器１１０の誘電率は１６．０以上１６．７以下である。また、ミー共振器１１０がシリコン（Ｓｉ）から構成される場合、ミー共振器１１０の誘電率は１２以上１５以下である。

ミー共振器１１０を構成する誘電体は、特に限定されないが、屈折率が３以上であることが好ましい。屈折率が３以上であることにより、誘電体の内部に電場および磁場をより強固に閉じ込めることができる。例えば、誘電体は、シリコン（Ｓｉ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、ヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）およびリン化ガリウム（ＧａＰ）のいずれかであり得る。これらの屈折率は３以上である。なお、シリコンは低損失の材料であるため、ミー共振器１１０をシリコンで形成することにより、ミー共振器１１０自体においてミー共振を効率的に励起できる。例えば、ミー共振器１１０は、シリコンを含む。シリコンの屈折率は約３．８である。

負誘電体層１２０は、負の誘電率を示す。負誘電体層１２０は、負の誘電率の材料を含む。

負誘電体層１２０は、金属を含む。負誘電体層１２０は、金属から構成された金属層であってもよい。典型的には、負誘電体層１２０が金属層である場合、負誘電体層１２０の誘電率はマイナス（負）となる。あるいは、負誘電体層１２０は、半導体層であってもよい。

負誘電体層１２０は、金属酸化物から構成された金属酸化層であってもよい。負誘電体層１２０は、可視光領域において透明であってもよい。一例として、負誘電体層１２０は、スズドープ酸化インジウム（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）を含んでもよい。

負誘電体層１２０は、高融点材料から構成されることが好ましい。これにより、輻射デバイス１００を高温環境下で用いる場合でも、輻射デバイス１００の特性が変化することを抑制できる。一例では、負誘電体層１２０の融点は、１０００℃以上であり、２０００℃以上であってもよい。

負誘電体層１２０の厚さは、特に限定されない。負誘電体層１２０の厚さは、ミー共振器１１０の高さｈよりも小さくてもよい。あるいは、負誘電体層１２０の厚さは、ミー共振器１１０の高さｈよりも大きくてもよい。

ここでは、負誘電体層１２０は、ミー共振器１１０と接触している。このため、ミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間において、表面プラズモン共鳴が誘起され、プラズモニック共振が励起する。

上述したように、ミー共振器１１０は比較的高い誘電率を有するのに対して、負誘電体層１２０は比較的低い誘電率を有する。少なくとも輻射デバイス１００から輻射される電磁波の波長に対して、ミー共振器１１０は比較的高い誘電率を有するのに対して、負誘電体層１２０は比較的低い誘電率を有する。

ミー共振器１１０におけるミー共振の角度依存性は低いため、輻射デバイス１００から輻射される電磁波の角度依存性は比較的低い。したがって、輻射デバイス１００は指向性を低くできる。このため、輻射デバイス１００は、広い角度範囲にわたって特定波長の電磁波をほぼ均一に放出できる。

輻射デバイス１００では、ミー共振器１１０の寸法、形状および誘電率（材料）、負誘電体層１２０の誘電率（材料）を調整することにより、輻射する電磁波の波長および強度を制御できる。このため、輻射デバイス１００は、ミー共振器１１０および負誘電体層１２０に応じた波長の電磁波を輻射する。

本実施形態では、ミー共振器１１０の近くに負誘電体層１２０が配置されることにより、ミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間で生じるプラズモニック共振が生じるため、ミー共振器１１０内で生じるミー共振と、ミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間で生じるプラズモニック共振との結合が強くなる。このため、ミー共振の損失が大きくなり、ミー共振に対応する特定波長の電磁波を効率的に輻射できる。

なお、ミー共振器１１０は、プラズモニック共振の有無にかかわらず、ミー共振を励起する。ただし、ミー共振だけでは、損失が生じにくい。本実施形態の輻射デバイス１００では、ミー共振器１１０および負誘電体層１２０により、ミー共振およびプラズモニック共振が結合するため、ミー共振の損失が生じ、特定波長の電磁波の吸収および輻射を増大できる。

輻射デバイス１００は、メタマテリアル技術で作製できる。例えば、ミー共振器１１０は、電子線リソグラフィまたはナノプリント技術を用いて形成できる。一例では、ミー共振器１１０は、印刷技術を用いて形成されてもよい。これにより、輻射デバイス１００を容易に作製できる。

なお、図１（ａ）に示した輻射デバイス１００では、ミー共振器１１０が負誘電体層１２０に支持されたが、本実施形態はこれに限定されない。負誘電体層１２０が薄い場合、および／または、負誘電体層１２０の強度が比較的低い場合、負誘電体層１２０は、別の支持部材に支持されてもよい。

また、図１（ａ）に示した輻射デバイス１００では、負誘電体層１２０に１つのミー共振器１１０が設けられたが、本実施形態はこれに限定されない。負誘電体層１２０に対して複数のミー共振器１１０が設けられてもよい。この場合、ミー共振器１１０は、所定の間隔に離れて配置されてもよい。

次に、図１（ｂ）を参照して、本実施形態の輻射デバイス１００を説明する。図１（ｂ）は、本実施形態の輻射デバイス１００の模式的な斜視図である。図１（ｂ）の輻射デバイス１００は、負誘電体層１２０に対して複数のミー共振器１１０が設けられる点を除いて、図１（ａ）に示した輻射デバイス１００と同様の構成を有している。このため、冗長を避けるために重複する説明を省略する。

図１（ｂ）に示すように、輻射デバイス１００は、複数のミー共振器１１０と、負誘電体層１２０とを備える。複数のミー共振器１１０は、周期的に配列される。図１（ｂ）の輻射デバイス１００は、図１（ａ）のミー共振器１１０が周期的に配列された構造を有する。例えば、周期Ｐは、２μｍ以上１０μｍ以下であり、３μｍ以上８μｍ以下であってもよい。負誘電体層１２０の上面の面積は、ミー共振器１１０の上面の面積よりも大きい。

例えば、複数のミー共振器１１０は、負誘電体層１２０に対してマトリクス状に配列される。ここでは、９個のミー共振器１１０が負誘電体層１２０に対して３行３列のマトリクス状に配列される。なお、図１（ｂ）では、複数のミー共振器１１０は、周期的に配列されているが、ランダムに配置されてもよい。

なお、図１に示した輻射デバイス１００では、負誘電体層１２０の上面の面積は、ミー共振器１１０の上面の面積よりも大きかったが、本実施形態はこれに限定されない。輻射デバイス１００において、負誘電体層１２０の上面の面積は、ミー共振器１１０の上面の面積とほぼ等しくてもよい。

次に、図２（ａ）を参照して、本実施形態の輻射デバイス１００を説明する。図２（ａ）は、本実施形態の輻射デバイス１００の模式的な斜視図である。

輻射デバイス１００は、ミー共振器１１０および負誘電体層１２０に加えて、基板１３０をさらに備える。基板１３０は、ミー共振器１１０および負誘電体層１２０を支持する。典型的には、基板１３０は、ミー共振器１１０の屈折率よりも低い値の屈折率を有する。

基板１３０の材料は、特に限定されない。例えば、基板１３０の材料は、石英（ＳｉＯ₂）および酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）のいずれかであり得る。また、基板１３０は、フレキシブルであってもよい。

ここでは、ミー共振器１１０の上面の面積は、負誘電体層１２０の上面の面積とほぼ等しい。例えば、ミー共振器１１０の径は、負誘電体層１２０の径とほぼ等しい。一方、ミー共振器１１０の高さｈは、負誘電体層１２０の高さｈ２よりも大きい。

基板１３０の上面の面積は、ミー共振器１１０の上面の面積よりも大きい。基板１３０の厚さは、ミー共振器１１０の高さｈよりも大きいことが好ましい。これにより、基板１３０は、ミー共振器１１０および負誘電体層１２０を充分に支持できる。ただし、基板１３０の厚さは、ミー共振器１１０の高さｈよりも小さくてもよい。

なお、図１および図２（ａ）に示した輻射デバイス１００では、ミー共振器１１０は、負誘電体層１２０と接触するとともにミー共振とプラズモニック共振とが結合したが、本実施形態はこれに限定されない。ミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間に別の部材が配置される一方で、ミー共振とプラズモニック共振とが結合してもよい。

次に、図２（ｂ）を参照して、本実施形態の輻射デバイス１００を説明する。図２（ｂ）は、本実施形態の輻射デバイス１００の模式的な斜視図である。

輻射デバイス１００は、ミー共振器１１０および負誘電体層１２０に加えて、ギャップ層１１０ｇをさらに備える。ギャップ層１１０ｇは、ミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間に位置する。例えば、ギャップ層１１０ｇの屈折率は、ミー共振器１１０の屈折率よりも低い。ギャップ層１１０ｇは、屈折率が１に近い材料で構成されることが好ましい。一例では、ギャップ層１１０ｇの屈折率は、１以上２以下である。

ここでは、ギャップ層１１０ｇの径は、ミー共振器１１０の径ｄとほぼ等しい。一方、ギャップ層１１０ｇは、比較的薄い。典型的には、ギャップ層１１０ｇの高さｈｇは、ミー共振器１１０の高さｈよりも小さい。このため、ミー共振器１１０においてミー共振が励起する一方で、ギャップ層１１０ｇを介してミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間でプラズモニック共振が励起する。したがって、ミー共振とプラズモニック共振との結合が強くなることから、ミー共振の損失が大きくなり、輻射が増大する。例えば、ギャップ層１１０ｇの厚さ（ｚ方向の長さ）は、０．０１μｍ以上１μｍ以下であり、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下である。

また、ギャップ層１１０ｇは、高融点材料から構成されることが好ましい。これにより、輻射デバイス１００を高温環境下で用いる場合でも、輻射デバイス１００の特性の変化を抑制できる。一例では、ギャップ層１１０ｇの融点は、１０００℃以上であり、２０００℃以上であってもよい。例えば、ギャップ層１１０ｇは酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を含む。

輻射デバイス１００では、ミー共振器１１０がギャップ層１１０ｇと接触する一方で、ギャップ層１１０ｇを介してミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間でプラズモニック共振が生じる。このため、特定波長の電磁波を効率的に輻射できる。

なお、図２（ｂ）に示した輻射デバイス１００では、ギャップ層１１０ｇの上面の面積は、ミー共振器１１０の上面の面積とほぼ等しかったが、本実施形態はこれに限定されない。ギャップ層１１０ｇの上面の面積は、ミー共振器１１０の上面の面積よりも広くてもよい。

次に、図２（ｃ）を参照して、本実施形態の輻射デバイス１００を説明する。図２（ｃ）は、本実施形態の輻射デバイス１００の模式的な斜視図である。図２（ｃ）に示した輻射デバイス１００は、ギャップ層１１０ｇの上面の面積がミー共振器１１０の上面の面積よりも大きい点を除いて、図２（ｂ）に示した輻射デバイス１００と同様の構成を有しており、冗長を避けるために重複する説明を省略する。

図２（ｃ）に示すように、輻射デバイス１００は、ミー共振器１１０と、負誘電体層１２０と、ギャップ層１１０ｇとをさらに備える。ギャップ層１１０ｇは、ミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間に位置する。ギャップ層１１０ｇの上面の面積は、ミー共振器１１０の上面の面積よりも大きい。この場合でも、ミー共振器１１０においてミー共振が励起される一方で、ギャップ層１１０ｇを介してミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間でプラズモニック共振が励起する。したがって、ミー共振とプラズモニック共振との結合が強くなることから、ミー共振の損失が大きくなり、輻射が増大する。

なお、上述した説明では、ミー共振器１１０は円柱形状を有したが、ミー共振器１１０の形状は、特に限定されない。例えば、ミー共振器１１０の形状は、楕円柱状であってもよい。あるいは、ミー共振器１１０の形状は、三角柱状や四角柱状のような多角形柱状、または、五線星形柱状や六線星形柱状のような星形柱状であってもよい。あるいは、ミー共振器１１０の形状は、円錐形状や三角錐形状のような錐形状であってもよい。あるいは、ミー共振器１１０の形状は、滴形状または樽形状であってもよい。

次に、図１〜図３を参照して本実施形態の輻射デバイス１００の光学特性を説明する。図３（ａ）は、本実施形態の輻射デバイス１００の模式的な斜視図であり、図３（ｂ）は、輻射デバイス１００において発生した磁気双極子共鳴を示す模式図である。また、図３（ｃ）は、輻射デバイス１００においてｘｚ平面内の電場分布および磁場分布を示すグラフである。なお、図３（ｃ）では、波長７．９μｍの電磁波を想定している。図３（ｄ）は、輻射デバイス１００における電磁波の波長および入射角に対する輻射率の分布を示すグラフである。

図３（ａ）に示すように、輻射デバイス１００は、ミー共振器１１０と、ギャップ層１１０ｇと、負誘電体層１２０とを備える。ここでは、ギャップ層１１０ｇは、ミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間に配置される。

ミー共振器１１０は、円柱形状を有する。ミー共振器１１０の高さｈは１．９μｍであり、ミー共振器１１０の径ｄは１．９μｍである。ミー共振器１１０はゲルマニウム（Ｇｅ）からなる。ミー共振器１１０の誘電率は１６．０であり、ミー共振器１１０の屈折率は４．０３である。

ギャップ層１１０ｇの厚さｈｇは、０．２μｍである。ギャップ層１１０ｇは酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる。ギャップ層１１０ｇの誘電率は１．３５であり、ギャップ層１１０ｇの屈折率は１．７である。

負誘電体層１２０はタングステン（Ｗ）からなる。負誘電体層１２０の誘電率は−９８０＋ｉ４００（実部：−９８０、虚部：４００）である。

図３（ａ）に示すように、ｘｚ平面内で振動する電場を有するｐ偏光およびｘｚ平面内で振動する磁場を有するｓ偏光が輻射デバイス１００に入射すると、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、ミー共振器１１０において、光の電場方向と垂直な方向に磁気双極子が励起され、その周囲に渦状の電場が発生する。このことから、ミー共振の磁気双極子モードが生じていることが理解される。

図３（ｄ）は、ｓ偏光が入射した時の吸収率を示す。なお、キルヒホッフの法則により、吸収率は放射率（輻射率）と等しいことが知られている。図３（ｄ）に示すように、輻射デバイス１００の輻射率は、波長約７．８μｍにおいて極めて高く、他の波長において極めて低い。このため、共振波長において、輻射率はほぼ１であり、共振波長以外の波長において、輻射率はほぼ０．０５である。この輻射デバイス１００のＱ値は、約１００である。このように、本実施形態の輻射デバイス１００は、高いＱ値を示す。このため、輻射デバイス１００は、特定波長の電磁波を選択的に輻射できる。

また、図３（ｄ）に示すように、輻射率は角度に応じてほとんど変化せず、共振波長は、角度にかかわらずほぼ一定である。このため、輻射デバイス１００は、熱エネルギーを電磁波エネルギーに効率的に変換して電磁波を輻射できる。

上述したように、輻射デバイス１００は、熱エネルギーを電磁波エネルギーとして外部に放出するため、輻射デバイス１００は、対象部材を冷却する放射冷却素子として用いることができる。輻射デバイス１００を放射冷却素子として用いる場合、輻射デバイス１００は、大気の吸収しにくい波長の電磁波を効率的に放出することが好ましい。典型的には、輻射デバイス１００から輻射される電磁波の波長は、８μｍ以上１３μｍ以下に設定される。このような輻射デバイス１００は、スカイラジエータとも呼ばれる。これにより、輻射デバイス１００は、熱エネルギーを電磁波エネルギーとして宇宙空間にまで放出できるため、地上を冷却できる。

図４（ａ）は、本実施形態の輻射デバイス１００を冷却素子として取り付けた冷却装置２００の模式図である。冷却装置２００は、熱源Ｈを有する冷却対象物２１０と、冷却対象物２１０の外面に取り付けられた輻射デバイス１００とを備える。図４（ａ）に示すように、輻射デバイス１００は、ミー共振器１１０が冷却対象物２１０に対して外側を向くように冷却対象物２１０に対して取り付けられることが好ましい。

図４（ａ）に示すように、輻射デバイス１００から輻射される電磁波が地球上の大気に吸収されると、最終的には、熱エネルギーは地球内にとどまることになる。一方で、輻射デバイス１００から輻射される電磁波は、地球上の大気に吸収されないと、宇宙空間にまで到達できる。

空気中の大気は、波長８μｍ以上１３μｍ以下の電磁波をほとんど吸収しないことが知られており、波長８μｍ以上１３μｍ以下の範囲は、大気の窓とも呼ばれる。このため、輻射デバイス１００から輻射される電磁波の波長は８μｍ以上１３μｍ以下に設定されることが好ましい。

輻射デバイス１００は、駆動電力を必要とせずに、冷却対象物２１０を冷却できる。このため、環境およびコストの負荷をかけることなく、不要なエネルギーを用いなくても冷却対象物２１０を冷却できる。

例えば、冷却装置２００において、冷却対象物２１０は、建物であってもよい。輻射デバイス１００が建物を冷却する場合、輻射デバイス１００は、建物の屋上に取り付けられることが好ましい。

あるいは、近年、データ処理量の増大に伴い、大型サーバー等の情報処理装置による熱の発生が問題となっている。このため、冷却装置２００において、冷却対象物２１０は、情報処理装置の設置された部屋であってもよい。この場合、輻射デバイス１００は、情報処理装置の設置された部屋の外壁または窓に取り付けられることが好ましい。

また、冷却装置２００において、冷却対象物２１０は、移動機器であってもよい。一例として、移動機器は自動車を含む。輻射デバイス１００が自動車を冷却する場合、輻射デバイス１００は、自動車のルーフに取り付けられることが好ましい。

また、冷却装置２００において、冷却対象物２１０は、電子機器であってもよい。一例として、電子機器は、半導体装置であってもよい。例えば、電子機器は、スマートフォンまたはパーソナルコンピュータを含む。

図４（ｂ）は、輻射デバイス１００の輻射率を示すグラフである。理想的には、波長８μｍ以上１３μｍ以下の範囲では輻射デバイス１００の輻射率は１であり、波長８μｍ未満の範囲では輻射デバイス１００の輻射率は０であり、波長１３μｍを超える範囲では輻射デバイス１００の輻射率は０である。

なお、図４（ｂ）では、説明のために、輻射デバイス１００の輻射率が、波長８μｍ以上１３μｍ以下の範囲にわたって１であることを示している。ただし、輻射デバイス１００のＱ値を高くすることにより、波長８μｍ以上１３μｍ以下の範囲の特定の波長において、輻射デバイス１００の輻射率が高くてもよいことは言うまでもない。

なお、図４を参照して、輻射デバイス１００を放射冷却素子として用いた形態を説明したが、本実施形態はこれに限定されない。輻射デバイス１００は、特定波長の電磁波を効率的に放出する熱輻射エミッターとして用いてもよい。例えば、輻射デバイス１００は、輻射デバイス１００から輻射される電磁波の波長が、加熱対象物に吸収されやすい波長になるように設定されることが好ましい。例えば、輻射デバイス１００から輻射される電磁波の波長は、人体、特定のポリマー、塗料の特定成分の吸収に適したように設定されてもよい。また、輻射デバイス１００は、特定波長の電磁場を吸収するセンシング機器として用いてもよい。

輻射デバイス１００の輻射スペクトルのピーク波長は、１μｍ以上１０００μｍ以下であってもよい。また、輻射デバイス１００の輻射スペクトルのピーク波長は、１．５μｍ以上１００μｍ以下であってもよく、２μｍ以上２０μｍ以下であってもよい。

なお、図３（ｄ）に示した輻射デバイス１００では、輻射スペクトルのピーク波長は約７．８μｍであったが、本実施形態は、これに限定さない。輻射スペクトルのピーク波長は、別の波長であってもよい。

次に、図５および図６を参照して、本実施形態の輻射デバイス１００を説明する。図５は輻射デバイス１００の模式的な斜視図である。

図５に示すように、輻射デバイス１００は、ミー共振器１１０と、ギャップ層１１０ｇと、負誘電体層１２０とを備える。ギャップ層１１０ｇは、ミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間に配置される。ここでは、ギャップ層１１０ｇの上面の面積は、ミー共振器１１０の上面の面積よりも大きい。

ミー共振器１１０は、円柱形状を有する。ミー共振器１１０の高さｈは１．０μｍであり、ミー共振器１１０の径ｄは１．０μｍである。ミー共振器１１０はゲルマニウム（Ｇｅ）からなる。ミー共振器１１０の誘電率は１６．０であり、ミー共振器１１０の屈折率は４．０３である。

ギャップ層１１０ｇの厚さｈｇは、２０ｎｍである。ギャップ層１１０ｇは酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる。ギャップ層１１０ｇの誘電率は１．３５であり、ギャップ層１１０ｇの屈折率は１．７である。

負誘電体層１２０はタングステン（Ｗ）からなる。負誘電体層１２０の誘電率は−９８０＋ｉ４００（実部：−９８０、虚部：４００）である。

図６（ａ）は、図５に示した輻射デバイス１００においてｘｚ平面内の電場分布を示すグラフであり、図６（ｂ）は、上記輻射デバイス１００においてｘｚ平面内の磁場分布を示すグラフである。ここでは、有限差分時間領域法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ：ＦＤＴＤ）を用いて、波長３．９５μｍのｘ−ｚ断面の電場分布およびｙ−ｚ断面の磁場分布を取得した。光が輻射デバイス１００に入射すると、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、ミー共振器１１０において、光の電場方向と垂直な方向に磁気双極子が励起され、その周囲に渦状の電場が発生する。また、ギャップ層１１０ｇ内では表面プラズモンが励起されており、ミー共振とカップリングしている。

図６（ｃ）は、輻射デバイス１００における波長に応じた輻射率（吸収率）を示す輻射スペクトル（吸収スペクトル）を示すグラフである。図６（ｃ）の輻射スペクトルは、輻射デバイス１００に対して光を垂直に入射させた場合の輻射スペクトルを示す。また、図６（ｃ）には、参考のためにＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）プラズモニック共振器の輻射率（吸収率）を併せて示す。

図６（ｃ）に示すように、輻射デバイス１００の輻射スペクトルのピーク波長は３．９５μｍである。輻射デバイス１００の輻射スペクトルは、ＭＩＭプラズモニック共振器の輻射スペクトルと比べてかなり狭い。

輻射デバイス１００のピーク波長における吸収率は０．９６であり、Ｑ値は８６．３である。輻射デバイス１００は、ピーク波長（共振波長）以外の波長の電磁波における吸収率は０．１未満である。一方、ＭＩＭプラズモニック共振器のＱ値は約１４である。輻射デバイス１００によれば、ＭＩＭプラズモニック共振器と比べて、特定波長以外の波長の電磁波に対する吸収および輻射を抑制できる。

なお、図３および図６を参照した説明から理解されるように、輻射デバイス１００の構造の変更により、輻射のピーク波長を変更できる。特に、輻射のピーク波長は、ミー共振器１１０の直径に大きく依存する。典型的には、ミー共振器１１０の直径が短くなると、輻射のピーク波長も短くなる。ただし、ミー共振器１１０の直径が短い場合、ミー共振器１１０に電場および磁場を強く閉じ込める必要が生じるが、ミー共振器１１０から電磁場が漏れるため、Ｑ値が小さくなる傾向がある。

なお、図３および図６には、１つのミー共振器１１０を備えた輻射デバイス１００のシミュレーション結果を示したが、輻射デバイス１００は、複数のミー共振器１１０を備えてもよい。また、複数のミー共振器１１０は、周期構造に配列されてもよい。

次に、図７および図８を参照して、本実施形態の輻射デバイス１００を説明する。図７（ａ）は、本実施形態の輻射デバイス１００の模式的な斜視図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の輻射デバイス１００の一部を拡大した側面図である。

図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、輻射デバイス１００は、ミー共振器１１０と、ギャップ層１１０ｇと、負誘電体層１２０とを備える。ここでは、ギャップ層１１０ｇは、ミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間に配置される。

ミー共振器１１０は、円柱形状を有する。ミー共振器１１０の高さｈは２．０μｍであり、ミー共振器１１０の径ｄは１．９６μｍである。ミー共振器１１０はゲルマニウム（Ｇｅ）からなる。ミー共振器１１０の誘電率は１６．０であり、ミー共振器１１０の屈折率は４．０３である。また、ミー共振器１１０の周期Ｐは、６．１μｍである。

ギャップ層１１０ｇの厚さｈｇは、２５ｎｍである。ギャップ層１１０ｇは酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる。ギャップ層１１０ｇの誘電率は１．３５であり、ギャップ層１１０ｇの屈折率は１．７である。

負誘電体層１２０はタングステン（Ｗ）からなる。負誘電体層１２０の誘電率は−９８０＋ｉ４００（実部：−９８０、虚部：４００）である。

図８（ａ）は、輻射デバイス１００の垂直方向（９０°）の熱輻射スペクトルを示す。図８（ａ）には、参考のために、温度１００℃の擬似黒体輻射スペクトルを併せて示す。

図８（ａ）に示すように、輻射デバイス１００における輻射のピーク波長は７．９６μｍである。また、擬似黒体輻射スペクトルとの比較から理解されるように、輻射デバイス１００からの輻射は、特定の波長以外では充分に抑制されている。輻射デバイス１００のピーク波長（７．９６μｍ）におけるＱ値は１３２である。

図８（ｂ）は、輻射デバイス１００における電磁波の波長および入射角に対する輻射強度の分布を示すグラフである。図８（ｂ）は、ｓ偏光が入射した時の輻射強度を示す。図８（ｂ）に示すように、輻射デバイス１００の輻射率は、波長約７．８μｍにおいて極めて高く、他の波長において極めて低い。また、輻射デバイス１００は、入射角に対して輻射角０〜４０°の範囲にわたって１．５×１０⁶Ｗｍ^-2ｍ^-1ｓｒ^-1以上の熱輻射強度を維持できる。

図８（ｃ）は、輻射デバイス１００の熱輻射スペクトルを示す。図８（ｃ）は、波長範囲を７．０μｍ〜９．０μｍの範囲としている。図８（ｃ）には、参考のためにＭＩＭプラズモニック共振器の輻射強度を併せて示す。

図８（ｃ）に示すように、輻射デバイス１００の熱輻射スペクトルのピーク波長は７．９６μｍであり、Ｑ値は１３２である。一方、ＭＩＭプラズモニック共振器のＱ値は約１４である。輻射デバイス１００によれば、広い角度にわたって変化の少ない輻射を狭い波長領域で実現できるため、低指向性のエミッターに適用できる。

次に、図９および図１０を参照して、本実施形態の輻射デバイス１００の製造プロセスおよび光学特性を説明する。図９（ａ）〜図９（ｆ）は、輻射デバイス１００の製造プロセスを示す模式図である。

図９（ａ）に示すように、積層体Ｌを形成する。積層体Ｌは、シリコン基板Ｓと、クロム層Ｃｒと、タングステン層Ｗと、酸化アルミニウム層ＡＯと、ゲルマニウム層Ｇとをこの順番に積層する。積層体Ｌは、電子ビーム（ＥＢ）蒸着または高周波（ＲＦ）スパッタリングによって作製される。

図９（ｂ）に示すように、ゲルマニウム層Ｇの表面を選択的に覆う所定パターンのフォトレジストＰｒを形成する。フォトレジストＰｒは、マスクレス露光で作製できる。

図９（ｃ）に示すように、電子ビーム（ＥＢ）蒸着により、ゲルマニウム層ＧおよびフォトレジストＰｒを覆う酸化アルミニウム層ＡＯｍを形成する。

図９（ｄ）に示すように、リフトオフを行う。リフトオフにより、積層体Ｌから、フォトレジストＰｒおよびフォトレジストＰｒ上の酸化アルミニウム層ＡＯｍを取り除く。

図９（ｅ）に示すように、積層体Ｌのゲルマニウム層Ｇを覆う酸化アルミニウム層ＡＯｍをマスクとして利用してイオンエッチングを行い、積層体Ｌのゲルマニウム層Ｇを選択的に除去する。

図９（ｆ）に示すように、マスクとして用いた酸化アルミニウム層ＡＯｍを除去する。これにより、ミー共振器１１０が作製される。この場合、ゲルマニウム層Ｇがミー共振器１１０となり、酸化アルミニウム層ＡＯは、ギャップ層１１０ｇとなり、タングステン層Ｗは負誘電体層１２０となる。

なお、ここでは、図７および図８を参照してシミュレーション結果を説明した輻射デバイス１００を作製した。ミー共振器１１０は、円柱形状を有する。ミー共振器１１０の高さは２．０μｍであり、ミー共振器１１０の径は１．９６μｍである。また、ミー共振器１１０の周期は、６．１μｍである。ギャップ層１１０ｇの厚さは、２５ｎｍである。

図１０は、図９に示したプロセスにしたがって製造した輻射デバイス１００の垂直方向（９０°）における熱輻射スペクトルを示すグラフである。図１０のグラフは、輻射デバイス１００を１００℃まで加熱して真空中で輻射スペクトルを測定した結果を示す。図１０には、参考のために、温度１００℃の擬似黒体輻射スペクトルを併せて示す。

図１０に示すように、輻射デバイス１００の共振波長は７．８２μｍである。輻射デバイス１００の輻射率は０．８４であり、Ｑ値は３３．７であり、いずれも高かった。また、擬似黒体輻射スペクトルとの比較から理解されるように、輻射デバイス１００からの輻射は、特定の波長以外では充分に抑制されている。

なお、上述した説明では、負誘電体層１２０は、金属から形成されたが、本実施形態は、これに限定されない。負誘電体層１２０は、金属酸化物から形成されてもよい。例えば、負誘電体層１２０は、可視光に対して透明な導電層であってもよい。一例では、負誘電体層１２０は、スズドープ酸化インジウム（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）から形成されてもよい。

次に、図１１を参照してＩＴＯの光学特性を説明する。図１１（ａ）は、ＩＴＯの屈折率の波長依存性を示すグラフである。図１１（ａ）は、Ｇｏｖｉｎｄ Ｄａｙａｌ ａｎｄ Ｓ． Ａｎａｎｔｈａ Ｒａｍａｋｒｉｓｈｎａ，ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ Ｖｏｌ．２２， Ｎｏ．１２，１５１０４（２０１４） ＤＯＩ：１０．１３６４／ＯＥ．２２．０１５１０４「Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｗｉｔｈ ｖｉｓｉｂｌｅ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ ｕｓｉｎｇ ＩＴＯ ａｓ ｇｒｏｕｎｄ ｐｌａｎｅ」に記載の理論式およびパラメータを用いて取得した結果を示す。図１１（ｂ）は、ＩＴＯの反射率の波長依存性を示すグラフであり、図１１（ｃ）は、ＩＴＯの透過率の波長依存性を示すグラフである。図１１（ｂ）および図１１（ｃ）は、ガラス基上に形成したＩＴＯの光学特性を測定した測定結果を示す。なお、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）は、ガラス基上のＩＴＯの反射率および透過率をそれぞれ示す一方で、参考のためにガラス基板自体の反射率および透過率を併せて示す。

図１１（ａ）に示すように、波長０．５μｍ未満の範囲では、ＩＴＯの屈折率ｎは、消衰係数ｋよりも大きい。一方で、波長２μｍ〜１５μｍの範囲にわたって、ＩＴＯの屈折率ｎは、消衰係数ｋよりも小さい。このため、少なくとも波長２μｍ〜１５μｍの範囲において、負誘電体層１２０の材料としてＩＴＯを用いることができる。

図１１（ｂ）に示すように、ＩＴＯの反射率は、波長２μｍ〜１６μｍの範囲にわたってガラス基板よりも高い。特に、ＩＴＯの反射率は、波長４μｍ〜１６μｍの範囲にわたって０．７を越えており、この波長範囲において、ＩＴＯは、いわゆる金属と同様に光を反射する。一方で、ガラス基板は、波長８μｍ〜１０μｍの範囲において部分的に高い反射率を示す一方で、他の波長では、比較的低い反射率を示す。

また、図１１（ｃ）に示すように、ＩＴＯの透過率は、波長２μｍ〜１６μｍの範囲にわたって比較的低い。詳細には、ＩＴＯの透過率は、波長２μｍ〜５μｍの範囲にわたって０．１〜０．２であるものの、波長５μｍ〜１６μｍの範囲では、ＩＴＯの透過率は、０．１未満である。一方で、ガラス基板の透過率は、波長５μｍ〜１６μｍの範囲では、０．１未満であるものの、波長２μｍ〜５μｍの範囲にわたって０．５を越える。

このため、輻射デバイス１００の負誘電体層１２０をＩＴＯから形成した場合、輻射デバイス１００は、いわゆる通常のガラス基板と比べて、波長２μｍ〜１６μｍの範囲の電磁波を効果的に反射しつつ、電磁波の透過を抑制できる。このため、ＩＴＯから形成された負誘電体層１２０を備える輻射デバイス１００は、可視光に対して透明で、かつ、外部からの電磁波の進入に伴う温度の上昇を抑制する冷却素子として好適に用いられる。

このように、負誘電体層１２０は、可視光領域において透明であってもよい。例えば、輻射デバイス１００は、太陽電池または窓部材として好適に用いられる。これにより、可視光を透過させて有効に活用可能とする一方で、可視光以外の電磁波を遮断でき、太陽電池自体または窓部材に覆われた室内を冷却できる。

なお、輻射デバイス１００において、負誘電体層１２０は、相転移によって誘電率が変化することで形成されてもよい。例えば、負誘電体層１２０は、周囲環境に応じて相転移することによって形成されてもよい。一例では、負誘電体層１２０は、温度に応じて相転移して形成されてもよい。本明細書において、相転移によって負誘電体層１２０となる層を相転移層と記載する。

次に、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）を参照して本実施形態の輻射デバイス１００を説明する。図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、本実施形態の輻射デバイス１００の模式的な斜視図である。

図１２（ａ）に示すように、輻射デバイス１００は、ミー共振器１１０と、相転移層１２０ｓとを備える。ここでは、相転移層１２０ｓの上面の面積は、ミー共振器１１０の上面の面積よりも大きい。

相転移層１２０ｓは、金属相と誘電体相との間で相転移する。例えば、相転移層１２０ｓの厚さは、０．２μｍ以上５μｍ以下であり、０．３μｍ以上３μｍ以下であってもよい。

相転移に応じて、相転移層１２０ｓの屈折率は変化する。相転移層１２０ｓの屈折率は、ミー共振器１１０の屈折率よりも低い値に変化できる。また、相転移層１２０ｓの屈折率は、ミー共振器１１０の屈折率に近い値に変化してもよい。

相転移層１２０ｓは、相転移材料を含む。相転移材料は、金属相と誘電体相との間で相転移する。例えば、相転移材料は、環境に応じて金属相と誘電体相との間で相転移する。一例としては、相転移材料は、温度に応じて金属相と誘電体相との間を相転移する。

ここでは、輻射デバイス１００は、基板１３０をさらに備える。基板１３０は、ミー共振器１１０および相転移層１２０ｓを支持する。典型的には、基板１３０は、ミー共振器１１０の屈折率よりも低い値の屈折率を有する。

図１２（ｂ）に示すように、相転移材料が金属相になると、相転移層１２０ｓは負誘電体層１２０に変化する。このとき、ミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間において、表面プラズモン共鳴が誘起され、プラズモニック共振が励起する。この場合、上述したように、ミー共振器１１０内で生じるミー共振と、ミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間で生じるプラズモニック共振との結合が強くなる。このため、ミー共振の損失が大きくなり、ミー共振に対応する特定波長の電磁波を効率的に輻射できる。

図１２（ｃ）に示すように、相転移材料が誘電体相になると、相転移層１２０ｓは誘電体層１２０ｄに変化する。このとき、ミー共振器１１０と誘電体層１２０ｄとの間において、表面プラズモン共鳴が誘起されず、プラズモニック共振は励起されない。したがって、特定波長の電磁波は実質的に輻射されない。

このように、相転移層１２０ｓは、相転移によって、負誘電体層１２０または誘電体層１２０ｄに変化する。例えば、相転移層１２０ｓが金属相になるとき、相転移層１２０ｓは負誘電体層１２０に変化する。また、相転移層１２０ｓが誘電体相になるとき、相転移層１２０ｓは誘電体層１２０ｄに変化する。輻射デバイス１００が相転移層１２０ｓを備えることにより、電磁波の輻射を制御できる。

なお、輻射デバイス１００を冷却素子として用いる場合、高温のときに相転移層１２０ｓが負誘電体層１２０に変化し、低温のときに相転移層１２０ｓが誘電体層１２０ｄに変化することが好ましい。輻射デバイス１００は、環境に適応して電磁波の輻射を制御することが好ましい。

輻射デバイス１００は、輻射率を切り替え可能であることが好ましい。例えば、輻射デバイス１００は、低温時には輻射率が低く、高温時には輻射率が高いことが好ましい。これにより、低温時には、輻射デバイス１００は輻射をあまり行わず、温度を低下させない一方で、高温時には、輻射デバイス１００は高効率で輻射を行うため、輻射デバイス１００の温度を低下できる。これにより、輻射デバイス１００は、昼および／または夏等の温度の高い時には、対象物を冷却する一方で、夜および／または冬等の温度の低い時には、対象物をほとんど冷却しないため、対象物を必要以上に冷却することを抑制できる。このため、輻射デバイス１００は、冷却機能および／または加熱機能を切り替えることができる。

相転移層１２０ｓの誘電率が低下すると、ミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間でプラズモニック共振が生じるため、ミー共振器１１０内で生じるミー共振と、ミー共振器１１０と負誘電体層１２０との間で生じるプラズモニック共振との結合が強くなり、ミー共振の損失が大きくなり、輻射が増大することになる。一方、相転移層１２０ｓの誘電率が増大すると、ミー共振器１１０と誘電体層１２０ｄとの間ではプラズモニック共振が生じないため、ミー共振の損失が減少し、輻射が低減する。

相転移材料は、二酸化バナジウム（ＶＯ₂）を含むことが好ましい。典型的には、二酸化バナジウムは、約６８℃（約３４１Ｋ）の相転移温度を有する。二酸化バナジウムは、相転移温度よりも低い温度の場合、二酸化バナジウムの結晶構造は単斜晶系構造に変化して誘電体相になる。一方、二酸化バナジウムは、相転移温度よりも高い温度の場合、正方晶系構造に変化して金属相になる。このため、二酸化バナジウムの屈折率および抵抗率は、温度に応じて大きく変化する。

相転移材料が二酸化バナジウム（ＶＯ₂）である場合、相転移温度よりも低い場合の相転移層１２０ｓの誘電率は約１０である。また、相転移温度よりも高い場合の相転移層１２０ｓの誘電率はマイナスに変化する。

さらに、二酸化バナジウムは、可視光において半透明であり、高い透過率を有する。このため、輻射デバイス１００は、太陽電池に搭載された冷却素子として用いることができる。

なお、相転移材料にドーパントをドープすることより、相転移温度を変更できる。典型的な条件下において、相転移を簡易に実行するためには、相転移温度は、室温（２５℃）に近いことが好ましい。

例えば、相転移材料が二酸化バナジウムを含む場合、ドーパントとしてタングステンを二酸化バナジウムにドープすることにより、相転移温度を室温に近づけることができる。例えば、タングステンを１．５モル％にすることにより、相転移温度を約４０℃（３１０Ｋ）に変更できる。さらにタングステンを３．３モル％にすることにより、相転移温度を約０℃（２７０Ｋ）に変更できる。

ドーパントは、タングステン（Ｗ）以外に、チタン（Ｔｉ）であってもよい。あるいは、ドーパントは、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）およびフッ素（Ｆ）のいずれかであってもよい。

なお、相転移材料として二酸化バナジウムを用いた場合、ドーピングによって相転移温度を充分に調整できる一方で、ドーピングにかかわらず光学特性（透過率、反射率、屈折率および消衰係数）はほとんど変化しないことが知られている。相転移温度を調整しても、輻射デバイス１００の光学特性には大きく影響しない。

あるいは、相転移材料は、ＧｅＳｂＴｅの合金を含んでもよい。典型的には、ＧｅＳｂＴｅの相転移温度は約３００℃である。合金は、さらに酸素を含有してもよい。

なお、輻射デバイス１００は、メタマテリアル技術で作製できる。例えば、レーザーを用いて、基板１３０の上に相転移層を堆積した後で、レジストを塗布してパターニングしてシリコンを蒸着させる。その後で、レジストを除去することによって、輻射デバイス１００を作製できる。

なお、図１２（ａ）に示した輻射デバイス１００では、相転移層１２０ｓの上面の面積は、ミー共振器１１０の上面の面積よりも大きかったが、本実施形態はこれに限定されない。輻射デバイス１００において、負誘電体層１２０の上面の面積は、ミー共振器１１０の上面の面積とほぼ等しくてもよい。

次に、図１３（ａ）を参照して、本実施形態の輻射デバイス１００を説明する。図１３（ａ）は、本実施形態の輻射デバイス１００の模式的な斜視図である。図１３（ａ）に示した輻射デバイス１００は、相転移層１２０ｓに対して複数のミー共振器１１０が配置されている点を除いて、図１２（ａ）に示した輻射デバイス１００と同様の構成を有している。このため、冗長を避けるために重複する説明を省略する。

図１３（ａ）に示すように、輻射デバイス１００は、複数のミー共振器１１０と、相転移層１２０ｓと、基板１３０とを備える。複数のミー共振器１１０は、相転移層１２０ｓに対してマトリクス状に配列される。ここでは、９個のミー共振器１１０が相転移層１２０ｓに対して３行３列のマトリクス状に配列される。

なお、図１２および図１３（ａ）に示した輻射デバイス１００では、相転移層１２０ｓの上面の面積は、ミー共振器１１０の上面の面積よりも大きかったが、本実施形態はこれに限定されない。輻射デバイス１００において、相転移層１２０ｓの上面の面積は、ミー共振器１１０の上面の面積とほぼ等しくてもよい。

次に、図１３（ｂ）を参照して、本実施形態の輻射デバイス１００を説明する。図１３（ｂ）は、本実施形態の輻射デバイス１００の模式的な斜視図である。

図１３（ｂ）に示した輻射デバイス１００において、相転移層１２０ｓの上面の面積は、ミー共振器１１０の上面の面積とほぼ等しい。また、基板１３０の上面の面積は、相転移層１２０ｓの上面の面積よりも大きい。

次に、図１４を参照して、偏光に応じた電磁波の波長に対する輻射デバイス１００の輻射率を説明する。図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、電磁波の波長に対する輻射デバイス１００の輻射率を示すグラフである。

図１４（ａ）に示すように、周囲温度が相転移層１２０ｓの相転移温度よりも低い場合、波長１５μｍ以下の範囲では輻射デバイス１００の輻射率は０である。これにより、輻射デバイス１００は、低温時に実質的に輻射しない。

一方、図１４（ｂ）に示すように、周囲温度が相転移層１２０ｓの相転移温度よりも高い場合、波長８μｍ以上１３μｍ以下の範囲では輻射デバイス１００の輻射率は１であり、波長８μｍ未満の範囲では輻射デバイス１００の輻射率は０であり、波長１３μｍを超える範囲では輻射デバイス１００の輻射率は０である。これにより、輻射デバイス１００は、高温時には、特定波長において効率的に輻射する。

このように、周囲温度が相転移層１２０ｓの相転移温度よりも高いか否かに応じて輻射デバイス１００における特定波長の輻射率が変化することが好ましい。なお、図１４では、発明の理解を容易にするために、特定波長の輻射率が輻射率０と輻射率１との間で変化したが、本実施形態はこれに限定されない。ただし、輻射デバイス１００における輻射率は、低温度において比較的低く、高温度において比較的高いことが好ましい。

次に、図１５を参照して、相転移層１２０ｓに応じた電磁波の波長に対する輻射デバイス１００の輻射率の変化を説明する。図１５（ａ）は、本実施形態の輻射デバイス１００の模式的な斜視図である。

輻射デバイス１００は、ミー共振器１１０と、相転移層１２０ｓと、基板１３０とを備える。ミー共振器１１０は、円柱形状を有する。ミー共振器１１０はシリコン（Ｓｉ）からなる。ミー共振器１１０の誘電率は１２以上１５以下であり、ミー共振器１１０の屈折率は３．８である。

基板１３０は、Ｓｉ（１００）基板である。基板１３０の誘電率は１２以上１５以下であり、基板１３０の屈折率は約３．８である。

相転移層１２０ｓは、基板１３０を覆う。相転移層１２０ｓの厚さは０．５μｍである。相転移層１２０ｓは、金属相と誘電体相との間で相転移する。相転移層１２０ｓは、二酸化バナジウムから形成される。金属相である場合、相転移層１２０ｓの誘電率の実部は−７０〜−６０である。誘電体相である場合、相転移層１２０ｓの誘電率の実部は１〜６であり、相転移層１２０ｓの屈折率は２〜３である。

ここでは、相転移層１２０ｓの上には、相転移層１２０ｓに当接して４つのミー共振器１１０が配置される。４つのミー共振器１１０は、それぞれ円柱形状である。４つのミー共振器１１０は、第１共振器１１０ａと、第２共振器１１０ｂと、第３共振器１１０ｃと、第４共振器１１０ｄとを含む。

４つのミー共振器１１０はマトリクス状に配列される。第１共振器１１０ａおよび第２共振器１１０ｂはｘ方向に隣接して配置され、第３共振器１１０ｃおよび第４共振器１１０ｄはｘ方向に隣接して配置される。第１共振器１１０ａおよび第３共振器１１０ｃはｙ方向に隣接して配置され、第２共振器１１０ｂおよび第４共振器１１０ｄはｙ方向に隣接して配置される。

第１共振器１１０ａ〜第４共振器１１０ｄの高さは２μｍである。第１共振器１１０ａおよび第４共振器１１０ｄのそれぞれの径は２．５μｍであり、第２共振器１１０ｂおよび第３共振器１１０ｃのそれぞれの径は１．８μｍである。４つのミー共振器１１０の距離、すなわち、第１共振器１１０ａと第２共振器１１０ｂとの距離、第２共振器１１０ｂと第４共振器１１０ｄとの距離、および、第１共振器１１０ａと第３共振器１１０ｃとの距離は、それぞれ４．５μｍである。

以上の条件において、厳密結合波解析（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＲＣＷＡ）法を用いて輻射デバイス１００の輻射率を取得した。

図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示した輻射デバイス１００において電磁波の波長に対する輻射率を示すグラフである。図１５（ｂ）において、相転移温度以上は、相転移層１２０ｓが負誘電体層１２０である状態を示し、相転移温度未満は、相転移層１２０ｓが誘電体層１２０ｄである状態を示す。

図１５（ｂ）に示すように、相転移層１２０ｓが負誘電体層１２０である場合、輻射デバイス１００は、高い輻射率を示す。輻射デバイス１００の輻射率は、特に、波長８μｍ以上１３μｍ以下の範囲において高い値を示す。一方、相転移層１２０ｓが誘電体層１２０ｄである場合、輻射デバイス１００の輻射率は大きく減少する。

次に、図１６を参照して、偏光に応じた電磁波の波長に対する輻射デバイス１００の輻射率を説明する。図１６（ａ）は、ｓ偏光の電磁波の入射された本実施形態の輻射デバイス１００を示す模式図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）に示した輻射デバイス１００において電磁波の波長に対する輻射率を示すグラフである。

図１６（ａ）に示すように、ｘｚ平面内で振動する磁場を有するｓ偏光が角度θの入射角で輻射デバイス１００に入射すると、輻射デバイス１００の輻射率は、図１６（ｂ）に示すように変化する。図１６（ｂ）に示すように、輻射率は、角度にほとんど依存しない。また、輻射率は、波長８μｍ以上１３μｍ以下の範囲において高い値を示す。このため、輻射デバイス１００は、広い角度範囲にわたって波長８μｍ以上１３μｍ以下の電磁波を充分に輻射できるため、高い冷却能力を有することが理解される。

また、図１６（ｃ）は、ｐ偏光の電磁波の入射された本実施形態の輻射デバイス１００の模式図であり、図１６（ｄ）は、図１６（ｃ）の輻射デバイス１００において電磁波の波長に対する輻射率を示すグラフである。

図１６（ｃ）に示すように、ｘｚ平面内で振動する磁場を有するｓ偏光が角度θの入射角で輻射デバイス１００に入射すると、輻射デバイス１００の輻射率は、図１６（ｄ）に示すように変化する。図１６（ｄ）に示すように、輻射率は、角度にそれほど依存しない。また、輻射率は、波長８μｍ以上１３μｍ以下の範囲において高い値を示す。このため、輻射デバイス１００は、広い角度範囲にわたって波長８μｍ以上１３μｍ以下の電磁波を充分に輻射できるため、高い冷却能力を有することが理解される。

次に、図１７を参照して輻射デバイス１００の輻射スペクトルおよび冷却能力を説明する。図１７（ａ）は、本実施形態の輻射デバイス１００の輻射スペクトルを示すグラフである。図１７（ａ）は、入射角を０°以上８０°以下の範囲で２°ごとに変化させ、偏光角を１５°ごとに変化させ、波長を３μｍ以上１５μｍ以下の範囲で５０ｎｍごとに変化させて計算した結果を示す。

図１７（ａ）に示すように、輻射デバイス１００の輻射率は、波長８μｍ〜１３μｍの範囲において比較的高い値を示す。また、輻射デバイス１００の温度が増加するにつれて、輻射率も増加する。

図１７（ａ）に示した結果から、輻射デバイス１００の冷却能力を求めたところ、輻射デバイス１００の冷却能力は、温度７０℃では２１１Ｗ／ｍ²であり、温度８０℃では２４０Ｗ／ｍ²である。また、輻射デバイス１００の冷却能力は、温度９０℃では２７３Ｗ／ｍ²であり、温度１００℃では３０８Ｗ／ｍ²である。

比較のために、図１７（ｂ）に黒体輻射スペクトルを示す。図１７（ｂ）は、黒体輻射スペクトルを示すグラフである。図１７（ａ）と図１７（ｂ）との比較から、輻射デバイス１００は、黒体と同程度の輻射スペクトルを有していることが理解される。

上述したように、相転移層１２０ｓは、二酸化バナジウム（ＶＯ₂）を含んでもよい。典型的には、温度が低くなると、ＶＯ₂は、負誘電体から誘電体に相転移する。ただし、ＶＯ₂は、特定の波長の電磁波に対して、温度が低くなっても、相転移することなく負誘電体のままであってもよい。

以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明した。但し、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施形態として実施することが可能である。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明の形成が可能である。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の個数等は、図面作成の都合から実際とは異なる場合もある。また、上記の実施形態で示す各構成要素は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果を実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本実施形態の輻射デバイスは、種々の用途に適用可能である。例えば、本実施形態の輻射デバイスは、熱輻射エミッター、特に、放射冷却素子として好適に用いられる。

１００ 輻射デバイス
１１０ ミー共振器
１２０ 負誘電体層
１３０ 基板

Claims (11)

1. 誘電体を含み、ミー共振を励起するミー共振器と、
   負の誘電率を有する負誘電体層と
   を備え、
   前記ミー共振器と前記負誘電体層との間において、プラズモニック共振を励起する、輻射デバイス。
2. 前記負誘電体層は、金属を含む、請求項１に記載の輻射デバイス。
3. 前記負誘電体層は、金属酸化物を含む、請求項１に記載の輻射デバイス。
4. 前記ミー共振器は、前記負誘電体層から突起している、請求項１から３のいずれかに記載の輻射デバイス。
5. 前記ミー共振器と前記負誘電体層との間に位置するギャップ層をさらに備える、請求項１から４のいずれかに記載の輻射デバイス。
6. 前記ギャップ層は、前記ミー共振器の屈折率よりも低い屈折率を有する、請求項５に記載の輻射デバイス。
7. 相転移によって前記負誘電体層に変化する相転移層をさらに備える、請求項１から６のいずれかに記載の輻射デバイス。
8. 前記相転移層は、温度の変化によって金属相と誘電体相との間を相転移する、請求項７に記載の輻射デバイス。
9. 前記相転移層は、二酸化バナジウムを含む、請求項７または８に記載の輻射デバイス。
10. 前記相転移層は、ドーパントを含む、請求項７から９のいずれかに記載の輻射デバイス。
11. 前記ドーパントは、タングステンを含む、請求項１０に記載の輻射デバイス。

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