JP6234451B2 - 2次元のメタマテリアル窓 - Google Patents
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Description
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、2012年6月20日出願の米国仮特許出願第61/662,275号の利益を主張するものである。
政府支援の通知
本発明は、政府の支援により、米国エネルギー省によって認められたDE−AC05−76RL01830の下でなされたものである。政府は、本発明に特定の権利を有する。
図1の断面図を参照すると、代表的な放射再指向層100は、基板108の第1の主表面106上に配置された複数のナノスフェア102、103、104を含む。基板108の第2の主表面110と第1の主表面106は平行である。いくつかの例では、第1の主表面106および第2の主表面108は、局所的に平行であるが湾曲しており、その結果、基板は、球形のシェル、円柱形のシェル、または他の形状とすることができる。加えて、さらなる他の例では、ナノスフェア102、103、104などのナノスフェアは、球、円柱、または多角形体の表面などの湾曲した他の表面に結合することができ、平行な主表面は必要とされない。建物の窓を対象とする実装形態では、平行な主表面を有する薄いシートなど、従来の窓ガラスに類似のフォームファクタが好ましい。図1の例では、球形のテンプレート上にナノ導体のシェルが形成されているが、他の例では、円柱形の支柱などの他の表面の突起または円柱形のウェルなどの表面の凹みを使用することもできる。いくつかの代表的な例を以下に示す。
ナノシェルまたは他の放射指向ナノ構造は、1つまたは複数の異なる角度に沿って入射放射を再指向させることができる(またはできない)ように再配向可能に構成することができる。図9Aを参照すると、窓900は基板902を含み、基板902は、ナノシェル904A〜904Gなど、複数の配向された導電性のナノシェルを含む。基板902は、少なくとも1つの座屈させられた(または座屈可能な)表面914を有するように構成され、ナノシェル904A〜904Gは、座屈させられた表面908に結合される。基板902の第1の端部911は、上枠912に固定され、第2の端部916は、可動の下枠920に固定される。下枠920は、コントローラ922によって指示されて基板902を引き伸ばすように構成された並進機構に結合され、またはそのような並進機構を含む。
図13に示す別の例では、ナノシェル1302、1304および1303、1305が、約10nm〜約500nmの範囲の幅および高さを有する突起1306、1307上にそれぞれ配置される。突起は、基板1302から延び、ナノシェル1302〜1305および突起1306〜1307は、屈折率整合層1310で覆われる。ナノシェル1302、1304は、寸法、形状、組成、または厚さに関して、ナノシェル1303、1305と異なっても、同じでもよい。ナノシェル1302、1304および1303、1305は、それぞれ軸1322、1323に沿って指向性スパッタリングによって形成される。図14に示すさらに別の例では、ナノシェル1402、1404は、基板1402内で、それぞれの方形の突起1406、1408上に配置される。突起1406、1408は、典型的には、約10nm〜約500nmの範囲の幅および高さを有し、屈折率整合層1410で覆うことができる。
図18を参照すると、代表的な方法は、1802で基板を清浄にするステップと、1804でナノテンプレートを確立するステップとを含む。基板は、犠牲的または非犠牲的になるように選択することができる。犠牲基板は、概して、エッチングまたは他の処理によってナノテンプレートから簡単に除去されるように選択される。シリコンは、犠牲基板の好都合な例である。他の適した基板には、ガラス、融解石英、またはプラスチックが含まれる。多くの適用分野では、非犠牲的な基板は、光透過性を有することが好ましい。しかし、放射の再指向で透過を必要としない適用分野では、非透過性の基板を使用することができる。いくつかの例では、ナノテンプレートは、ナノスフェア、ナノワイア、ナノチューブ、ナノキューブ、ナノロッド、または他のナノスケールの構造などのナノ粒子を基板表面に施すことによって確立される。たとえば、ポリスチレンのナノスフェアを使用することができるが、他のポリマー、金属酸化物、または石英などのセラミック酸化物などの他の材料のテンプレートを使用することもできる。概して、そのようなテンプレートの単一の層が使用されるが、複数の層を使用することもでき、異なる寸法、形状、および配向のテンプレートを1つの層の中で使用することができ、または異なる層が異なるテンプレートおよびその組合せを含むことができる。
放射再指向体の効率は、選択された方向に再指向された放射と再指向された全放射との比に対応する性能示数(FOM)で定量化することができる。ほとんどの適用分野では、スペクトル範囲において少なくとも0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、または0.7のFOM値が好ましい。たとえば、窓の適用分野では、可視放射の帯域幅において少なくとも0.3のFOM値が好ましい。
図22を参照すると、多層の光再指向アセンブリ2200が、第1の組の部分的に導電性コーティングされたテンプレート2202、2203、2204を含み、テンプレート2202、2203、2204は、基板2202上に配置され、軸2208に沿って位置合わせされる。コーティングされたテンプレート2202、2203、2204を封入するために、層2206が設けられる。軸2218に沿って位置合わせされた第2の組の部分的に導電性コーティングされたテンプレート2212、2213、2214が、層2216によって封入される。軸2208、2218は、平行であっても平行でなくてもよく、導電性のシェルは、テンプレートを備えても備えなくてもよい。層ごとの封入を行うことができると好都合であるが、必ずしも必要ではない。1つまたは複数の層において、異なるテンプレートの形状、寸法、材料、および間隔、ならびに異なる導電性のシェルの形状、寸法、および材料を使用することができる。基板は必ずしも必要ではなく、そのような多層構造は、硬質または可撓性の構造とすることができ、1つまたは複数の層の中に熱的に引き起こされた座屈を提供することができる。
[形態1]
光デバイスであって、
第1の主表面および第2の主表面を有する基板と、
前記基板に結合され、軸に沿って配向された複数のナノ放射体であり、該ナノ放射体の各々が、隣接するナノ放射体に関連する影の近傍に配置される、前記ナノ放射体と、
を備える光デバイス。
[形態2]
形態1に記載の光デバイスにおいて、さらに前記複数のナノ放射体が前記第1の主表面に固定される、光デバイス。
[形態3]
形態1に記載の光デバイスにおいて、前記複数のナノ放射体が前記第1の主表面と前記第2の主表面との間に配置される、光デバイス。
[形態4]
形態1に記載の光デバイスにおいて、前記第1の主表面および前記第2の主表面が非平面の表面である、光デバイス。
[形態5]
形態1に記載の光デバイスにおいて、前記基板が可撓性の基板である、光デバイス。
[形態6]
形態1に記載の光デバイスにおいて、前記ナノ放射体が導電性のシェルである、光デバイス。
[形態7]
形態1に記載の光デバイスにおいて、前記導電性のシェルが、球、円柱、角錐、または立方体の一部分に対応する表面を含む、光デバイス。
[形態8]
形態1に記載の光デバイスにおいて、前記ナノ放射体が、前記第1の主表面上の突起上に配置された導電層として画定される、光デバイス。
[形態9]
形態8に記載の光デバイスにおいて、前記突起が周期的な表面の突条である、光デバイス。
[形態10]
形態1に記載の光デバイスにおいて、前記ナノ放射体が、少なくとも1つの誘電体層によって分離された少なくとも2つの導電層を有する導電性のシェルを備え、前記導電層がそれぞれ、金、銀、アルミニウム、または他の1つもしくは複数の金属の1つもしくは複数、またはこれらの組合せから形成される、光デバイス。
[形態11]
形態1に記載の光デバイスにおいて、前記ナノ放射体が、前記基板の延長または圧縮に応答して選択的に位置合わせすることができるように前記基板に結合される、光デバイス。
[形態12]
形態1に記載の光デバイスにおいて、前記基板が、異なる熱膨張係数を有する第1の層および第2の層を含み、前記第1の層および前記第2の層が、前記第1の層の熱膨張が前記第2の層の座屈をもたらすように構成され、さらに前記複数のナノ放射体が、前記第2の層に結合される、光デバイス。
[形態13]
形態1に記載の光デバイスにおいて、前記ナノ放射体は、前記第1の層が熱膨張すると実質上位置合わせされるように前記第2の層に結合される、光デバイス。
[形態14]
光デバイスであって、
複数の導電性のナノシェルを備える放射指向層と、少なくとも1つの透過層とを備え、前記放射指向層および前記少なくとも1つの透過層は、第1の方向に入射する放射が、前記導電性のナノシェルの配向方向に基づいて、前記第1の方向とは異なる第2の方向に沿って伝搬するように指向されるように配置され、前記導電性のナノシェルがそれぞれ、前記配向方向に基づいて、隣接するナノシェルの影に隣接し、または前記影の中に入るように配置される、
光デバイス。
[形態15]
形態14に記載の光デバイスにおいて、前記放射指向層が、複数のテンプレートを含み、前記導電性のナノシェルが、それぞれのテンプレート上に配置される、光デバイス。
[形態16]
形態14に記載の光デバイスにおいて、前記複数のテンプレートが、少なくとも2つの寸法のテンプレートを含み、前記テンプレートは、前記第1の方向に入射する第1の波長範囲内の放射が、前記第2の方向に沿って伝搬するように指向され、前記第1の方向に入射する第2の波長範囲内の放射が、前記第2の方向とは異なる第3の方向に沿って伝搬するように指向されるように構成される、光デバイス。
[形態17]
形態14に記載の光デバイスにおいて、前記導電性のナノシェルが第1の配向方向および第2の配向方向に関連する、光デバイス。
[形態18]
形態14に記載の光デバイスにおいて、前記複数のテンプレートが前記放射指向層内に配置される、光デバイス。
[形態19]
形態14に記載の光デバイスにおいて、前記複数のテンプレートが前記放射指向層の表面に配置される、光デバイス。
[形態20]
形態14に記載の光デバイスにおいて、前記透過層および前記放射指向層が、異なる熱膨張係数を有し、前記放射指向層が第1の温度で座屈するが第2の温度で座屈しないように構成される、光デバイス。
[形態21]
形態20に記載の光デバイスにおいて、前記第1の温度および前記第2の温度が0℃〜100℃である、光デバイス。
[形態22]
形態21に記載の光デバイスにおいて、前記第1の温度および前記第2の温度が10℃〜50℃である、光デバイス。
[形態23]
形態20に記載の光デバイスにおいて、前記ナノシェルが、前記放射指向層が座屈したときに実質上位置合わせされないように構成され、その結果、前記第1の方向に入射する放射が、前記第2の軸へ再指向されることなく前記光デバイスを通って伝搬する、光デバイス。
[形態24]
形態20に記載の光デバイスにおいて、前記少なくとも1つの透過層が、第1のガラス窓および第2のガラス窓を含み、前記放射指向層が、前記第1のガラス層と前記第2のガラス層との間に配置される、光デバイス。
[形態25]
形態24に記載の光デバイスにおいて、前記放射指向層は、前記第1の方向に入射する可視放射が、前記第2の方向に沿って前記第1のガラス窓および前記第2のガラス窓を通って伝搬するように指向され、赤外放射が反射されるように構成される、光デバイス。
[形態26]
形態14に記載の光デバイスにおいて、前記放射指向層が、入射する可視放射を前記第2の軸に沿って透過し、入射する赤外放射を前記第1の軸および前記第2の軸とは異なる第3の軸に沿って反射するように構成される、光デバイス。
[形態27]
形態14に記載の光デバイスにおいて、前記放射指向層が、赤外放射を選択的に透過または反射するように構成される、光デバイス。
[形態28]
形態27に記載の光デバイスにおいて、前記放射指向層が、周囲温度に基づいて、反射された赤外放射を選択的に透過または反射するように構成される、光デバイス。
[形態29]
形態27に記載の光デバイスにおいて、前記放射指向層が、前記少なくとも1つの透過層または前記放射指向層の温度に基づいて、反射された赤外放射を選択的に透過または反射するように構成される、光デバイス。
[形態30]
形態14に記載の光デバイスにおいて、前記放射再指向層が、少なくとも2つの配向および寸法を有する導電性のナノシェルを含み、その結果、前記第1の方向に入射する第1の波長範囲内の放射が、前記第2の方向に沿って伝搬するように指向され、前記第1の方向に入射する第2の波長範囲内の放射が、前記第2の方向とは異なる第3の方向に沿って伝搬するように指向される、光デバイス。
[形態31]
光デバイスであって、
第1の主表面および第2の主表面を有する基板と、
前記基板内の凹部内に配置され、軸に沿って配向された導電性のシェルとして画定された複数のナノ放射体とを備え、前記ナノ放射体が、前記基板によって画定された絶縁領域によって分離される、
光デバイス。
[形態32]
形態31に記載の光デバイスにおいて、前記凹部が、円形、多角形、長円形、または楕円形の横断面を有する、光デバイス。
[形態33]
形態32に記載の光デバイスにおいて、前記凹部が、前記第1の主表面から前記第2の主表面まで延びる、光デバイス。
[形態34]
形態33に記載の光デバイスにおいて、前記導電性のシェルが前記凹部内で前記第1の主表面から前記第2の主表面まで延びる、光デバイス。
[形態35]
形態31に記載の光デバイスにおいて、前記基板が、異なる熱膨張係数を有する第1の層および第2の層を含み、前記第1の層および前記第2の層が、前記第1の層の熱膨張が前記第2の層の座屈をもたらすように構成され、さらに前記複数のナノ放射体は、前記第1の層が座屈しないときは実質上位置合わせされるように、前記第1の層が座屈したときは位置合わせされないように、前記第2の層に結合される、光デバイス。
[形態36]
複数のテンプレートを基板に配置するステップと、
前記導体が前記基板上でテンプレート間に堆積することなく前記テンプレート表面の一部分上に堆積するように、前記テンプレート上に導体を指向性堆積させるステップと
を含む方法。
[形態37]
形態36に記載の方法において、前記複数のテンプレートが、前記基板の表面内に形成された複数の突条を含む、方法。
[形態38]
形態37に記載の方法において、前記突条が前記基板の前記表面上に周期的に隔置される、方法。
[形態39]
形態36に記載の方法において、前記テンプレートが前記基板の表面上に設けられる、方法。
[形態40]
形態37に記載の方法において、テンプレートがナノスフェアである、方法。
[形態41]
形態37に記載の方法において、前記導体を指向性堆積させる前に、テンプレート寸法を低減させるステップをさらに含む、方法。
[形態42]
形態36に記載の方法において、
前記テンプレート上に堆積させた前記導体、前記テンプレート、または前記基板の前記表面の少なくとも1つに封入層を施すステップと、
少なくとも前記テンプレート上に堆積させた導体部分が前記封入層に固定されるように、前記封入層と前記基板を分離するステップとをさらに含む、方法。
[形態43]
形態42に記載の方法において、前記封入層および前記基板は、前記テンプレート上に堆積させた前記導体および前記テンプレートが前記封入層に固定されたままになるように分離される、方法。
[形態44]
形態36に記載の方法において、前記テンプレート上に2つの異なる角度で導体を指向性堆積させるステップを含む、方法。
[形態45]
形態36に記載の方法において、
少なくとも前記堆積させた導体を、第2の層上に配置された第1の層に固定するステップをさらに含み、前記第1の層および前記第2の層が、異なる熱膨張係数を有し、その結果、少なくとも1つの温度で前記第1の層が座屈して、前記堆積させた導体の位置合わせを変える、方法。
[形態46]
形態45に記載の方法において、前記第1の層および第2の層が、標準的な室温に対して高い温度で互いに固定され、その結果、冷却されると、前記第1の層が標準的な室温で座屈する、方法。
Claims (9)
- 光デバイスであって、
第1の主表面および第2の主表面を有する基板と、
複数のナノ放射体と、を備え、
前記複数のナノ放射体の各々が、前記基板に結合された球形のテンプレート上に位置する導電性のシェルを含み、前記複数のナノ放射体が、平行なそれぞれの軸に沿って配向され、各平行な軸は、各球形のテンプレート上に位置する導電性のシェルの中心点を通過し、該ナノ放射体の各々が、導電性のコーティングが存在しないない影の領域によって分離されている、前記ナノ放射体と、
を備える光デバイス。 - 請求項1に記載の光デバイスにおいて、さらに前記複数のナノ放射体の前記テンプレートが前記第1の主表面に固定される、光デバイス。
- 請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記複数のナノ放射体が前記第1の主表面と前記第2の主表面との間に配置される、光デバイス。
- 請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記第1の主表面および前記第2の主表面が非平面の表面である、光デバイス。
- 請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記基板が可撓性の基板である、光デバイス。
- 請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記導電性のシェルが、少なくとも1つの誘電体層によって分離された少なくとも2つの導電層を有し、前記導電層がそれぞれ、金、銀、アルミニウム、または他の1つもしくは複数の金属の1つもしくは複数、またはこれらの組合せから形成される、光デバイス。
- 請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記ナノ放射体が、前記基板の延長または圧縮に応答して選択的に位置合わせすることができるように前記基板に結合される、光デバイス。
- 請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記基板が、異なる熱膨張係数を有する第1の層および第2の層を含み、前記第1の層および前記第2の層が、前記第1の層の熱膨張が前記第2の層の座屈をもたらすように構成され、さらに前記複数のナノ放射体が、前記基板の前記第2の層に結合される、光デバイス。
- 請求項8に記載の光デバイスにおいて、前記ナノ放射体は、前記第1の層が熱膨張すると実質上位置合わせされるように前記第2の層に結合される、光デバイス。
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