WO2014021072A1 - 金属ナノ・マイクロ突起黒体及びその製造方法 - Google Patents

金属ナノ・マイクロ突起黒体及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2014021072A1
WO2014021072A1 PCT/JP2013/068964 JP2013068964W WO2014021072A1 WO 2014021072 A1 WO2014021072 A1 WO 2014021072A1 JP 2013068964 W JP2013068964 W JP 2013068964W WO 2014021072 A1 WO2014021072 A1 WO 2014021072A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
micro
nano
light
black body
protrusion
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/068964
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
俊一郎 田中
雅樹 千葉
Original Assignee
国立大学法人 東北大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 国立大学法人 東北大学 filed Critical 国立大学法人 東北大学
Publication of WO2014021072A1 publication Critical patent/WO2014021072A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/024—Deposition of sublayers, e.g. to promote adhesion of the coating
    • C23C14/025—Metallic sublayers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/221—Ion beam deposition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/225—Oblique incidence of vaporised material on substrate
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/003—Light absorbing elements

Definitions

  • the present invention relates to a metal nano / micro-projection black body capable of absorbing 95% or more of ultraviolet to visible to infrared light and a method for producing the same.
  • a black body is a substance that can completely absorb all light, but a carbon nanotube (CNT) black body shown in Non-Patent Document 1 is known as a substance that can absorb light almost completely. This can absorb 98% or more of light (electromagnetic wave) in a wide wavelength range of 200 nm to 200 ⁇ m from ultraviolet (UV) to visible light (vis) and far infrared (F-IR).
  • the carbon nanotubes can be used for light shielding of cameras and optical devices, infrared absorbers, thermal infrared sensors, and cooling of electronic devices.
  • CNTs are fine powders and are difficult to manufacture and handle.
  • Patent Document 1 The inventors previously invented a micro / nano-projection structure and a manufacturing method thereof as Patent Document 1. From this structure, we developed a metal nano / micro-projection black body with performance comparable to carbon nanotubes. This metal nano / micro-projection black body can selectively adjust the light absorption direction by adjusting the irradiation direction of the high energy beam.
  • the present invention provides a metal nano / microprojection black body capable of absorbing light over a wide wavelength range from ultraviolet light to visible light and far infrared light, and capable of selectively adjusting the light absorption direction.
  • the purpose is to do.
  • the metal nano-microprojection black body according to the present invention made to solve the above-mentioned problems is a substrate made of zinc or a substrate having a zinc layer on the surface, and a large number of zinc made of zinc grown and formed from this substrate. It consists of nano / micro protrusions,
  • the shape of the nano / micro protrusion is a round cross section including a cone and a cylinder, and the aspect ratio, which is the ratio of the height to the diameter of 3 ⁇ m or less of the bottom of the nano / micro protrusion, is 3 or more, It is characterized by absorbing 95% or more of ultraviolet light, visible light, or infrared light incident at an angle of 30 ° or less with respect to the growth direction of the nano / micro protrusions.
  • nano / micro protrusions are grown and formed on the substrate surface at an angle of 60 ° to 90 ° with respect to the substrate surface with respect to light incident perpendicularly to the substrate surface at an angle of 90 °. More than 95% of ultraviolet light, visible light, or infrared light can be absorbed, and the surface of the substrate with respect to light incident obliquely at an angle of 30 ° to less than 90 ° with respect to the surface of the substrate. On the top, nano / micro protrusions can be grown and formed at an angle of 30 ° or less with respect to incident light to absorb 95% or more of ultraviolet light, visible light, or infrared light.
  • the method for producing a metal nano / micro-projection black body according to the present invention comprises irradiating a high energy beam in an vacuum at an accelerating voltage of 2 to 20 kV at an irradiation angle of 30 to 90 ° with respect to the substrate surface, A large number of nano / micro protrusions as a main body are grown and formed in the incident direction of a high energy beam, and the metal nano / micro protrusion black body as described above is manufactured.
  • the nano / micro protrusion black body of the present invention is formed by densely forming a large number of nano / micro protrusions mainly composed of zinc on the surface of the substrate, the dense structure captures light and does not escape. Absorbency can be demonstrated. Since nano- and micro-protrusions are formed on the surface of the zinc substrate, it is easy to manufacture and handle, unlike powder. Further, since the growth direction of the nano / micro protrusions can be determined by adjusting the irradiation angle of the high energy beam, the azimuth of the absorbed light can be appropriately adjusted.
  • a nano / micro-projection black body of the present invention a nano / micro-projection black body having the above-described characteristics can be easily produced.
  • a substrate made of zinc or a substrate having a zinc layer on its surface (hereinafter referred to as a substrate) is used as a sample for forming a metal nano / micro-projection black body.
  • a substrate having a zinc layer on the surface a galvanized steel plate, a plastic on which zinc is vapor-deposited, or the like can be used.
  • other metals cannot function as a black body.
  • FIG. 1 shows a scanning electron micrograph of the sample surface at an irradiation angle of 30 °
  • FIG. 2 at an irradiation angle of 60 °
  • FIG. 3 at an irradiation angle of 90 °.
  • the nano / micro protrusions are thought to grow in the irradiation direction of the Ar ion beam by the nuclei of the protrusions formed by Ar ion irradiation growing and charging up by surface diffusion of Zn atoms.
  • the formed nano / micro protrusion has a round cross-sectional shape including a cone and a cylinder.
  • FIG. 13 shows the influence of the irradiation angle on the diameter, height, and aspect ratio of the nano / micro protrusions.
  • the nano / micro protrusions had an average length of 5 ⁇ m, a bottom diameter (equivalent diameter) of 0.5 ⁇ m, and an aspect ratio of 10 (length / diameter ratio).
  • the number density was 0.06 to 6 / ⁇ m 2 , although it varied depending on the crystal plane orientation.
  • the result of the characterization by X-ray diffraction (XRD) of the micro / nano / micro protrusion is shown in FIGS.
  • peaks of Zn and ZnO are observed, the peak of ZnO is small, and it was confirmed that the nano / micro protrusions contain ZnO as an impurity in a very small part but are mainly composed of zinc.
  • Fig.6-8 shows an external view of each nano / micro-projection black body when viewed from 90 °.
  • the 90 ° irradiated material material irradiated with an Ar ion beam at an angle of 90 ° with respect to the substrate surface, the same applies hereinafter
  • the 75 ° irradiated material exhibited black color. This is presumably because the group of nano / micro protrusions grows in the vertical direction, so that light easily enters between the protrusions and the light that has entered is not absorbed and reflected.
  • the 45 ° irradiation material exhibited a grayish silver color because the ratio of light impinging on the side surface of the grown nano / micro protrusion increased and part of it was reflected and part of it was absorbed. it is conceivable that.
  • this 45 ° irradiated material was observed from the 45 ° direction, it was black as shown in FIG. This is thought to be because the growth direction of the nano / micro protrusions and the light intrusion direction are in one line, so that light easily enters.
  • the 90 ° irradiated material was black within 30 ° with respect to the substrate normal, and the 75 ° irradiated material was black within 30 ° with respect to the growth direction of the protrusions.
  • FIG. 10 shows the relationship between the reflectance and wavelength measured with an ultraviolet-visible infrared spectrophotometer for the zinc plate under each processing condition.
  • the instrument used is a V-670 ultraviolet visible near infrared spectrophotometer manufactured by JASCO Corporation.
  • the measurement result was corrected by setting the reflectance of the white plate to 100% and the reflectance of the black plate to 0%.
  • the measurement was performed by irradiating light from the direction perpendicular to the sample surface, but the Ar ion beam 60 °, 75 °, 90 ° irradiated material has good light absorption of 98% or more over a wide wavelength range from ultraviolet to visible to infrared light. Performance (light reflectance of 2% or less) was shown.
  • the Ar ion beam 30 ° 45 ° irradiated material has a light absorption performance of around 90% in the visible light region.
  • the reflectance of light can be adjusted by adjusting the irradiation direction of the Ar ion beam.
  • FIG. 11 shows the relationship between the irradiation angle of the Ar ion beam and the reflectance of light.
  • black is used when the expected angle formed by incident light with respect to the growth direction of the protrusion is within 30 °. It becomes a perfect black body.
  • the absorption rate of light incident from the direction perpendicular to the sample surface decreases to around 90%, but these are at an angle of 30 to less than 90 ° with respect to the substrate surface. It absorbs 95% or more of light incident obliquely and within 30 ° with respect to the growth direction of the protrusions. If the angle is less than 30 °, the absorptance of vertically incident light is reduced to about 60% and cannot be used as a black body, but incident light within 30 ° in the growth direction of the protrusion absorbs 95% or more.
  • FIG. 12 shows the reflectivity of normal incident light on Ag, Au, Cu, Fe, Zr, and Zn protrusions grown at an Ar ion beam irradiation angle of 75 °. All except Zn showed a reflectance of 30 to more than 80% in the visible light region, but only Zn was a perfect black body that almost completely absorbed light. The reason why only Zn absorbs light is currently under investigation.
  • the complete black body of the present invention can also be formed on the surface of a galvanized metal or plastic, for example, a galvanized steel sheet.
  • FIG. 15 shows the measurement data of the reflectance of the galvanized steel sheet irradiated with an Ar ion beam at an angle of 75 °.
  • the pickled surface exhibits good light absorption of 95% or more over the ultraviolet to visible to infrared light region.
  • nano / micro-projection black body according to the present invention and the production conditions thereof are numerically limited.
  • the beam irradiated in the present invention is not limited to the Ar ion beam, but may be any high energy beam capable of growing nano / micro protrusions.
  • an electron beam, a laser beam, an X-ray beam may be used.
  • ⁇ rays, neutron rays, particle beams, and the like can be used.
  • the irradiation angle of the high energy beam is 30 to 90 °, preferably 60 to 90 ° with respect to the plate surface, and the acceleration voltage is preferably 2 to 20 kV. If the irradiation angle is less than 30 °, it is difficult to efficiently supply the energy of the Ar ion beam to the plate surface, and the upper limit of 90 ° is necessary to perform irradiation beyond that. Because there is no.
  • the acceleration voltage is set to 2-20 kV when the Ar ion beam, which is a high energy beam, is irradiated, the irradiation voltage such as point defects and the low voltage of 20 kV or less in which implanted ions are difficult to be introduced. On the other hand, if it is less than 2 kV, the voltage is too weak.
  • the acceleration voltage is 5 to 10 kV
  • the irradiation angle is 30 to 90 °
  • the irradiation time is 10 to 90 minutes.
  • the current of the Ar ion beam is preferably 0.5 to 1.5 mA.
  • the preferred shape of the microprotrusions is substantially a cone and a round cross section, but may include a cylindrical body.
  • the outer surface may bulge outward or may be curved inward.
  • the cross section is not limited to a perfect circle and may be a round shape such as an ellipse.
  • the aspect ratio is set to 3 or more. If the base diameter is less than 3, the specific surface area is increased to increase the light absorption ability. It is because it is not possible. On the other hand, the upper limit of the aspect ratio is not set because the light absorption ability can be increased as the ratio is increased.
  • the incident angle of light is within 30 ° with respect to the growth direction of the projection, that is, the irradiation direction of the high energy beam, that is, within the conical direction within the prospective angle of 30 °.
  • the incident angle exceeds 30 °, the light collides with the side surfaces of the nano / micro protrusions and becomes difficult to be absorbed, and the function as a black body is deteriorated.
  • FIG. 14 shows a two-dimensional conceptual diagram for explaining the growth direction of the nano / micro protrusions and the incident angle ⁇ of light. When the incident angle ⁇ is within 30 °, the incident light is absorbed by 95% or more.
  • the reflectance of the nano / micro-projection black body of the present invention needs to be 95% or more. If it is less than 95%, sufficient performance as a black body cannot be exhibited.
  • the reflectance is desirably 98% or more.
  • nano-microprojection black body of the present invention described above is expected to be used for many applications such as solar power generation, solar thermal power generation, optical shutter, optical circuit, stealth substrate, plasmon excitation substrate and the like.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

広い波長領域にわたって光を吸収可能で、かつ光の吸収方位を選択的に調整することができる金属ナノ・マイクロ突起黒体及びその製造方法を提供する。 亜鉛からなる基板又は亜鉛層を表面に有する基板と、この基板から成長・形成された亜鉛を主体とする多数のナノ・マイクロ突起とからなり、このナノ・マイクロ突起の形状が円錐体及び円柱体を含む横断面丸形であり、ナノ・マイクロ突起の底面の３μｍ以下の直径に対する高さの比であるアスペクト比が３以上であって、このナノ・マイクロ突起の成長方向に対して３０°以内の角度で入射する紫外光又は可視光又赤外光を９５％以上吸収することを特徴とする金属ナノ・マイクロ突起黒体、及びその製造方法。

Description

金属ナノ・マイクロ突起黒体及びその製造方法
　本発明は、紫外～可視～赤外光を９５％以上吸収可能な金属ナノ・マイクロ突起黒体及びその製造方法に関するものである。
　黒体は、あらゆる光を完全に吸収できる物質であるが、光をほぼ完全に吸収できる物質として非特許文献１に示したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）黒体が知られている。このものは、紫外線（UV）から可視光（vis）、遠赤外線（F-IR）までの２００ｎｍ-２００μｍの広い波長域で９８％以上の光（電磁波）を吸収することができる。このカーボンナノチューブは、カメラや光学機器の遮光、赤外線吸収材や熱型赤外センサー、電子機器の冷却などに利用が可能である。しかしながら、ＣＮＴは微粉末でその製造、取り扱いに困難さが伴う。
　発明者らは、先に特許文献１として、マイクロ・ナノ突起構造体及びその製造方法を発明した。そして、この構造体からカーボンナノチューブに匹敵する性能を有する金属ナノ・マイクロ突起黒体を開発した。この金属ナノ・マイクロ突起黒体は、高エネルギービームの照射方向を調整することによって光の吸収方位を選択的に調整することができる。
K.Mizuno et al. : Proceedings of the National Academy of Sciences 106:6044-6047.(2009)"A Black body absorber from vertically aligned single walled carbon nano tubes" 特開２０１１－５６６３８号公報
　本発明は、紫外光から、可視光、遠赤外光までの広い波長領域にわたって光を吸収可能で、かつ光の吸収方位を選択的に調整することができる金属ナノ・マイクロ突起黒体を提供することを目的とする。
課題を解決するため手段
上記の課題を解決するためになされた本発明に係る金属ナノ・マイクロ突起黒体は、亜鉛からなる基板又は亜鉛層を表面に有する基板と、この基板から成長・形成された亜鉛からなる多数のナノ・マイクロ突起とからなり、
このナノ・マイクロ突起の形状が円錐体及び円柱体を含む横断面丸形であり、ナノ・マイクロ突起の底面の３μｍ以下の直径に対する高さの比であるアスペクト比が３以上であって、
このナノ・マイクロ突起の成長方向に対して３０°以内の角度で入射する紫外光又は可視光又赤外光を９５％以上吸収することを特徴とするものである。
　上記した発明において、基板面に対して９０°の角度で垂直に入射する光に対して、基板面上に基板面に対して６０°～９０°の角度でナノ・マイクロ突起を成長・形成して、紫外光又は可視光又赤外光を９５％以上吸収するようにすることができるし、基板面に対して３０°～９０°未満の角度で斜めに入射する光に対して、基板面上に入射光に対して３０°以内の角度でナノ・マイクロ突起を成長・形成して、紫外光又は可視光又赤外光を９５％以上吸収するようにすることができる。
　また、本発明の金属ナノ・マイクロ突起黒体の製造方法は、真空中で、基板面に対し３０～９０°の照射角度で、加速電圧２～２０ｋＶで高エネルギービームを照射して、亜鉛を主体とする多数のナノ・マイクロ突起を、高エネルギービームの入射方向に成長・形成させて、上記したような金属ナノ・マイクロ突起黒体を製造することを特徴とするものである。
　本発明のナノ・マイクロ突起黒体は、基板の表面に亜鉛を主体とする多数のナノ・マイクロ突起が密集して形成されているので、この密集した構造が光を補足して逃がさず高い光吸収性を発揮することができる。亜鉛基板の表面にナノ・マイクロ突起が形成されているので、粉末と異なり製造、取り扱いが容易である。また、高エネルギービームの照射角度を調整することによってナノ・マイクロ突起の成長方向を決定することができるので、吸収される光の方位を適宜調整することができる。
また、本発明のナノ・マイクロ突起黒体の製造方法によれば、上記のような特徴のあるナノ・マイクロ突起黒体を容易に製造することができる。
基板面に対して３０°方向からＡｒイオンビームを照射したときに形成されたナノ・マイクロ突起を示す走査電子顕微鏡写真である。 基板面に対して６０°方向からＡｒイオンビームを照射したときに形成されたナノ・マイクロ突起を示す走査電子顕微鏡写真である。 基板面に対して９０°（垂直）方向からＡｒイオンビームを照射したときに形成されたナノ・マイクロ突起を示す走査電子顕微鏡写真である。 基板面に対し４５°方向からＡｒイオンビームを照射した試料のＸＲＤ結果を示す図である（加速電圧7 kV、Ｘ線照射条件→ＣｕＫα, 40 kV, 150 mA）。 基板面に対し７５°方向からＡｒイオンビームを照射した試料のＸＲＤ結果を示す図である（加速電圧7 kV、Ｘ線照射条件→ＣｕＫα, 40 kV, 150 mA）。 基板面に対し９０°方向からＡｒイオンビームを照射したナノ・マイクロ突起黒体の、９０°方向からの外観写真である。 基板面に対し７５°方向からＡｒイオンビームを照射したナノ・マイクロ突起黒体の、９０°方向からの外観写真である。 基板面に対し４５°方向からＡｒイオンビームを照射したナノ・マイクロ突起黒体の、９０°方向からの外観写真である。 基板面に対し４５°方向からＡｒイオンビームを照射したナノ・マイクロ突起黒体の、４５°方向からの外観写真である。 各条件で処理した亜鉛板に垂直方向から入射した光の反射率を示すグラフである。 図１０から求めたＡｒイオンビームの照射角と反射率の関係を、入射光波長毎に示すグラフである。 各種の金属の反射率を示すグラフである（Ａｒイオンビームの入射角度75°） ナノ・マイクロ突起の直径、高さ、アスペクト比に及ぼす照射角の影響を示すグラフである。 ナノ・マイクロ突起の成長方向と、光の入射角度αを説明する２次元的な概念図である。 亜鉛メッキ鋼板における垂直入射光の反射率を示すグラフである。
　以下に、本発明の実施例について説明する。
　本発明においては金属ナノ・マイクロ突起黒体を形成する試料として、亜鉛からなる基板又は亜鉛層を表面に有する基板（以下、基板という）を用いる。亜鉛層を表面に有する基板として、亜鉛メッキ鋼板、亜鉛を蒸着したプラスチックなどを用いることができる。後述するように他の金属では黒体としての機能を発揮することはできない。ここでは、試料として１０×１０ｍｍ，ｔ＝０．１ｍｍの冷間圧延した亜鉛基板を用いた。これを濃度が２モルの塩酸水溶液にて酸洗したのち、真空室に導き真空度を１０－２Ｐａに保持した後Ａｒガスを５～１０Ｐa導入し、Ａｒイオンビームを基板面に対する照射角度５～９０°として、加速電圧７ｋＶ，電流０．５ｍＡ、照射時間３０分の条件で照射した。
図１には照射角度３０°、図２には照射角度６０°、図３には照射角度９０°における試料表面の走査電子顕微鏡写真を示す。Ａｒイオンを照射するとナノ・マイクロ突起はＡｒイオンの照射方向に指向して成長する。照射角度３０°の試料ではマイクロ・ナノ突起が斜めに成長しているので、細く伸長して観察されるが、照射角度９０°の試料ではナノ・マイクロ突起は観察方向に成長しているので、突起の先端部が観察される。ナノ・マイクロ突起は、Ａｒイオン照射によって形成された突起の核が、Ｚｎ原子の表面拡散により成長しチャージアップすることで、Ａｒイオンビームの照射方向に成長するものと考えられる。
形成されたナノ・マイクロ突起は、円錐体及び円柱体を含む横断面丸形の形状である。図１３には、ナノ・マイクロ突起の直径、高さ、アスペクト比に及ぼす照射角度の影響を示す。ナノ・マイクロ突起は、平均で長さが５μｍ、底面の直径（等価直径）が０．５μｍ、長さ/直径の比であるアスペクト比は１０であった。また、数密度は、結晶面の方位によって異なるが、０．０６～６本/μｍ２であった。
マイクロナノ・マイクロ突起のＸ線回折（ＸＲＤ）によるキャラクタリゼーションの結果を、図４、５に示す。キャラクタリゼーションは、Ｃｕ－ｋαＸ線入射角度α=０．５ｄｅｇとしたＧｌａｎｃｉｎｇ　Ａｎｇｌｅ　ＸＲＤ　による。ＺｎとＺｎＯのピークが認められるが、ＺｎＯのピークは小さく、ナノ・マイクロ突起は、ごく一部に不純物としてＺｎＯを含有するが亜鉛を主体とするものであることが確認された。
　図６-８には、各ナノ・マイクロ突起黒体に対して９０°方向から見た場合の外観写真を示す。９０°照射材（基板面に対し９０°の角度でＡｒイオンビームを照射した材料、以下同様）、７５°照射材においては、黒色を呈した。これはナノ・マイクロ突起の群が垂直方向に成長しているために、突起間に光が侵入しやすく、かつ侵入した光が吸収されて反射されないためであると考えられる。一方、４５°照射材では灰色がかった銀色を呈したが、これは成長したナノ・マイクロ突起の側面に衝突する光の割合が多くなって一部が反射し一部が吸収されるためであると考えられる。この４５°照射材を４５°方向から観察すると、図９に示すように、黒色を呈した。これは、ナノ・マイクロ突起の成長方向と光の侵入方向が一線上になるために、光が侵入しやすくなったためであると考えられる。なお、９０°照射材は基板法線に対し３０°以内、７５°照射材は、突起の成長方向に対し３０°以内で黒色を呈した。
　図１０には、各処理条件の亜鉛板について紫外可視赤外分光光度計により測定した反射率と波長の関係を示す。使用した機器は、日本分光株式会社製のＶ－６７０紫外可視近赤外分光光度計である。白色板の反射率を１００％とし黒色板の反射率を０％として、測定結果を補正した。測定は試料面に対し垂直方向から光を照射したが、Ａｒイオンビーム６０°、７５°、９０°照射材は、紫外～可視～赤外光の広い波長領域にわたって９８％以上の良好な光吸収性能（光の反射率２％以下）を示した。
Ａｒイオンビーム３０°４５°照射材においては、可視光領域で９０％前後の光吸収性能である。以上のように、Ａｒイオンビームの照射方向を調整することによって、光の反射率を調整することができる。図１１には、Ａｒイオンビームの照射角度と光の反射率の関係を示すが、６０～９０°照射材においては突起の成長方向に対して入射光のなす見込角が３０°以内で黒色を呈する完全黒体となる。
３０～６０°未満の照射材では、試料面に対して垂直方向から入射する光の吸収率は９０％前後に低下するが、これらは、基板面に対して３０°～９０°未満の角度で斜めに入射し、かつ突起の成長方向に対し３０°以内で入射する光を９５％以上吸収する。また、３０°未満では垂直入射光の吸収率は６０％程度と低下して、黒体として使用することはできないが、突起の成長方向に３０°以内の入射光は９５％以上吸収する。
　図１２には、Ａｒイオンビームの照射角度７５°で成長したＡｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｚｒ，Ｚｎの突起体における垂直入射光の反射率を示す。Ｚｎを除く全てのものは、可視光領域では３０～８０％超の反射率を示すが、Ｚｎのみがほぼ完全に光を吸収する完全黒体であった。Ｚｎのみが光を吸収する理由については、現在検討中である。なお、本発明の完全黒体は、亜鉛メッキした金属やプラスチック、例えば亜鉛メッキ鋼板表面にも形成することができる。
　図１５には、亜鉛メッキ鋼板について７５°の角度でＡｒイオンビームを照射した材料の反射率の測定データを示す。表面を酸洗したものは、紫外～可視～赤外光領域に渡って９５％以上の良好な光吸収を示す。
　さて以下に、本発明に係るナノ・マイクロ突起黒体及びその製造条件を数値的に限定する。
　本発明において照射せしめられるビームは、Ａｒイオンビームに限定されるものではなく、ナノ・マイクロ突起を成長させうる高エネルギービームであればよく、Ａｒイオンビームのほかに電子線、レーザービーム、Ｘ線、γ線、中性子線、粒子ビーム等を用いることができる。
高エネルギービームの照射角度は、板面に対して３０～９０°、望ましくは６０～９０°とし、加速電圧は、２－２０ｋＶとするのが望ましい。照射角度が３０°未満では、板面に対して効率よくＡｒイオンビームのエネルギーを供給するのが難しいからであり、また、９０°を上限としたのは、それを超えて照射を行う必要がないからである。
また、加速電圧を２－２０ｋＶとするのは、高エネルギービームであるＡｒイオンビームを照射する場合には、点欠陥などの照射欠陥や注入イオンが導入されにくい２０ｋＶ以下の低電圧とするのが望ましく、一方２ｋＶ未満では電圧が弱すぎるからである。ぺニング型イオン源を用いた場合には、加速電圧５－１０ｋＶ、照射角度３０～９０°、照射時間１０～９０分が望ましい。また、Ａｒイオンビームの電流は、０．５～１．５ｍＡが望ましい。
　好適なマイクロ突起の形状は、ほぼ円錐体で横断面丸形であるが、円柱体を含んでいてもよい。なお、外表面は外側に膨出していても、内側に湾曲していても構わない。横断面は、真円に限定されず楕円等の丸形のものであればよい。
ナノ・マイクロ突起、基部底面の直径ｄが１０μｍ以下であって、直径に対する突起長さｈの比であるアスペクト比（＝ｈ／ｄ）が３以上であるのが望ましい。基部直径が１０μｍを超えると、微細なナノ・マイクロ突起を得るのが困難となるからであり、アスペクト比を３以上とするのは、３未満では比表面積を大きくして光吸収能を高めることができないからである。一方アスペクト比に上限を設けないのはこれが大きいほど光吸収能を高めることができるからである。
　また、本発明のナノ・マイクロ突起黒体において、光の入射角は、突起の成長方向、即ち、高エネルギービームの照射方向に対して３０°以内、即ち見込み角３０°以内の円錐方向以内とする必要がある。入射角が３０°を超えると、光がナノ・マイクロ突起の側面に衝突して吸収されにくくなって、黒体としての機能が低下するからである。図１４には、ナノ・マイクロ突起の成長方向と、光の入射角度αを説明する２次元的な概念図を示す。この入射角度αが３０°以内で入射光を９５％以上吸収する。
　また、本発明のナノ・マイクロ突起黒体の反射率は、９５％以上必要である。９５％未満では、黒体として十分な性能を発揮できないからである。なお、反射率は９８％以上であるのが望ましい。
　以上に説明した本発明のナノ・マイクロ突起黒体は、太陽光発電、太陽熱発電、光シャッター、光回路、ステルス基板、プラズモン励起基板等の多くの用途に用いることが期待される。

Claims (4)

  1. 　亜鉛からなる基板又は亜鉛層を表面に有する基板と、この基板から成長・形成された亜鉛を主体とする多数のナノ・マイクロ突起とからなり、
    このナノ・マイクロ突起の形状が円錐体及び円柱体を含む横断面丸形であり、ナノ・マイクロ突起の底面の３μｍ以下の直径に対する高さの比であるアスペクト比が３以上であって、
    このナノ・マイクロ突起の成長方向に対して３０°以内の角度で入射する紫外光又は可視光又赤外光を９５％以上吸収することを特徴とする金属ナノ・マイクロ突起黒体。
  2. 　基板面に対して９０°の角度で垂直に入射する光に対して、基板面上に基板面に対して６０°～９０°の角度でナノ・マイクロ突起を成長・形成して、紫外光又は可視光又赤外光を９５％以上吸収するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の金属ナノ・マイクロ突起黒体。
  3. 基板面に対して３０°～９０°未満の角度で斜めに入射する光に対して、基板面上に入射光に対して３０°以内の角度でナノ・マイクロ突起を成長・形成して、紫外光又は可視光又赤外光を９５％以上吸収するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の金属ナノ・マイクロ突起黒体。
  4. 　真空中で、基板面に対し３０～９０°の照射角度で、加速電圧２～２０ｋＶで高エネルギービームを照射して、亜鉛を主体とする多数のナノ・マイクロ突起を、高エネルギービームの入射方向に成長・形成させて、請求項１又は２又は３に記載の金属ナノ・マイクロ突起黒体を製造することを特徴とする金属ナノ・マイクロ突起黒体の製造方法。
PCT/JP2013/068964 2012-07-30 2013-07-11 金属ナノ・マイクロ突起黒体及びその製造方法 WO2014021072A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012168117A JP6418514B2 (ja) 2012-07-30 2012-07-30 金属ナノ・マイクロ突起黒体及びその製造方法
JP2012-168117 2012-07-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014021072A1 true WO2014021072A1 (ja) 2014-02-06

Family

ID=50027756

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2013/068964 WO2014021072A1 (ja) 2012-07-30 2013-07-11 金属ナノ・マイクロ突起黒体及びその製造方法

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6418514B2 (ja)
WO (1) WO2014021072A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014042977A (ja) * 2012-08-29 2014-03-13 Tohoku Univ ナノ・マイクロ突起体

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110031115A (zh) * 2018-01-11 2019-07-19 清华大学 面源黑体
JP7480939B2 (ja) * 2020-02-28 2024-05-10 国立大学法人東北大学 Ｆｅ基ナノ・マイクロ突起体の製造方法
JP7191137B2 (ja) * 2021-02-15 2022-12-16 プライムプラネットエナジー＆ソリューションズ株式会社 ナノ突起構造体検査装置およびナノ突起構造体検査方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010026853A1 (ja) * 2008-09-05 2010-03-11 住友金属鉱山株式会社 黒色被覆膜とその製造方法、黒色遮光板、及び、それを用いた絞り、光量調整用絞り装置、シャッター、並びに耐熱遮光テープ
JP2011056638A (ja) * 2009-09-14 2011-03-24 Tohoku Univ マイクロ・ナノ突起構造体及びその製造方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4457589B2 (ja) * 2003-04-07 2010-04-28 コニカミノルタホールディングス株式会社 透過型光学素子を有する光学装置
JP4967124B2 (ja) * 2006-09-15 2012-07-04 国立大学法人東北大学 マイクロ・ナノ突起構造体及びその製造方法
JP5028620B2 (ja) * 2007-03-15 2012-09-19 国立大学法人東北大学 ナノ突起構造体及びその製造方法
BR112012002060A2 (pt) * 2009-07-28 2016-05-17 Sharp Kk filme óptico, método para produção do mesmo e método para controlar as características ópticas do mesmo

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010026853A1 (ja) * 2008-09-05 2010-03-11 住友金属鉱山株式会社 黒色被覆膜とその製造方法、黒色遮光板、及び、それを用いた絞り、光量調整用絞り装置、シャッター、並びに耐熱遮光テープ
JP2011056638A (ja) * 2009-09-14 2011-03-24 Tohoku Univ マイクロ・ナノ突起構造体及びその製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014042977A (ja) * 2012-08-29 2014-03-13 Tohoku Univ ナノ・マイクロ突起体

Also Published As

Publication number Publication date
JP6418514B2 (ja) 2018-11-07
JP2014026197A (ja) 2014-02-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6418514B2 (ja) 金属ナノ・マイクロ突起黒体及びその製造方法
Singh et al. Nanotechnology: The future engineering
Chang et al. Light-trapping effects and dye adsorption of ZnO hemisphere-array surface containing growth-hindered nanorods
EP3375912B1 (en) Composite material device
Duo et al. Preparation of ZnO from 2 D nanosheets to diverse 1 D nanorods and their structure, surface area, photocurrent, optical and photocatalytic properties by simple hydrothermal synthesis
Khashan et al. Indium nitride nanoparticles prepared by laser ablation in liquid
Abdulrahman et al. Impact of radio frequency plasma power on the structure, crystallinity, dislocation density, and the energy band gap of ZnO nanostructure
CN103769609A (zh) 一种贵金属-半导体复合结构微纳颗粒、制备方法、应用
CN101327946A (zh) 一种具有特殊形貌的微-纳颗粒及其制备方法与应用
CN109913927A (zh) 一种基于飞秒激光增强自掺杂的二氧化钛光电极制备方法
Atwa et al. Optical, structural and optoelectronic properties of pulsed laser deposition PbS thin film
Chhikara et al. On the synthesis of Zn/ZnO core–shell solid microspheres on quartz substrate by thermal evaporation technique
KR101638981B1 (ko) 3차원 플라즈모닉 나노 구조체 및 그 제조방법
Negrea et al. Solar physical vapor deposition preparation and microstructural characterization of TiO2 based nanophases for dye-sensitized solar cell applications
Albetran et al. Parameters controlling the crystallization kinetics of nanostructured TiO2–An overview
CN108115146B (zh) 一种氧化锌@锌微球的制备方法
JP2011056638A (ja) マイクロ・ナノ突起構造体及びその製造方法
Ugwu The Effect of Annealing, Doping on the Properties and Functionality of Zinc Oxide Thin Film; Review
Qin et al. Surface texturing of TiO 2 film by mist deposition of TiO 2 nanoparticles
Sholehah et al. Effect of posthydrothermal treatments on the physical properties of ZnO layer derived from chemical bath deposition
Jang et al. Soft-solution route to various ZnO nanoplate arrays
Lee et al. Growth of ZnO-nanorod grating on the seed grating produced by femtosecond laser pulses
Kumar et al. Significant enhancement in the cold emission characteristics of chemically synthesized super-hydrophobic zinc oxide rods by nickel doping
KR101309664B1 (ko) 나노 구조체 제조 방법
Swarnkar et al. Controlled synthesis of cuprous oxide nanorings by pulsed laser ablation of copper metal in aqueous media of sodium dodecyl sulfate

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13824895

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13824895

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1