JP7392972B2

JP7392972B2 - 熱電変換素子

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Publication number: JP7392972B2
Application number: JP2019193493A
Authority: JP
Inventors: 若奈久保; 魁斗三輪
Original assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Current assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2023-12-06
Anticipated expiration: 2039-10-24
Also published as: JP2021068821A

Description

特許法第３０条第２項適用開催日令和０１年８月１３日（開催期間令和０１年８月１１日～令和０１年８月１５日）学会名、開催場所ＳＰＩＥＯＰＴＩＣＳ＋ＰＨＯＴＯＮＩＣＳＮＡＮＯＳＣＩＥＮＣＥ＋ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ（ＳａｎＤｉｅｇｏＣｏｎｖｅｎｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ，ＳａｎＤｉｅｇｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓ）

本発明は、熱電変換素子に関する。

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１は、光熱変換素子と熱電変換素子とを組み合わせて、光エネルギーを電気エネルギーへ変換する光熱発電装置を記載している。特許文献１に記載されている熱電変換素子は、ゼーベック効果を利用し、高温部と低温部との温度差によって電圧を発生させている。

特開２０１３－２５４９４０号公報

特許文献１に記載されている光熱発電装置は、光熱変換素子と熱電変換素子とを別体として備えている。この熱電変換素子の高温部には光の入射に応じて熱を発生させる光熱変換素子が接続され、低温度部にはヒートシンクが接続されている。このような構成では、装置全体をコンパクトに形成することは困難である。このため、簡易かつコンパクトな構成で熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子が求められている。

本発明の一つの態様は、簡易かつコンパクトな構成で熱エネルギーを電気エネルギーに変換し得る熱電変換素子を提供することを目的とする。

本発明の一つの態様に係る熱電変換素子は、基部材と、基部材に設けられた導電性膜とを備える。基部材及び導電性膜は、第一領域と第二領域とを有している。第一領域には、複数の穴構造が形成されている。第二領域は、第一領域に接続されている。基部材は、第一面と第二面とを有している。第一面は、第一領域に位置している。第一面には、各穴構造の開口が形成されている。第二面は、第二領域に位置している。第二面は、第一面に接続されている。導電性膜は、第一導電性膜と第二導電性膜とを含む。第一導電性膜は、第一面及び第二面に設けられていると共に第一領域から第二領域に亘って連続して設けられている。第二導電性膜は、各穴構造の内側に設けられていると共に各穴構造の底を形成している。

上記一つの態様では、第一領域に対して光又は熱放射を受けた場合、第一領域が他の部分に比べて高い温度となる。この結果、第一導電性膜において、第一領域に設けられた部分と第二領域に設けられた部分との間で温度差が生じる。この場合、第一領域に設けられた部分は高温部であり、第二領域に設けられた部分は低温部である。熱の伝導と共に、自由電子が高温部から低温部へ拡散する。このため、当該熱電変換素子は、第一領域における熱エネルギーを第二領域から電気エネルギーとして取り出すことができる。このように、当該熱電変換素子は、簡易かつコンパクトな構成で熱エネルギーを電気エネルギーに変換し得る。

上記一つの態様では、各穴構造の開口は、矩形状であってもよい。この場合、第一領域と第二領域との間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

上記一つの態様では、各穴構造は、互いに離間した３つの穴からなってもよい。各穴構造の開口は、互いに離間した３つの矩形状の開口によってコの字形状に形成されていてもよい。この場合、第一領域と第二領域との間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

基部材は、発泡材を含んでもよい。この場合、第一領域における熱が第一導電性膜から基部材に移動し難い。このため、第一領域と第二領域との間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

上記一つの態様では、各穴構造の最大幅は、１μｍ以下であってもよい。この場合、第一領域と第二領域との間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

上記一つの態様では、複数の穴構造の開口は、二次元的に配列されていてもよい。複数の穴構造の開口の配列周期は、１００ｎｍ～１μｍであってもよい。この場合、第一領域と第二領域との間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

上記一つの態様では、複数の穴構造の開口は、二次元的に配列されていてもよい。各穴構造の開口の最大幅をＬ１とし、複数の穴構造の開口の配列周期をＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１は１．２５～７であってもよい。この場合、第一領域と第二領域との間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

上記一つの態様では、第一面に直交する方向における第一導電性膜と第二導電性膜との間の最短距離は、１０ｎｍ～２９０ｎｍであってもよい。この場合、第一領域と第二領域との間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

上記一つの態様では、第一面に直交する方向における第一導電性膜と第二導電性膜との間の最短距離と、第二導電性膜の膜厚との合計は、５０ｎｍ～３００ｎｍであってもよい。この場合、第一領域と第二領域との間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

上記一つの態様では、第一面に直交する方向における第一導電性膜と第二導電性膜との間の最短距離と、第二導電性膜の膜厚との合計は、７５ｎｍ～１２５ｎｍであってもよい。この場合、第一領域と第二領域との間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

本発明の一つの態様は、簡易かつコンパクトな構成で熱エネルギーを電気エネルギーに変換し得る熱電変換素子を提供する。

本実施形態に係る熱電変換素子の概略斜視図である。熱電変換素子の部分拡大図である。熱電変換素子の部分断面図である。本実施形態の変形例に係る熱電変換素子の部分断面図である。熱電変換素子の部分拡大図であり、（ａ）は開口が円形状である場合を示し、（ｂ）は開口が矩形状である場合を示し、（ｃ）は開口がコの字形状である場合を示し、（ｄ）は開口が複数の開口からなるコの字形状である場合を示している。熱電変換素子の部分拡大図であり、（ａ）は穴構造が行列状に規則的に配置されている構成を示し、（ｂ）は穴構造が行毎に規則的に配置されている構成を示し、（ｃ）は穴構造がランダムに配置されている構成を示している。熱電変換素子に対する配線の接続例を示す図であり、（ａ）は配線が２つの電極に接続される場合を示し、（ｂ）は配線が１つの電極に接続される場合を示す。本実施形態の変形例に係る熱電変換素子の概略斜視図である。熱電変換素子に光を照射した場合における電流値の変化を示す図である。熱電変換素子に光を照射した場合における波長ごとの電流値を示す図である。熱電変換素子に光を照射した場合における温度変化を示す図である。熱電変換素子に光を照射した場合における開口の形状ごとの温度変化を示す図である。熱電変換素子に光を照射した場合における第一面から第二面まで距離と温度との関係性を示す図である。熱電変換素子に光を照射した場合における穴構造のピッチと波長との関係性を示す図である。熱電変換素子に光を照射した場合における導電性膜の厚さと波長との関係性を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有している要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１～図４を参照して、本実施形態に係る熱電変換素子の概要を説明する。図１は、熱電変換素子の概略斜視図である。図２は、熱電変換素子の部分拡大図である。図３は、熱電変換素子の部分断面図である。図４は、本実施形態の変形例に係る熱電変換素子の部分断面図である。

熱電変換素子１は、光検出装置、熱検出装置、排熱装置、又は発電装置として用いることができる。例えば、光検出装置として用いられる場合には、熱電変換素子１は、入射した光に応じて発生した熱エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する。熱検出装置として用いられる場合には、熱電変換素子１は、検出対象から吸収した熱エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する。

熱電変換素子１は、基部材１０と支持板１５と導電性膜２０と電極３１，３２とを備えている。基部材１０は、支持板１５に設けられている。導電性膜２０は、基部材１０を挟んで支持板１５と対向するように、基部材１０に設けられている。電極３１，３２は、導電性膜２０を挟んで基部材１０と対向するように、導電性膜２０に設けられている。基部材１０及び導電性膜２０は、第一領域αと、当該第一領域αに接続された第二領域βとを有している。

基部材１０及び導電性膜２０の第一領域αには、複数の穴構造４１が形成されている。第二領域βには、穴構造４１は形成されていない。本実施形態では、各穴構造４１は、１つの穴からなる。本実施形態では、基部材１０は、平板形状である。基部材１０は、一対の主面１１ａ，１１ｂを有している。主面１１ｂは、支持板１５に接している。主面１１ａには、導電性膜２０が設けられている。主面１１ａに直交する方向から見て、主面１１ａに第一領域αと第二領域βとが並んで形成されている。各穴構造４１は、基部材１０の主面１１ａと主面１１ｂとを貫通する孔を含んでいる。図２及び図３は、主面１１ａに直交する方向から見て第一領域αと重なる部分Ｓを、拡大して示している。

基部材１０は、第一面１０ａと第二面１０ｂとを有している。第一面１０ａは、第一領域αに位置している。第二面１０ｂは、第二領域βに位置している。第一面１０ａには、各穴構造４１の開口４１ａが配置されている。第一領域αにおいて第一面１０ａには、複数の穴構造４１の開口４１ａが二次元的に配置されている。第二面１０ｂは、第一面１０ａに接続されている。本実施形態では、第一面１０ａ及び第二面１０ｂは、主面１１ａに含まれている。第二面１０ｂに直交する方向から見て、電極３１，３２は、第二領域βの一部と重なるように配置されている。

本実施形態では、基部材１０は、材料としてα-メチルスチレンとα-クロロアクリル酸ステルの重合体とを含む。基部材１０は、材料としてポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ポリスチレン、ナノインプリント用熱可塑ポリマー、及び紫外線硬化ポリマーなどを含んでいてもよい。基部材１０は、発泡材を含んでいてもよい。支持板１５は、ガラスを含む。

導電性膜２０は、第一領域α及び第二領域βに設けられている。導電性膜２０は、導電性膜２１と導電性膜２２とを含む。導電性膜２１は、第一面１０ａ及び第二面１０ｂに設けられている。導電性膜２１は、第一領域αから第二領域βに亘って連続して設けられている。導電性膜２１は、第一領域αにおける主面１１ａの全面を覆っており、各穴構造４１の開口４１ａの縁に沿って設けられている。導電性膜２２は、各穴構造４１の内側に設けられている。導電性膜２２は、各穴構造４１の底を形成している。本実施形態では、導電性膜２２は、支持板１５上に設けられている。導電性膜２２は、互いに平行な一対の面２２ａ，２２ｂを有している。面２２ａは、各穴構造４１の底を形成している。面２２ｂは、支持板１５に接している。面２２ｂは、主面１１ｂと面一に構成されている。例えば、導電性膜２１は第一導電性膜に対応し、導電性膜２２は第二導電性膜に対応する。

本実施形態の変形例として、熱電変換素子１は、支持板１５を備えなくてもよい。この場合、図４に示されているように、基部材１０の主面１１ｂ及び導電性膜２２の面２２ｂが露出する。導電性膜２２は、各穴構造４１において、基部材１０の孔を形成する内側面において支持される。

導電性膜２１，２２の膜厚は、例えば、１０ｎｍ～１ｍｍである。本実施形態では、導電性膜２１の膜厚は、導電性膜２２の膜厚よりも大きい。導電性膜２１の膜厚は、導電性膜２２の膜厚と同一であってもよいし、導電性膜２２の膜厚よりも小さくてもよい。導電性膜２１と導電性膜２２とは、互いに離間している。

導電性膜２０は、銀を含んでいる。導電性膜２０は、例えば、金、白金、銅、ニッケル、アルミニウムを含む金属膜であってもよい。導電性膜２０は、低抵抗金属酸化物膜であってもよい。導電性膜２０が低抵抗金属酸化物膜である場合には、導電性膜２０は、例えば二酸化チタン、酸化インジウムスズ、又は酸化亜鉛を含み、抵抗値が１００～１００，０００Ωとなるように構成されてもよい。導電性膜２０は、低抵抗金属窒化物膜であってもよい。導電性膜２０が低抵抗金属窒化物膜である場合には、導電性膜２０は、例えば窒化チタン、又は窒化ジルコニウムを含み、抵抗値が１００～１００，０００Ωとなるように構成されてもよい。

一対の電極３１，３２は、第二領域βにおいて、導電性膜２２と接続されている。図１に示されているように、電極３１は、電極３２よりも第一領域αに近い。電極３１と複数の穴構造４１との最短距離は、電極３２と複数の穴構造４１との最短距離よりも小さい。本実施形態の変形例として、熱電変換素子１は、一対の電極３１，３２を有さずに、１つの電極のみを有してもよい。

次に、図５（ａ）～図５（ｄ）、図６（ａ）、及び図６（ｂ）を参照して、本実施形態に係る熱電変換素子１の構成について詳細に説明する。図５（ａ）～図５（ｄ）、図６（ａ）、及び図６（ｂ）は、熱電変換素子の部分拡大図である。

図５（ａ）～図５（ｄ）は、穴構造４１の構造を拡大して示している。図５（ａ）～図５（ｄ）では、基部材１０を二点鎖線で示している。本実施形態では、図５（ａ）に示されているように、各穴構造４１の開口４１ａは、円形状を有している。導電性膜２２は、円盤形状を呈しており、穴構造４１の底を形成する面２２ａを有している。本実施形態では、導電性膜２２は、基部材１０から離間しており、支持板１５によって支持されている。

本実施形態の変形例において、各穴構造４１の開口４１ａは、図５（ｂ）から図５（ｄ）に示されているように、円形状以外の形状を有していてもよい。図５（ｂ）に示されている開口４１ａは、矩形状を有している。図５（ｃ）に示されている開口４１ａは、コの字形状を有している。換言すれば、図５（ｃ）に示されている開口４１ａは、互いに連続する３つの矩形状からなる。図５（ｄ）に示されている穴構造４１は、互いに離間した３つの穴からなる。図５（ｄ）に示されている開口４１ａは、互いに離間した３つの矩形状の開口によってコの字形状に形成されている。いずれの変形例においても、導電性膜２２は、穴構造４１の底を形成する面２２ａを有している。

各穴構造４１の開口４１ａの最大幅Ｌ１は、例えば、１μｍ以下である。より好ましくは、各穴構造４１の開口４１ａの最大幅Ｌ１は、８０ｎｍ～１μｍである。なお、「最大幅」とは、図５（ａ）～図５（ｄ）に示されているように、第一面１０ａに平行な方向において、開口４１ａにおいて最長となる幅である。したがって、開口４１ａが円形状の場合において最大幅Ｌ１は開口４１ａの直径であり、開口４１ａが矩形状の場合において最大幅Ｌ１は開口４１ａの対角線である。

第一面１０ａに直交する方向における導電性膜２１と導電性膜２２との間の距離と、導電性膜２２の膜厚との合計は、５０ｎｍ～３００ｎｍであり、より好ましくは、７５ｎｍ～１２５ｎｍである。換言すれば、第一面１０ａに直交する方向における第一面１０ａと導電性膜２２の面２２ｂとの間の最短距離Ｄは、５０ｎｍ～３００ｎｍであり、より好ましくは、７５ｎｍ～１２５ｎｍである。本実施形態では、最短距離Ｄは、各穴構造４１における基部材１０の孔の深さと同一である。すなわち、最短距離Ｄは、基部材１０の第一領域αにおける主面１１ａと主面１１ｂとの間の最短距離である。第一面１０ａに直交する方向において、導電性膜２１と導電性膜２２との間の最短距離は、例えば、１０ｎｍ～２９０ｎｍである。

図６（ａ）～図６（ｃ）は、第一領域αにおける基部材１０を、第一面１０ａに直交する方向から見た平面図である。図６（ａ）～図６（ｃ）では、導電性膜２０は省略されている。

本実施形態では、複数の穴構造４１の開口４１ａは、図６（ａ）に示されているように、第一面１０ａにおいて行列状に規則的に配置されている。「規則的に配置」とは、開口４１ａが第一面１０ａにおいて所定の周期の間隔で配列されていることを意味する。本実施形態では、複数の穴構造４１の開口４１ａは、図６（ａ）に示されているように、第一面１０ａにおいて二次元的に配列されている。複数の穴構造４１の開口４１ａは、行列状に配列されており、行方向と列方向とにおいて等しいピッチで配列されている。換言すれば、複数の穴構造４１の開口４１ａは、等間隔で二次元的に配列されている。「等間隔」には、製造誤差により距離が異なる場合も含まれる。複数の穴構造４１の行と列とは、互いに異なるピッチで配列されていてもよい。

本実施形態において、複数の穴構造４１の開口４１ａの配列周期Ｌ２は、１００ｎｍ～１０μｍである。「配列周期」は、第一面１０ａにおける開口４１ａのピッチであり、互いに隣り合う開口４１ａの最小距離Ｌ３と当該開口４１ａの最大幅Ｌ１との合計である。Ｌ２／Ｌ１は、例えば、１．２５～７である。この場合、表面プラズモン共鳴がより明確に確認される。

本実施形態の変形例として、複数の穴構造４１の開口４１ａは、図６（ｂ）に示されているように、第一面１０ａにおいて行毎に規則的に配置されていてもよい。本変形例では、複数の穴構造４１の開口４１ａは、各行において、行毎に規定されたピッチで等間隔に配列されていてもよい。換言すれば、複数の穴構造４１の開口４１ａは、互いに異なる行において異なるピッチで配列されていてもよい。この場合も、複数の穴構造４１の開口４１ａの配列周期Ｌ２は、１００ｎｍ～１０μｍである。Ｌ２／Ｌ１は、例えば、１．２５～７である。複数の開口４１ａが互いに異なる行において異なるピッチで配列されている熱電変換素子１を用いた光検出の検出可能帯域は、複数の開口４１ａが行方向と列方向とにおいて等しいピッチで配列されている熱電変換素子１を用いた光検出の検出可能帯域よりも広い。

本変形例では、複数の穴構造４１の開口４１ａは、複数の行４６，４７，４８，４９ごとに配列されている。行４６における配列周期Ｌ２は、例えば１００ｎｍである。行４７における配列周期Ｌ２は、例えば２００ｎｍである。行４８における配列周期Ｌ２は、例えば３００ｎｍである。行４９における配列周期Ｌ２は、例えば４００ｎｍである。図６（ｂ）に示されている構成では、行４６，４７，４８，４９の配列周期Ｌ２は、上の行から順に大きくなっている。しかし、行４６，４７，４８，４９の配置順序は、この構成に限定されない。

本実施形態の変形例として、複数の穴構造４１の開口４１ａは、図６（ｃ）に示されているように、第一面１０ａにおいてランダムに配置されていてもよい。「ランダムに配置」とは、上述した「規則的に配置」以外の配置を意味する。

本実施形態及び変形例において、複数の穴構造４１のうち互いに隣り合う穴構造４１の開口４１ａの最小距離Ｌ３は、例えば、２０ｎｍ以上である。換言すれば、本実施形態及び変形例における複数の穴構造４１の開口４１ａは、少なくとも、互いに２０ｎｍ以上離れている。

次に、図７（ａ）及び図７（ｂ）を参照して、熱電変換素子１を動作させる構成について説明する。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、熱電変換素子１を光検出装置として用いる場合において、熱電変換素子１に対する配線の接続例を示す概略図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、熱電変換素子１のうち導電性膜２０及び電極３１，３２のみを示している。

本実施形態では、図７（ａ）に示されているように、熱電変換素子１の一対の電極３１，３２が配線５１によって接続される。例えば、配線５１の一端が電極３１に接続され、他端が電極３２に接続される。熱電変換素子１を光検出装置として用いる場合には、配線５１に接続されている電流計５２によって、配線５１を流れる電流の値が検出される。

本実施形態の変形例として、図７（ｂ）に示されているように、熱電変換素子１の１つの電極のみに配線５１が接続されてもよい。この場合、例えば、配線５１の一端が電極３２に接続され、配線５１の他端がグラウンドに接続される。熱電変換素子１を光検出装置として用いる場合には、配線５１に接続されている電流計５２によって、配線５１を流れる電流の値が検出される。

次に、図８を参照して、本実施形態の変形例に係る熱電変換素子について説明する。図８は、本実施形態の変形例に係る熱電変換素子の概略図である。以下、上述した実施形態と変形例との相違点を主として説明する。なお、図８は、本変形例にかかる熱電変換素子１Ａの概略図である。熱電変換素子１Ａは、ロッド形状である。本変形例では、熱電変換素子１Ａでは、基部材１０Ａと導電性膜２０と電極３２Ａとを備える。基部材１０Ａは、ロッド形状である。基部材１０Ａは、導電性膜２０によって覆われている。基部材１０Ａは、基部材１０と同様の材料で構成される。電極３２Ａは、電極３１，３２と同様の材料で構成される。

熱電変換素子１Ａの基部材１０Ａ及び導電性膜２０は、第一領域α及び第二領域βとを有している。第一領域αは、熱電変換素子１Ａの一端に設けられている。第二領域βは、熱電変換素子１Ａの他端に設けられている。第二領域βは、第一領域αに接続されている。第一領域αには、複数の穴構造４１が形成されている。基部材１０Ａの一端の端面には、複数の穴構造４１の開口が配置された第一面１０ａが形成されている。第一面１０ａは、第一領域αに位置している。基部材１０Ａの側面には、第一面１０ａに接続された第二面１０ｂが形成されている。第二面１０ｂは、第一領域α及び第二領域βに位置している。第二面１０ｂは、第一面１０ａに接続されている。導電性膜２１は、第一面１０ａ及び第二面１０ｂ上に設けられており、第一領域αから第二領域βに亘って連続して設けられている。導電性膜２２は、各穴構造４１の内側に設けられている。導電性膜２２は、各穴構造４１の底を形成している。例えば、導電性膜２１は第一導電性膜に対応し、導電性膜２２は第二導電性膜に対応する。

電極３２Ａは、基部材１０Ａの他端に設けられており、導電性膜２１に接続されている。熱電変換素子１Ａを動作させる場合には、電極３２Ａには、図８に示されているように、配線５１が接続される。配線５１の一端が電極３２Ａに接続され、配線５１の他端がグラウンドに接続される。熱電変換素子１を光検出装置として用いる場合には、配線５１に接続されている電流計５２によって、配線５１を流れる電流の値が検出される。

次に、図９から図１５を参照して、熱電変換素子１の動作性能について説明する。以下、特に断りのない限り、熱電変換素子１を光検出装置として用いる場合について説明する。

図９は、熱電変換素子に光が照射された場合における電流値の変化を示している。図９において、縦軸は配線５１を流れる電流値を示しており、横軸は時間を示している。図９におけるＯＮとＯＦＦとの間において、熱電変換素子に光が照射された。図９において、データ６１は熱電変換素子１の第一領域αに光が照射された場合の特性を示しており、データ６２は比較例としての熱電変換素子に光が照射された場合の特性を示している。データ６２を取得した熱電変換素子は、複数の穴構造４１が形成されていない。データ６２を取得した熱電変換素子と熱電変換素子１とは、複数の穴構造４１の有無を除いて、同一の構成を有する。

図８に示されているように、データ６２では光が照射されている間も電流値に特段の変化が確認されなかったのに対して、データ６１では光が照射されている間において電流値の増加が確認された。したがって、複数の穴構造４１を有する熱電変換素子１の第一領域αに光が照射されることで、電気エネルギーが発生することが確認された。

図９は、熱電変換素子に光を照射した場合における波長ごとの電流値を示している。図９において、縦軸は、データ６３に関して消光率を示し、データ６４，６５に関して電流値を示している。図９において、横軸は、第一領域αに照射される光の波長を示している。データ６３は、熱電変換素子１における消光スペクトルを示している。データ６４は熱電変換素子１の第一領域αに光が照射された場合の特性を示しており、データ６５は比較例としての熱電変換素子に光が照射された場合の特性を示している。データ６５を取得した熱電変換素子は、複数の穴構造４１が形成されていない。データ６５を取得した熱電変換素子と熱電変換素子１とは、複数の穴構造４１の有無を除いて、同一の構成を有する。

図９に示されているように、データ６５ではいずれの波長の光が照射されても電流値に特段の変化が確認されなかったのに対して、データ６４ではデータ６３に示される消光スペクトルに合わせて電流値の増加が確認された。したがって、複数の穴構造４１による表面プラズモン共鳴が、熱電変換素子１における電流値の増加の要因だと確認された。

図１０は、熱電変換素子に光を照射した場合における温度変化を示している。図１０において、縦軸は第一領域αの温度を示し、横軸は時間を示している。データ７１は、複数の穴構造４１が形成され、導電性膜２１及び複数の導電性膜２２が設けられた熱電変換素子１に光が入射された場合のシミュレーション結果である。データ７２は、複数の穴構造４１が形成され、導電性膜２１が設けられ、導電性膜２２が設けられていない熱電変換素子に光が入射された場合のシミュレーション結果である。データ７３は、複数の穴構造４１が形成され、導電性膜２１が設けられず、複数の導電性膜２２が設けられてた熱電変換素子に光が入射された場合のシミュレーション結果である。データ７４は、複数の穴構造４１が設けられず、フラットな面に導電性膜２０が設けられた熱電変換素子に光が照射された場合のシミュレーション結果である。各データ７１，７２，７３，７４において、照射される光は、６８０ｎｍの波長を有すると共に１５ｍＷの強度を有するレーザ光である。

図１０に示されているように、光が照射されて１ミリ秒経過すると、データ７１では温度が６６Ｋ上昇し、データ７２では温度が４５Ｋ上昇し、データ７３では温度が２５Ｋ上昇し、データ７４では温度が６Ｋ上昇した。したがって、データ７１において、最も大きな温度上昇が確認された。データ７２では２番目に大きな温度上昇が確認され、データ７３では３番目に大きな温度上昇が確認された。これにより、データ７１、データ７２、データ７３の順で、表面プラズモンの励起に起因した温度上昇が発生しやすいことが確認された。

図１１は、熱電変換素子に光を照射した場合における開口の形状ごとの温度変化を示す。図１１では、縦軸は第一領域αにおける温度を示し、横軸は時間を示している。データ７６は、図５（ｄ）に示した穴構造４１の形状を有する熱電変換素子１に光が入射された場合のシミュレーション結果である。データ７７は、図５（ｂ）に示した穴構造４１の形状を有する熱電変換素子１に光が入射された場合のシミュレーション結果である。すなわち、データ７７における熱電変換素子１の開口４１ａの形状は、矩形状である。データ７８は、図５（ａ）に示した穴構造４１の形状を有する熱電変換素子１に光が入射された場合のシミュレーション結果である。すなわち、データ７８における熱電変換素子１の開口４１ａの形状は、円形状である。データ７９は、図５（ｄ）に示した穴構造４１の形状を有する熱電変換素子１に光が入射された場合のシミュレーション結果である。すなわち、データ７９における熱電変換素子１の開口４１ａの形状は、コの字形状である。各データ７６，７７，７８，７９では、第一面１０ａに直交する方向における第一面１０ａと導電性膜２２の面２２ｂとの間の最短距離Ｄは、１００ｎｍである。各データ７６，７７，７８，７９では、照射される光は、６８０ｎｍの波長を有すると共に１５ｍＷの強度を有するレーザ光である。

図１１に示されているように、データ７６では温度が７４Ｋ上昇し、データ７７では温度が７２Ｋ上昇し、データ７８では温度が６０Ｋ上昇し、データ７９では温度が３０Ｋ上昇した。したがって、データ７６において、最も大きな温度上昇が確認された。データ７７では２番目に大きな温度上昇が確認され、データ７８では３番目に大きな温度上昇が確認された。

図１２は、熱電変換素子に光を照射した場合における、第一面１０ａと導電性膜２２の面２２ｂとの間の最短距離Ｄと温度との関係性を示す。図１２では、縦軸は第一領域αにおける室温からの上昇温度を示し、横軸は第一面１０ａに直交する方向における第一面１０ａと導電性膜２２の面２２ｂとの間の最短距離Ｄを示す。

図１２に示されているように、最短距離Ｄが５０ｎｍから１００ｎｍに増加するにつれて、室温からの上昇温度は増加した。最短距離Ｄが１００ｎｍのときに、室温からの上昇温度は、ピークとなり、７３Ｋであった。最短距離Ｄが１００ｎｍから１５０ｎｍまで増加するにつれて、室温からの上昇温度は減少した。最短距離Ｄが１５０ｎｍから３００ｎｍまでの間において、室温からの上昇温度は６０～６５Ｋで維持された。以上のように、第一面１０ａに直交する方向における第一面１０ａと導電性膜２２の面２２ｂとの間の最短距離Ｄが５０ｎｍ以上である場合に、第一領域αにおいて温度上昇が確認された。図１２において、破線は、波長７５ｎｍの部分と波長１４０ｎｍの部分とを示している。最短距離Ｄが７５ｎｍ～１４０ｎｍである場合に、第一領域αにおいてより大きな温度上昇が確認された。

図１３は、熱電変換素子に光を照射した場合における穴構造のピッチと波長との関係性を示す。図１３では、縦軸は消光率を示し、横軸は照射する光の波長を示す。データ８１，８２，８３，８４は、複数の穴構造４１のピッチが互いに異なる熱電変換素子の第一領域αに光を照射した場合の波長特性である。データ８１は、２５０ｎｍのピッチを有する熱電変換素子に光を照射した場合の波長特性である。データ８２は、３００ｎｍのピッチを有する熱電変換素子に光を照射した場合の波長特性である。データ８３は、３５０ｎｍのピッチを有する熱電変換素子に光を照射した場合の波長特性である。データ８４は、４００ｎｍのピッチを有する熱電変換素子に光を照射した場合の波長特性である。

図１３に示されているように、波長が６５０ｎｍの場合にデータ８１の消光率はピークとなった。波長が６７０ｎｍの場合にデータ８２の消光率はピークとなった。波長が７００ｎｍの場合にデータ８３の消光率はピークとなった。波長が７２０ｎｍの場合にデータ８４の消光率はピークとなった。したがって、ピッチが大きいほど、表面プラズモン共鳴が生じる波長が大きいことが確認された。

図１４は、熱電変換素子に光を照射した場合における導電性膜の厚さと波長との関係性を示す。図１４では、縦軸は消光率を示し、横軸は照射する光の波長を示す。データ８６，８７，８８，８９は、導電性膜２０の厚さが互いに異なる熱電変換素子の第一領域αに光を照射した場合の波長特性である。データ８６は、６０ｎｍの膜厚を有する熱電変換素子に光を照射した場合の波長特性である。データ８７は、４０ｎｍの膜厚を有する熱電変換素子に光を照射した場合の波長特性である。データ８８は、３０ｎｍの膜厚を有する熱電変換素子に光を照射した場合の波長特性である。データ８９は、２０ｎｍの膜厚を有する熱電変換素子に光を照射した場合の波長特性である。

図１４に示されているように、波長が６４０ｎｍの場合にデータ８６の消光率はピークとなった。波長が６７０ｎｍの場合にデータ８７の消光率はピークとなる。波長が７００ｎｍの場合にデータ８８の消光率はピークとなった。波長が７５０ｎｍの場合にデータ８９の消光率はピークとなった。したがって、膜厚が薄いほど、表面プラズモン共鳴が生じる波長が大きいことが確認された。

次に、上述した実施形態及び変形例における光学デバイスの作用効果について説明する。

第一領域αに光が照射されると、複数の穴構造４１の配置に応じて表面プラズモン共鳴が生じる。第一領域αにおいて熱放射を受けた場合も、同様に、複数の穴構造４１の配置に応じて表面プラズモン共鳴が生じる。例えば、複数の穴構造４１の開口４１ａが第一面１０ａにおいて所定の周期で配列されている場合には、当該周期に応じた周波数において表面プラズモン共鳴が生じる。

図１０に示されたように、表面プラズモン共鳴が生じると、第一領域αにおいて導電性膜２１の温度が上昇する。特に、各穴構造４１の縁部分において、導電性膜２１の温度が上昇すると考えられる。熱電変換素子１では、複数の穴構造４１によって光熱変換効率が高められている。このため、導電性膜２１において第一領域αに設けられた部分と第二領域βに設けられた部分との間で効率的に温度差が生じ、導電性膜２１に温度勾配が生じる。

第一領域αに設けられ部分は高温部であり、第二領域βに設けられたと重なる部分は低温部である。導電性膜２１に温度勾配が生じると、熱の伝導と共に高温部から低温部に向かって自由電子が拡散する。電極３１は電極３２よりも第一領域αに近いため、第一領域αからの自由電子の拡散によって、電極３１と電極３２との間に電位差が生じる。このため、当該熱電変換素子１は、第一領域αにおける熱エネルギーを第二領域βから電気エネルギーとして取り出すことができる。このように、当該熱電変換素子１は、簡易かつコンパクトな構成で熱エネルギーを電気エネルギーに変換し得る。

熱電変換素子が熱検出素子及び排熱素子などとして用いられる場合、検出対象からの熱放射によって全体が加熱されると、電気エネルギーが発生しない。この結果、熱検出素子及び排熱素子などとしての機能が停止する。熱電変換素子１が熱検出素子及び排熱素子などとして用いられる場合、第二領域βよりも、第一領域αにおける複数の穴構造４１が検出対象からの放射熱を吸収する。特に、熱電変換素子１では、第一領域αと第二領域βとの温度差が比較的大きい。熱電変換素子１は、熱検出素子及び排熱素子としても優れている。

本実施形態では、各穴構造４１の最大幅Ｌ１は、１μｍ以下である。この場合、第一領域αと第二領域βとの間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

本実施形態では、複数の穴構造４１は、等間隔で二次元的に配置されている。複数の穴構造４１の開口４１ａの配列周期Ｌ２は、例えば、１００ｎｍ～１０μｍである。この場合、第一領域αと第二領域βとの間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

Ｌ２／Ｌ１は、例えば、１．２５～７である。この場合、第一領域αと第二領域βとの間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

本実施形態では、第一面１０ａに直交する方向における導電性膜２１と導電性膜２２との間の最短距離と、導電性膜２２の膜厚との合計は、５０ｎｍ～３００ｎｍである。換言すれば、第一面１０ａに直交する方向における第一面１０ａと導電性膜２２の面２２ｂとの間の最短距離Ｄは、５０ｎｍ～３００ｎｍである。この場合、図１２に示されているように、第一領域αにおいて、より大きな温度上昇が生じる。第一面１０ａに直交する方向における導電性膜２１と導電性膜２２との間の最短距離Ｄと、導電性膜２２の膜厚との合計は、７５ｎｍ～１２５ｎｍであってもよい。換言すれば、第一面１０ａに直交する方向における第一面１０ａと導電性膜２２の面２２ｂとの間の最短距離Ｄは、７５ｎｍ～１２５ｎｍであってもよい。この場合、図１２に示されているように、第一領域αにおいて、より一層大きな温度上昇が生じる。したがって、第一領域αと第二領域βとの間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

図５（ｂ）に示されているように、各穴構造４１の開口４１ａは、矩形状であってもよい。この場合、図１１に示されているように、第一領域αにおいて、より大きな温度上昇が生じる。したがって、第一領域αと第二領域βとの間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

図５（ｄ）に示されているように、各穴構造４１は、互いに離間した３つの穴からなってもよい。各穴構造４１の開口４１ａは、互いに離間した３つの矩形状の開口によってコの字形状に形成されていてもよい。この場合、図１１に示されているように、第一領域αにおいて、より大きな温度上昇が生じる。したがって、第一領域αと第二領域βとの間で更に大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

基部材１０は、発泡材を含んでもよい。この場合、第一領域αにおける熱が第一導電性膜から基部材１０に移動し難い。このため、第一領域αと第二領域βとの間でより大きな温度差が生じ、より高い効率で熱エネルギーが電気エネルギーに変換され得る。

以上、本発明の実施形態及び変形例について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

例えば、本実施形態及び変形例では、熱電変換素子１が、同一の形状の複数の穴構造４１を有する場合について説明したが、異なる形状の穴構造４１が配置されていてもよい。

導電性膜２１及び導電性膜２２とは別に、各穴構造４１の側面に導電性膜が設けられていてもよい。この場合、導電性膜２１及び導電性膜２２は、各穴構造４１の側面に設けられた導電性膜によって電気的に接続されてもよい。この構成では、表面プラズモンの励起に起因して、図１０に示されているデータ７３以上の温度上昇が見込まれる。この構成における温度上昇は、図１０に示されているデータ７１よりも低くなると考えられる。

１，１Ａ…熱電変換素子、１０，１０Ａ…基部材、１０ａ…第一面、１０ｂ…第二面、２０，２１，２２…導電性膜、４１…穴構造、４１ａ…開口、Ｌ１…最大幅、Ｌ２…配列周期、α…第一領域、β…第二領域。

Claims

基部材と、
前記基部材に設けられた導電性膜と、を備え、
前記基部材及び前記導電性膜は、光照射により表面プラズモン共鳴を生じさせる複数の穴構造が形成された第一領域と、前記第一領域に接続された第二領域とを有しており、
前記基部材は、前記第一領域に位置していると共に各前記穴構造の開口が配置されている第一面を有し、前記第二領域に位置していると共に前記第一面に接続された第二面を有しており、
前記導電性膜は、前記第一面及び前記第二面に設けられていると共に前記第一領域から前記第二領域に亘って連続して設けられている第一導電性膜と、各前記穴構造の内側に設けられていると共に各前記穴構造の底を形成している第二導電性膜とを含む、熱電変換素子。
前記各穴構造の開口は、矩形状である、請求項１に記載の熱電変換素子。
前記各穴構造は、互いに離間した３つの穴からなり、
前記各穴構造の開口は、互いに離間した３つの矩形状の開口によってコの字形状に形成されている、請求項１又は２に記載の熱電変換素子。
前記基部材は、発泡材を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
前記各穴構造の開口の最大幅は、１μｍ以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
前記複数の穴構造の開口は、二次元的に配列されており、
前記複数の穴構造の開口の配列周期は、１００ｎｍ～１０μｍである、請求項１～５のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
前記複数の穴構造の開口は、二次元的に配列されており、
前記各穴構造の開口の最大幅をＬ１とし、前記複数の穴構造の開口の配列周期をＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１は１．２５～７である、請求項１～６のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
前記第一面に直交する方向における前記第一導電性膜と前記第二導電性膜との間の最短距離は、１０ｎｍ～２９０ｎｍである、請求項１～７のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
前記第一面に直交する方向における前記第一導電性膜と前記第二導電性膜との間の最短距離と、前記第二導電性膜の膜厚との合計は、５０ｎｍ～３００ｎｍである、請求項１～８のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
前記第一面に直交する方向における前記第一導電性膜と前記第二導電性膜との間の最短距離と、前記第二導電性膜の膜厚との合計は、７５ｎｍ～１２５ｎｍである、請求項９に記載の熱電変換素子。