WO2024105787A1

WO2024105787A1 - 近接場熱輻射発電素子

Info

Publication number: WO2024105787A1
Application number: PCT/JP2022/042428
Authority: WO
Inventors: 新平小川; 政彰嶋谷; 昌一郎福島; 学岩川
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2022-11-15
Filing date: 2022-11-15
Publication date: 2024-05-23

Abstract

熱源と光電変換部との距離を従来より小さくすることで、近接場熱輻射による発電効率が向上された近接場熱輻射発電素子が得られる。近接場熱輻射発電素子（１）は、熱源（１０）と、光電変換部（２０）と、ストッパー（３０）とを備える。熱源（１０）は熱源面（１０ａ）を有する。光電変換部（２０）は熱源面（１０ａ）と対向する光電変換部面（２０ｓ）を有する。ストッパー（３０）は、熱源面（１０ａ）と光電変換部面（２０ｓ）とを接続する。ストッパー（３０）の材料は二次元材料である。

Description

近接場熱輻射発電素子

　本開示は、近接場熱輻射発電素子に関する。

　近年、熱源の表面近傍に存在する近接場光を利用した発電技術が注目されている。近接場光による輻射熱をエネルギーに変換させる発電変換部は、熱源との距離が小さいほど、得られるエネルギーが大きい。従来の近接場熱輻射発電素子は、赤外線放射体と、発電部と、赤外線と発電部とを所定の距離に保つアクチュエータとを備える（例えば、特開２００８－３００６２６号公報参照）。

特開２００８－３００６２６号公報

　しかし、上記のような近接場熱輻射発電素子は、赤外線放射体を発電部に近づけられる距離の限界が、数１００ｎｍと大きい。そのため、光電変換部を近接場光が存在する熱源の表面に極限まで近接させることが困難であり、更なる発電効率の向上が困難であった。

　本開示は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、本開示の目的は、熱源と光電変換部との距離を従来より小さくすることで、近接場熱輻射による発電効率が向上された近接場熱輻射発電素子を提供することである。

　本開示に従った近接場熱輻射発電素子は、熱源と、光電変換部と、ストッパーとを備える。熱源は熱源面を有する。光電変換部は光電変換部面を有する。光電変換部面は熱源面と対向する。ストッパーは、熱源面と光電変換部面とを接続する。ストッパーの材料は二次元材料である。

　上記によれば、熱源と光電変換部との距離を従来より小さくすることで、近接場熱輻射による発電効率が向上された近接場熱輻射発電素子を得ることができる。

実施の形態１に係る近接場熱輻射発電素子の断面図である。実施の形態１に係る近接場熱輻射発電素子の各構成部品を分離した斜視図である。図１の線分ＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。実施の形態１に係る近接場熱輻射発電素子の変形例を示す断面図である。実施の形態１に係る近接場熱輻射発電素子の変形例を示す断面図である。実施の形態１に係る近接場熱輻射発電素子の変形例を示す断面図である。実施の形態１に係る近接場熱輻射発電素子の変形例を示す断面図である。実施の形態１に係る近接場熱輻射発電素子の製造方法のフローチャートである。実施の形態２に係る近接場熱輻射発電素子の断面図である。図９の線分Ｘ－Ｘにおける断面図である。実施の形態２に係る近接場熱輻射発電素子の製造方法のフローチャートである。実施の形態３に係る近接場熱輻射発電素子の断面図である。実施の形態４に係る近接場熱輻射発電素子の断面図である。実施の形態５に係る近接場熱輻射発電素子の断面図である。実施の形態６に係る近接場熱輻射発電素子の断面図である。実施の形態７に係る近接場熱輻射発電素子の断面図である。実施の形態８に係る近接場熱輻射発電素子の断面図である。実施の形態９に係る近接場熱輻射発電素子の光電変換部材の平面図である。実施の形態９に係る近接場熱輻射発電素子の光電変換部材の変形例を示す平面図である。実施の形態９に係る近接場熱輻射発電素子の光電変換部材の変形例を示す平面図である。実施の形態９に係る近接場熱輻射発電素子の光電変換部材の変形例を示す平面図である。実施の形態１０に係る近接場熱輻射発電素子の断面図である。

　以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、特に言及しない限り、以下の図面において同一または対応する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

　実施の形態１．
　＜近接場熱輻射発電素子の構成＞
　図１は、実施の形態１に係る近接場熱輻射発電素子１の断面図である。図２は、実施の形態１に係る近接場熱輻射発電素子１の各構成部品を分離した斜視図である。図３は、図１の線分ＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面の近接場熱輻射発電素子１のＹ方向から見た平面視での図である。

　図１から図３に示された近接場熱輻射発電素子１は、たとえば、発電用の近接場熱輻射発電素子１であって、熱源１０と、光電変換部２０と、ストッパー３０とを主に備える。図２は、熱源１０、光電変換部２０、およびストッパー３０の各構成部品をそれぞれ分離した、実施の形態１に係る近接場熱輻射発電素子１が立体的に示された図である。つまり、図１は、熱源１０、光電変換部２０、およびストッパー３０の各構成部品をそれぞれ積層方向（図１のＹ方向）に接続した近接場熱輻射発電素子１を、Ｚ方向から見た断面図である。Ｚ方向は、積層方向（図１のＹ方向）および平坦方向（図１のＸ方向）のそれぞれに対して垂直な方向である。図３は積層方向から見た、近接場熱輻射発電素子１の断面図である。

　熱源１０は熱源面１０ａを有する。光電変換部２０は光電変換部面２０ｓを有する。光電変換部面２０ｓは熱源面１０ａと対向する。ストッパー３０は、熱源面１０ａと光電変換部面２０ｓとを接続する。ストッパー３０は、熱源面１０ａと光電変換部面２０ｓとの間の距離を規定するスペーサとして機能する。Ｙ方向（積層方向）におけるストッパー３０の厚さが熱源面１０ａと光電変換部面２０ｓとの間の距離に相当する。図３に示されるように、２つのストッパー３０は、光電変換部面２０ｓの端部に配置されている。異なる観点から言えば、２つのストッパー３０は、光電変換部面２０ｓの中央部を挟んで間隔を隔てて配置されている。熱源１０は、熱を有する物であればよい。熱源１０は、たとえば、発熱部を有する装置、パイプ、または人体でもよい。

　光電変換部２０は熱源１０から輻射される電磁波から得られるエネルギーを電気に変換する電磁波検出器であればよい。光電変換部２０は、たとえば、ＰＮ接合を有するシリコン基板を含む電磁波検出器、化合物半導体からなる電磁波検出器、あるいはサーモパイルと呼ばれる熱電対を使用した電磁波検出器であってもよい。

　ここで、本実施の形態１に係る近接場熱輻射発電素子１の特徴は、ストッパー３０の材料が二次元材料である点である。二次元材料は、原子層の厚さに相当する厚さを有する材料である。そのため、ストッパー３０の材料として二次元材料を用いることで、熱源１０と光電変換部２０との距離、つまり熱源面１０ａと光電変換部面２０ｓとの間の距離は極限まで小さくなる。

　熱源１０から輻射される電磁波のスペクトルはウィーンの放射法則によって決定される。また、熱源１０からは、ステファン・ボルツマンの法則により、当該熱源１０の表面温度の４乗に比例するエネルギーを有する電磁波が輻射される。熱源１０が黒体である場合、当該熱源１０の輻射率が１００％となり、この時の輻射熱によるエネルギーが最大の輻射エネルギーとなる。この輻射エネルギーが最大となる時のエネルギーは、一般的に黒体限界と呼ばれる。

　従来の技術では、この黒体限界を超えるエネルギーを、輻射エネルギーとして取り出すことが困難であった。しかし、近年は、近接場光を利用して黒体限界を超えるエネルギーを取り出せる技術が注目されている。熱源と電磁波検出器との距離が熱源から輻射される電磁波の波長以下である時、電磁波検出器の表面は、熱源から輻射された電磁波の反射を抑制する。具体的には、熱源と電磁波検出器との距離は１μｍ以下であることが好ましい。このような条件を満たすとき、黒体限界を超えるエネルギーを、熱源から輻射される電磁波から得られる。この現象は、一般的に近接場熱輻射と呼ばれる。

　近接場熱輻射の効果により、本実施の形態１に係る近接場熱輻射発電素子１では、熱源１０と電磁波検出器である光電変換部２０との距離が小さいほど、近接場光による輻射エネルギーが大きくなる。図１に示されるように、熱源面１０ａと光電変換部面２０ｓとのＹ方向における距離を第１距離ｔ１とする。第１距離ｔ１が赤外線の波長の半分から１／３の長さ以下の時、第１距離ｔ１は近接場熱輻射の効果が得られる距離になる。特に、第１距離ｔ１が小さいほど、近接熱輻射による効果が大きくなり、当該近接場熱輻射発電素子１が得られるエネルギーは指数関数的に増加する。ここで、ストッパー３０を構成する材料が二次元材料であれば、第１距離ｔ１は、物理的な構造物の寸法として考え得る限り最も小さくなる。

　二次元材料は、原子層の厚さに相当する厚さを有する材料である。そのため、二次元材料は、原子層の厚さを強調するために、原子層材料と呼ばれることもある。図１に示されるように、原子層空間４０は、Ｙ方向における原子層の厚さを有するストッパー３０によって熱源１０と光電変換部２０との間に形成された空間である。このようにすることで、原子層空間４０を形成した当該近接場熱輻射発電素子１は、黒体限界だけでなく、従来の近接場熱輻射を利用して得られるエネルギーよりも更に大きなエネルギーを熱源１０から得ることができる。つまり、原子層空間４０が形成された近接場熱輻射発電素子１は、原理的に最も効率のよい発電素子となる。

　本実施の形態１に係る光電変換部２０が検出する電磁波は、たとえば、可視光または赤外線である。なお、電磁波は、可視光および赤外線に限定されない。電磁波は、たとえば、Ｘ線、紫外線、近赤外線、テラヘルツ（ＴＨｚ）波、マイクロ波などの光および電波でもよい。

　本実施の形態１に係るストッパー３０の材料である二次元材料は、絶縁材であることが好ましい。特に、原子層材料であり良質な絶縁性を有する窒化ボロン（Ｂｏｒｏｎ　Ｎｉｔｒｉｄｅ）は、本実施の形態１に係るストッパー３０の材料として好適である。特に、窒化ボロンが六方晶系（六方晶窒化ボロン（Ｈｅｘａｇｏｎａｌ　Ｂｏｒｏｎ　Ｎｉｔｒｉｄｅ））であれば、グラフェンと格子整合する。そのため、ストッパー３０の材料が六方晶窒化ボロンである場合、実施の形態２で後述する光電変換部材２１（図９参照）の材料がグラフェンであれば、当該グラフェンの特性を劣化させない。このため、六方晶窒化ボロンはストッパー３０の材料として好適である。

　ストッパー３０が原子層空間４０の形成を妨げなければ、ストッパー３０の形状は適宜変更してもよい。たとえば、Ｙ方向からストッパー３０を見た平面視において、ストッパー３０の形状は、長方形、正方形、円形、または環状のいずれかの形状であってもよい。ストッパー３０が原子層空間４０の形成を妨げなければ、ストッパー３０の数は適宜変更してもよい。たとえば、光電変換部面２０ｓ上に配置されるストッパー３０の数は１でもよい。光電変換部面２０ｓ上に配置されるストッパー３０の数は２でもよい。光電変換部面２０ｓ上に配置されるストッパー３０の数は３でもよい。光電変換部面２０ｓ上に配置されるストッパー３０の数は４でもよい。

　ここで、図４から図７に、図１から図３に示された近接場熱輻射発電素子１のストッパー３０の変形例を示す。図４から図７のそれぞれは、図１の線分ＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面の近接場熱輻射発電素子１のＹ方向から見た平面視での図である。

　図４に示されるように、ストッパー３０をＹ方向から見た平面視において、ストッパー３０の平面形状を長方形の形状としてもよい。長方形状の平面形状である２つのストッパー３０がそれぞれ、光電変換部面２０ｓ上に配置されてもよい。２つのストッパー３０が間隔を隔てて配置されていてもよい。ストッパー３０は、光電変換部面２０ｓの外周端部から離れた位置に配置されていてもよい。図５に示されるように、ストッパー３０をＹ方向から見た平面視において、ストッパー３０の平面形状を正方形の形状としてもよい。正方形状の平面形状である４つのストッパー３０がそれぞれ、光電変換部面２０ｓ上の四方に配置されてもよい。図５に示されるように、光電変換部面２０ｓの平面形状は四角形状である。４つのストッパー３０が、それぞれ光電変換部面２０ｓの角部に面する位置に配置されていてもよい。４つのストッパー３０は、互いに間隔を隔てて配置されていてもよい。４つのストッパー３０は、マトリックス状に整列して配置されていてもよい。図６に示されるように、ストッパー３０をＹ方向から見た平面視において、ストッパー３０の平面形状を円形の形状としてもよい。図６に示されるように、４つのストッパー３０がそれぞれ、光電変換部面２０ｓ上の四方に配置されてもよい。図７に示されるように、ストッパー３０をＹ方向から見た平面視において、ストッパー３０の平面形状を環状の形状としてもよい。ストッパー３０の平面形状の外形は、四角形状であってもよい。ただし、Ｙ方向に対して垂直な平面におけるストッパー３０の面積は、たとえば光電変換部面２０ｓよりも小さいことが好ましい。これは、ストッパー３０と熱源１０との接触面積が小さいほど、光電変換部が検出する電磁波の輻射量が多くなり、光電変換部２０における発電効率が向上するためである。

　＜近接場熱輻射発電素子の製造方法＞
　図８に実施の形態１に係る近接場熱輻射発電素子１の製造方法のフローチャートを示す。以下、近接場熱輻射発電素子１の製造方法を説明する。なお、ストッパー３０の材料の一例として、原子層材料である六方晶窒化ボロンを用いた場合の製造方法を説明する。

　図８に示されるように、準備する工程（Ｓ１）が実施される。この工程（Ｓ１）においては、熱源１０と光電変換部２０とストッパー３０とを準備する。熱源１０および光電変換部２０は既存の素子を用いることができる。

　次に、二次元材料を合成する工程（Ｓ２）が実施される。この工程（Ｓ２）においては、六方晶窒化ボロンを材料とした二次元材料が熱ＣＶＤ法で合成される。六方晶窒化ボロンを熱ＣＶＤ法で合成する方法は複数提案されており、任意の方法を用いることができる。例えば、金属触媒上に六方晶窒化ボロンを成長させる。あるいは高圧プレスなど他の方法を用いて合成された六方晶窒化ボロンでもよい。

　次に、転写する工程（Ｓ３）が実施される。この工程（Ｓ３）においては、合成された六方晶窒化ボロンを光電変換部２０に転写させる。転写方法は、グラフェンなどの原子層材料を転写する方法と同様の方法を用いることができる。合成された六方晶窒化ボロンは、光電変換部２０でなく、熱源１０に転写してもよい。

　次に、パターニングする工程（Ｓ４）が実施される。この工程（Ｓ４）においては、転写された六方晶窒化ボロンをフォトリソグラフィなどで図２に示される形状にパターニングする。ただし、転写された六方晶窒化ボロンが本実施の形態１に係るストッパー３０としての役割を果たし、原子層空間４０が形成されれば、転写された六方晶窒化ボロン（ストッパー３０）は加工されなくてもよい。この後、組み立て工程として、ストッパー３０を介して光電変換部２０と熱源１０とが接続される。ストッパー３０と熱源１０との接続方法としては、熱源１０，ストッパー３０および光電変換部２０の相対的な位置を固定する任意の接続方法を用いることができる。このようにして、図１から図３に示されるような、近接場熱輻射発電素子１を得ることができる。

　＜作用効果＞
　本開示に従った近接場熱輻射発電素子１は、熱源１０と、光電変換部２０と、ストッパー３０とを備える。熱源１０は熱源面１０ａを有する。光電変換部２０は光電変換部面２０ｓを有する。光電変換部面２０ｓは熱源面１０ａと対向する。ストッパー３０は、熱源面１０ａと光電変換部面２０ｓとを接続する。ストッパー３０の材料は二次元材料である。

　このようにすれば、二次元材料の厚さが原子層の厚さに相当するため、熱源１０と光電変換部２０との距離は極限まで小さくなる。その結果、熱源１０と光電変換部２０との距離である第１距離ｔ１は近接場熱輻射の対象となる距離になる。特に、第１距離ｔ１が小さいほど、近接熱輻射による効果が大きくなり、当該近接場熱輻射発電素子１が得られるエネルギーは指数関数的に増加する。つまり、黒体限界だけでなく、熱源１０と光電変換部２０との間の距離が二次元材料の厚さより大きくなっていた従来の近接場熱輻射を利用して得られるエネルギーよりも更に大きなエネルギーを熱源１０から得ることができる。

　上記近接場熱輻射発電素子１は、ストッパー３０の材料が絶縁材である。このようにすれば、光電変換部２０と熱源１０の間で電気的な信号のやりとりを遮断することができる。

　実施の形態２．
　＜近接場熱輻射発電素子の構成＞
　図９は、実施の形態２に係る近接場熱輻射発電素子１の断面図である。図９は図１に対応する。図１０は図９の線分Ｘ－Ｘにおける断面の近接場熱輻射発電素子１のＹ方向から見た平面視での図である。図９および図１０に示された近接場熱輻射発電素子１は、基本的には図１から図３に示された近接場熱輻射発電素子１と同様の構成を備えるが、光電変換部２０の構造がトランジスタ構造である点で異なる。具体的には、図９に示されるように、光電変換部２０は、二次元材料である光電変換部材２１を備えた電磁波検出器である。

　光電変化部は、光電変換部材２１と、一対の電極２２と、基板２３と、絶縁層２４とを主に含む。光電変換部材２１は、光電変換部面２０ｓ（表面）を有する。光電変換部面２０ｓは熱源面１０ａと対向する面である。図９および図１０に示されるように、一対の電極２２は光電変換部材２１を挟むように、それぞれ光電変換部材２１の側面と接続される。光電変換部材２１の側面は、光電変換部材２１の光電変換部面２０ｓと、光電変換部材２１の裏面とを接続する面である。光電変換部面２０ｓの裏面は、光電変換部面２０ｓの反対の面である。一対の電極２２はそれぞれ、第１電極面２２ａと第２電極面２２ｂとを有する。第１電極面２２ａは、熱源面１０ａと対向する。第２電極面２２ｂは、第１電極面２２ａの反対にある面である。つまり、第１電極面２２ａと第２電極面２２ｂとを接続する電極２２の側面が光電変換部材２１の側面と接続される。図９に示されるように、第１電極面２２ａと光電変換部面２０ｓとは同一平面上にある。

　基板２３は、第１基板面２３ａと第２基板面２３ｂとを有する。第２基板面２３ｂは、第１基板面２３ａの反対にある面である。第１基板面２３ａおよび第２基板面２３ｂは同じ方向に延びるように形成されており、例えば平行である。基板２３は、第１基板面２３ａ上に絶縁層２４を介して、光電変換部材２１の裏面および第２電極面２２ｂと接続されている。第１基板面２３ａ上に絶縁層２４が形成されている。電極２２の材料が金属である場合、電極２２と絶縁層２４との密着力は弱いため、たとえば、電極２２と絶縁層２４との間に密着膜（図示せず）が形成されてもよい。つまり、密着膜上に一対の電極２２が配置されていてもよい。この場合、電極２２と絶縁層２４との密着力が向上する。また、光電変換部材２１と絶縁層２４との間には密着膜は形成されなくてもよい。つまり、一対の電極２２と絶縁層２４との間にのみ密着膜が形成されてもよい。この場合も、一対の電極２２は光電変換部材２１の側面と接続される。あるいは、密着膜が形成されていない構成（絶縁層２４上に光電変換部材２１および一対の電極２２が直接形成された構成）としてもよい。なお、光電変換部材２１の端部が一対の電極２２の上面にまで延びるように形成されてもよい。つまり、光電変換部材２１の端部が一対の電極２２の上面と接続されていてもよい。また、光電変換部材２１と絶縁層２４との間に密着膜が形成されていてもよい。

　また、光電変換部材２１と電極２２との配置に関して、絶縁層２４上に光電変換部材２１が形成され、この光電変換部材２１の上に間隔を隔てて一対の電極２２が形成されていてもよい。この場合、光電変換部材２１と電極２２との間に密着膜が形成されてもよい。なお、当該密着膜が形成されず、光電変換部材２１に一対の電極２２が直接接続されるように形成されてもよい。

　基板２３は、電磁波検出器である光電変換部２０の全体を保持する役割を有する。基板２３の材料は、たとえば、ケイ素（Ｓｉ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）などの元素半導体でもよい。基板２３の材料は、たとえば、ＩＩＩ－Ｖ族半導体またはＩＩ－Ｖ族半導体などの化合物半導体でもよい。化合物半導体は、たとえば、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、アンチモン化イリジウム（ＩｎＳｂ）、鉛セレン（ＰｂＳｅ）、鉛硫黄（ＰｂＳ）、カドミウム硫黄（ＣｄＳ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）などである。基板２３は、電子の移動方向が束縛された状態である量子井戸の構造を含んでもよい。または、基板２３は、３次元全ての方向において電子の移動方向が束縛された量子ドットを含んでもよい。基板２３は、Ｔｙｐｅ－ＩＩ超格子と呼ばれるバンド構造を持つ基板２３でもよい。Ｔｙｐｅ－ＩＩ超格子は、バリア型と呼ばれる膜構成でもよい。基板２３の材料は、上記の材料を組み合わせた材料、あるいはアモルファス状の半導体であってもよい。

　基板２３の材料がシリコンからなる基板である場合、基板２３は高抵抗シリコン基板や、熱酸化膜が形成された基板でもよい。熱酸化膜は絶縁層２４を兼ねることができる。第２基板面２３ｂに電極を形成するために、不純物がドープされたシリコン基板を用いてもよい。

　基板２３の材料は、可撓性のある材料であってもよい。基板２３が、たとえば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの伸縮性のある材料である時、光電変換部２０を曲げることができる。たとえば、熱源１０が円筒状のパイプであった場合、光電変換部２０をパイプに巻き付けて使用することができる。その結果、パイプの形状に沿った原子層空間４０を形成することができる。このように、基板２３の材料が可撓性のある材料であれば、熱源１０の形状によって、光電変換部２０の形状を適宜変更することができるため、良好な原子層空間４０を形成することができる。

　第１基板面２３ａは、鏡面処理などによって平坦化されていることが望ましい。これは、第１基板面２３ａ上に凹凸がある場合、原子層空間４０の形成が妨げられるためである。良好な原子層空間４０を形成するために、第１基板面２３ａ上に六方晶窒化ボロンが複数積層されることにより絶縁層２４が形成されてもよい。

　第１基板面２３ａ上に配置された絶縁層２４の材料は、たとえば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）である。絶縁層２４の材料は、酸化ケイ素に限らず、たとえば、オルトケイ酸テトラエチル（Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、窒化ボロン（ＢＮ）、シロキサン系のポリマー材料であってもよい。特に、窒化ボロン（ＢＮ）の原子配列は、グラフェンの原子配列と似ている。そのため、光電変換部材２１の材料がグラフェンのとき、窒化ボロン（ＢＮ）がグラフェンと接触しても、グラフェンからなる光電変換部材２１の電荷の移動を妨げない。つまり、窒化ボロンはグラフェンからなる光電変換部材２１の電子移動度などの性能を低下させないため、窒化ボロンは光電変換部材２１の裏面に配置される下地膜として好適である。

　絶縁層２４の上には、密着膜を介して一対の電極２２が設けられている。電極２２の材料は、たとえば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）などの金属であってもよい。密着膜を構成する材料としては、たとえばクロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）を用いることができる。なお、上述のように密着膜は電極２２と絶縁膜との間に形成されなくてもよい。また、当該密着膜は、後述する各実施の形態において絶縁層２４と電極２２との間に形成されてもよいし、形成されなくてもよい。電極２２の形状は、電気信号を出力できる大きさまたは厚さを有していれば、特に制限はない。

　電極２２の材料は、二次元材料でもよい。光電変換部材２１を構成する二次元材料が、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）である場合、電極２２を構成する二次元材料はグラフェンを用いることができる。このようにすれば、光電変換部材２１だけでなく電極２２も二次元材料となるため、電極２２が原子層空間４０の形成を阻害しない。そのため、近接場熱輻射発電素子１の発電効率が向上する。

　一対の電極２２はそれぞれ、ドレイン電極とソース電極として動作する。一対の電極２２間にはバイアス電圧が印加される。または、第２基板面２３ｂにバックゲート電圧が印加される。この構成は、一般的な電界効果トランジスタである。ドレイン電極とソース電極との間に配置された光電変換部材２１に、熱源１０から輻射された電磁波が照射される。その結果、輻射された電磁波がもつエネルギーが光電変換部材２１において光電変換されることで、電流変化が生じ、その電流変化を電気信号として取り出す。このようにすることで、熱源１０から輻射された電磁波のエネルギーを電気に変換する。

　絶縁層２４上には、光電変換部材２１が配置されている。光電変換部材２１は一対の電極２２に接続されている。光電変換部材２１は電極２２と電気的に良好に接続されていればよく、電極２２の第１電極面２２ａまたは第２電極面２２ｂと接続されてもよい。図９に示されるように、光電変換部材２１の側面のみに電極２２が接続されてもよい。このように、光電変換部材２１の側面のみに電極２２が接続されている構造は、エッジコンタクトと呼ばれる。このようにすれば、光電変換部材２１と電極２２との接触抵抗が小さくなるため、当該近接場熱輻射発電素子１の発電効率が向上する。

　光電変換部材２１の材料は、たとえば、二次元材料でよい。当該光電変換部材２１を構成する二次元材料は、たとえば、単層グラフェンである。グラフェンはディラックコーン型のバンドギャップを持つことから、当該光電変換部材２１を構成する二次元材料がグラフェンのとき、光電変換部２０は紫外線からテラヘルツまで広帯域な波長成分を含んだ電磁波を検出することができる。つまり、二次元材料を使用した当該光電変換部２０は、一般的なＰＮ接合を有する半導体を使用した電磁波検出器よりも発電効率が高い。

　ここで、グラフェンは二次元炭素結晶の単原子層である。単層グラフェンの厚さは０．３４ｎｍであり、これは炭素原子１個分に相当する。つまり、単層グラフェンは非常に薄い。また、グラフェンの炭素原子の配列構造は、炭素原子同士の結合により形成された六角形状のハニカム構造である。

　二次元材料は単層グラフェンでなくてもよい。たとえば、二次元材料は多層グラフェンでもよい。二次元材料が多層グラフェンの場合は、炭素原子層の積層パターンがＡＢ積層または乱層積層でもよい。ＡＢ積層は、積層方位角が自然状態のグラファイトに見られる積層パターンである。乱層積層（Ｔｕｒｂｏｓｔｒａｔｉｃ　Ｇｒａｐｈｅｎｅ）はランダム積層とも呼ばれる。二次元材料の積層パターンが乱層積層である場合、当該二次元材料の作成方法は適宜決められてもよい。たとえば、ＣＶＤ法で作成された単層のグラフェンが複数回転写されることで乱層構造部分が形成されてもよい。また、下地としてのグラフェン上にエタノールまたはメタンなどが炭素源として供給され、当該下地としてのグラフェン上にＣＶＤ法によってグラフェンが成長することで、乱層積層の積層パターンが形成されてもよい。

　光電変換部材２１が、２層以上からなる多層グラフェンの積層構造を有する時、当該積層構造に含まれる任意の２層のグラフェンにおいて、六方格子の格子ベクトルの方向がそれぞれ一致しなくてもよい。つまり、任意の２層のグラフェンにおいて、それぞれの六方格子の格子ベクトルの向きにズレがあってもよい。また、任意の２層のグラフェンにおいて、六方格子の格子ベクトルの方向がそれぞれ一致してもよい。特に、光電変換部材２１が、２層以上からなる多層グラフェンの積層構造を有すれば、当該光電変換部材２１にバンドギャップが形成され、熱源１０から吸収できる波長が選択可能となる。つまり、グラフェンの積層数を増やすと、光電変換部材２１の光吸収率が増加する。そのため、電磁波検出器として光電変換部２０の感度が向上する。

　グラフェンは、ナノメートルサイズの幅に切り出した帯状の形状をしたグラフェンナノリボンであってもよい。グラフェンの構造は、グラフェンナノリボン単体の構造、複数のグラフェンナノリボンを積層した構造、またはグラフェンナノリボンが平面上に周期的に配置された構造のいずれかであってもよい。グラフェンナノリボンが周期的に配置された構造はグラフェンメタマテリアルと呼ばれる。光電変換部材２１がグラフェンナノリボンを周期的に配置した構造を有する場合、当該光電変換部材２１にプラズモン共鳴が発生する。その結果、当該光電変換部材２１において光検出器としての感度が向上する。

　金属表面と光との相互作用で生じる表面プラズモン共鳴現象、可視光域または近赤外光域以外における金属表面に生じる擬似表面プラズモン共鳴と呼ばれる現象、電磁波の波長よりも細かな構造体を利用して、人工的に波長を操作するメタマテリアル（プラズモニックメタマテリアル）またはメタサーフェスに生じる共鳴現象をここでは、名称を区別せずに表面プラズモン共鳴、プラズモン共鳴、または単に共鳴と呼ぶ。

　二次元材料は、グラフェンの他に、たとえば、遷移金属ダイカルコゲナイド（ＴＭＤ：Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　Ｍｅｔａｌ　Ｄｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）、黒リン（Ｂｌａｃｋ　Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ）、シリセン（シリコン原子による二次元ハニカム構造を有する原子シート）、またはゲルマネン（ゲルマニウム原子による二次元ハニカム構造を有する原子シート）でもよい。遷移金属ダイカルコゲナイドとしては、たとえば、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、二硫化タングステン（ＷＳ_２）、二セレン化タングステン（ＷＳｅ_２）等が挙げられる。このように、二次元材料は、グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト、黒リン、シリセン、ゲルマネン、グラフェンナノリボン、およびボロフェンからなる群から選択されるいずれかを含んでもよい。または、これらの材料を積層した二次元材料であってもよい。

　＜近接場熱輻射発電素子の製造方法＞
　図１１に実施の形態２に係る近接場熱輻射発電素子１の製造方法のフローチャートを示す。以下、実施の形態２に係る近接場熱輻射発電素子１の製造方法を説明する。

　図１１に示されるように、準備する工程（Ｓ１ａ）が実施される。この工程（Ｓ２ａ）においては、シリコンなどからなる平坦な基板２３を準備する。

　次に、絶縁層を形成する工程（Ｓ２ａ）が実施される。この工程（Ｓ２ａ）においては、基板２３の第１基板面２３ａ上に絶縁層２４が形成される。たとえば、基板２３がシリコンである場合、絶縁層２４は熱酸化により形成された酸化シリコン（ＳｉＯ_２）でもよい。また、ＣＶＤ法またはスパッタリング法により絶縁層２４が形成されてもよい。

　次に、電極を形成する工程（Ｓ３ａ）が実施される。この工程（Ｓ３ａ）においては、金属からなる電極２２が形成される。金属は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）などの金属である。電極２２と絶縁層２４との密着性を向上させるために、電極２２と絶縁層２４との間に密着膜を形成してもよい。密着膜の材料はたとえばクロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）である。写真製版やＥＢ描画などを用いてレジストマスクを形成した後、蒸着またはスパッタリング法などにより金属層をレジストマスクの上に堆積させることによって、電極２２が形成される。

　次に、光電変換部材２１を形成する工程（Ｓ４ａ）が実施される。この工程（Ｓ４ａ）においては、電極２２および絶縁層２４の上に二次元材料からなる光電変換部材２１を形成する。二次元材料がグラフェンの場合、グラフェンをエピタキシャル成長により形成してもよく、あらかじめＣＶＤ法により形成したグラフェンを転写して貼り付けてもよい。あるいは機械的な方法で剥離させたグラフェンを転写してもよい。その後に、写真製版などにより、レジストマスクで被膜したグラフェンを酸素プラズマでエッチングし、パターニングする。これにより、グラフェンがチャネル部分または電極２２と接している領域以外の部分において、不要なグラフェンを除去する。このようにしてチャネル部分となる光電変換部材２１を形成する。以上の工程により実施の形態２に係る光電変換部２０を得られる。なお、光電変換部材２１を形成してから、その上に電極２２を形成してもよい。

　次に、ストッパー３０を形成する工程（Ｓ５ａ）が実施される。この工程（Ｓ５ａ）においては、実施の形態１の製造方法の二次元材料を合成する工程（Ｓ２）からパターニングする工程（Ｓ４）までの工程が実施される。ストッパー３０の材料は窒化ボロンが好ましいが、六方晶窒化ボロンでもよい。光電変換部材２１の材料がグラフェンである場合、グラフェンと六方晶窒化ボロンは格子整合するため、グラフェンの電子的な性能を妨げない。たとえば、六方晶窒化ボロンをグラフェンの下地膜として使用した場合、通常の酸化膜と比べて、グラフェンのキャリア移動度は３倍程度まで向上する。これは、光電変換部２０の感度はグラフェンのキャリア移動度にほぼ比例するためである。そのため、光電変換部材２１の材料がグラフェンであり、ストッパー３０の材料が六方晶窒化ボロンである場合、電子検出器として光電変換部２０の発電効率が最も高い。この後、実施の形態１に係る近接場熱輻射発電素子の製造方法と同様に、組み立て工程として、ストッパー３０を介して光電変換部２０と熱源１０とが接続される。このようにして、図９または図１０に示されるような、近接場熱輻射発電素子１を得ることができる。

　＜作用効果＞
　上記近接場熱輻射発電素子１において、光電変換部２０は光電変換部材２１を含む。光電変換部材２１は、光電変換部面２０ｓを有する。光電変換部材２１の材料が二次元材料である。このようにすれば、光電変換部材２１を構成する二次元材料の種類および構成を適宜選択することで、近接場熱輻射発電素子の発電効率を改善することができる。たとえば光電変換部材２１を構成する二次元材料がグラフェンであるとき、光電変換部２０は紫外線からテラヘルツまで広帯域な波長成分を含んだ電磁波を検出することができる。その結果、当該近接場熱輻射発電素子１の発電効率が向上する。

　上記近接場熱輻射発電素子１において、光電変換部２０は、基板２３と、絶縁層２４と、一対の電極２２とを含む。一対の電極２２は光電変換部材２１と接続される。絶縁層２４は、基板２３と電極２２との間に形成されている。このようにすれば、光電変換部２０の構造が、二次元材料を使用したトランジスタ構造となり、当該トランジスタ型の光電変換部２０によって近接場熱輻射によるエネルギー変換が可能となる。

　上記近接場熱輻射発電素子１において、電極２２の材料は二次元材料である。このようにすれば、光電変換部材２１だけでなく電極２２も二次元材料となるため、電極２２が原子層空間４０の形成を阻害しない。そのため、当該近接場熱輻射発電素子１の発電効率が向上する。たとえば、光電変換部材２１を構成する二次元材料が、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）である場合、電極２２を構成する二次元材料としてはグラフェンを用いることができる。このような構成によって、近接場熱輻射発電素子１の発電効率を向上させることができる。

　上記近接場熱輻射発電素子１において、基板２３は可撓性を有する。このようにすれば、熱源１０の形状によって、光電変換部２０の形状を適宜変更することができる。その結果、熱源面１０ａが平坦でなくても、良好な原子層空間４０を形成できる。このため、近接場熱輻射発電素子１の発電効率を向上させることができる。

　上記近接場熱輻射発電素子１において、光電変換部材２１の材料は、単層二次元材料、多層二次元材料、および乱層積層二次元材料からなる群から選択されるいずれかである。このようにすれば、たとえば二次元材料の積層数を増やすと、光電変換部材２１の光吸収率が増加する。そのため、電磁波検出器として光電変換部２０の感度が向上する。また、光電変換部材２１の材料が乱層積層二次元材料である場合、光電変換部材２１での移動度が高くなるとともに、二次元材料において積層した各層の独立性が高いため光電変換部２０の感度がさらに向上する。

　上記近接場熱輻射発電素子１において、光電変換部材２１の材料はグラフェンである。ストッパー３０の材料は、六方晶窒化ボロンである。このようにすれば、光電変換部材２１とストッパー３０は格子整合する。六方晶窒化ボロンは絶縁性を有するだけでなく、原子配列がグラフェンの原子配列と似ている。そのため、六方晶窒化ボロンがグラフェンと接触するとき、グラフェンの電子移動度の低下を抑制するため、当該近接場熱輻射発電素子１の発電効率が向上する。

　実施の形態３．
　＜近接場熱輻射発電素子の構成＞
　図１２は、実施の形態３に係る近接場熱輻射発電素子１の断面図である。図１２は図９に対応する。図１２に示された近接場熱輻射発電素子１は、基本的には図９および図１０に示された近接場熱輻射発電素子１と同様の構成を備えるが、ストッパー３０と光電変換部２０との接続部において、ストッパー３０が光電変換部材２１の光電変換部面２０ｓのみと接触している点で異なる。

　実施の形態２に係る近接場熱輻射発電素子１におけるストッパー３０は光電変換部面２０ｓだけでなく、一対の電極２２の第１電極面２２ａとも接触している。一方、本実施の形態３に係る近接場熱輻射発電素子１のストッパー３０は、電極２２の第１電極面２２ａと接触しておらず、光電変換部面２０ｓのみに接触している。

　このようにすれば、原子層空間４０の形成において電極２２またはその他の配線による影響が排除される。そのため、ストッパー３０を光電変換部面２０ｓ上に配置することが、原子層空間４０の形成に望ましい。このとき、ストッパー３０の材料が六方晶窒化ボロンであり、光電変換部材２１の材料がグラフェンである時、当該近接場熱輻射発電素子１の発電効率を効果的に向上させることができる。

　＜作用効果＞
　上記近接場熱輻射発電素子１において、ストッパー３０は光電変換部面２０ｓのみに接続される。このようにすれば、原子層空間４０の形成において電極２２またはその他の配線による影響が排除される。この結果、良好な原子層空間４０を形成でき、近接場熱輻射発電素子１の発電効率を向上させることができる。

　実施の形態４．
　＜近接場熱輻射発電素子の構成＞
　図１３は、実施の形態４に係る近接場熱輻射発電素子１の断面図である。図１３は図１２に対応する。図１３に示された近接場熱輻射発電素子１は、基本的には図１２に示された近接場熱輻射発電素子１と同様の構成を備えるが、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれに対して垂直な方向から見た近接場熱輻射発電素子１の断面図において、ストッパー３０の形状がポーラス状またはストライプ状である点で異なる。具体的には、図１３に示されるように、当該ストッパー３０において、熱源面１０ａと接続されている面から光電変換部面２０ｓと接続されている面にまで到達するように貫通孔が形成されている。

　ストッパー３０の構成が単層からなる場合、ストッパー３０は空孔を有してもよい。当該近接場熱輻射発電素子１では、熱源１０と光電変換部２０とがストッパー３０を介して接続される。当該近接場熱輻射発電素子１の使用時は、熱源１０および光電変換部２０にＹ方向の圧力を加えるため、ストッパー３０の形状がポーラス状またはストライプ状であれば当該圧力による衝撃が緩和される。その結果、当該近接場熱輻射発電素子１の耐久性を向上させることができ、当該製品の長寿命化を図ることができる。

　＜作用効果＞
　上記近接場熱輻射発電素子１において、ストッパー３０に貫通孔または空孔のいずれかが形成されている。このようにすれば、光電変換部２０の耐久性が向上する。すなわち、近接場熱輻射発電素子１の使用時は、熱源１０および光電変換部２０にＹ方向の圧力を加える。そのため、ストッパー３０が、貫通孔または空孔のいずれかが形成されたような形状を有する場合、当該圧力による衝撃が緩和される。その結果、近接場熱輻射発電素子１の耐久性が向上し、当該近接場熱輻射発電素子１の長寿命化を図ることができる。

　実施の形態５．
　＜近接場熱輻射発電素子の構成＞
　図１４は、実施の形態５に係る近接場熱輻射発電素子１の断面図である。図１４は図９に対応する。図１４に示された近接場熱輻射発電素子１は、基本的には図９および図１０に示された近接場熱輻射発電素子１と同様の構成を備えるが、光電変換部材２１がＰＮ接合を有する点で異なる。具体的には、図１４に示されるように、二次元材料からなる光電変換部材２１はＮ型領域２１ｎとＰ型領域２１ｐとを含む。

　ＰＮ接合として、Ｎ型領域２１ｎおよびＰ型領域２１ｐは接合している。Ｎ型領域２１ｎとＰ型領域２１ｐとが接合している面は、Ｙ方向に延びるように形成されている。一対の電極２２に挟まれるように、Ｎ型領域２１ｎとＰ型領域２１ｐとが接合している面が配置される。つまりＮ型領域２１ｎに一対の電極２２の一方が接続され、Ｐ型領域２１ｐに一対の電極２２の他方が接続されている。このようにすれば、二次元材料からなる光電変換部材２１をチャネルとする場合、光電変換部材２１にバイアス電圧が印加された状態となる。つまり、外部電源からのバイアス電圧を光電変換部材２１に印加する必要が無い。その結果、当該近接場熱輻射発電素子１の発電効率（エネルギー変換効率）が向上する。

　光電変換部材２１においてＰＮ接合を形成する方法としては、様々な方法を採用し得る。たとえば、二次元材料からなる光電変換部材２１にキャリア（正孔または電子）を供給するドーピング材料を接触させることにより、Ｎ型領域２１ｎおよびＰ型領域２１ｐを形成する。そのため、光電変換部材２１は、擬似的にＰＮ接合が形成された状態になる。このようにすれば、図１４において、光電変換部材２１の左側の領域がＰ型領域２１ｐ、右側の領域をＮ型領域２１ｎとしたとき、Ｐ型領域２１ｐと接続されている左側の電極２２ｌからの電気信号の取り出し効率と、Ｎ型領域２１ｎと接続されている右側の電極２２ｒからの電気信号の取り出し効率とがそれぞれ向上する。このようにして、電磁波検出器としての光電変換部２０の感度が向上する。

　ドーピング材料は、電荷の偏りを発生させ、分極を生じさせる材料であればよい。たとえば、ドーピング材料は有機物、金属、半導体、絶縁体、二次元材料、またはこれら材料のいずれかの混合物でもよい。

　ドーピング材料は、例えば、ポジ型フォトレジストであってもよい。ポジ型フォトレジストは、例えば、キノンジアジト基を有する感光剤とノボラック樹脂とを含有する組成物である。ドーピング材料がポジ型フォトレジストである場合、ポジ型フォトレジストが形成された領域が光電変換部材２１のＰ型領域２１ｐとなる。

　ポジ型フォトレジストは、例えば、フォトリソグラフィ工程により、光電変換部材２１上に形成される。これにより、光電変換部材２１に接触するマスクを形成するプロセスが不要となる。マスクを形成するプロセスにおいて、光電変換部材２１は損傷する恐れがある。このマスクを形成するプロセスが不要になったことで、光電変換部材２１が損傷するリスクを低減することができるとともに、当該光電変換部材２１を製造するプロセスが簡素化され得る。

　ドーピング材料は、例えば、極性基を有する材料であってもよい。ドーピング材料は、例えば、電子求引基を有する材料であってもよい。ドーピング材料が電子求引基を有する材料であれば、光電変換部材２１の電子密度が減少する。電子吸引基を有する材料は、例えば、ハロゲン、ニトリル基、カルボキシル基、またはカルボニル基などを有する材料である。

　また、ドーピング材料は、たとえば、電子供与基を有する材料であってもよい。ドーピング材料が電子給与基を有する材料であれば、光電変換部材２１の電子密度が増加する。電子供与基を有する材料は、例えば、アルキル基、ヒドロキシ基またはアミノ基などを有する材料である。

　ドーピング材料は、たとえば、分子などを光電変換部材２１に供給する材料であってもよい。ドーピング材料は、例えば、分子を含む液体層または気体層であってもよい。光電変換部材２１は、当該液体層に浸漬されてもよく、当該気体層に曝されてもよい。このようにすれば、分子レベルで液体層または気体層から光電変換部材２１にキャリアが供給される。

　二次元材料からなる光電変換部材２１と金属とが互いに接触すると、金属の仕事関数と、グラフェンなどからなる光電変換部材２１の仕事関数との差に起因して、金属から光電変換部材２１にキャリア（正孔または電子）がドーピングされる。その結果、光電変換部材２１のフェルミレベル、または光電変換部材２１と金属との接触抵抗が変化する。

　図１４において、右側の電極２２ｒを左側の電極２２ｌとは異なる金属材料で形成すると、光電変換部材２１において右側の電極２２ｒに接触する領域のエネルギーギャップは、左側の電極２２ｌに接触する領域のエネルギーギャップと異なるようになる。つまり、光電変換部材２１内で擬似的にＰＮ接合が形成される。このようにしても、左側の電極２２ｌからの電気信号（電流）の取り出し効率と、右側の電極２２ｒからの電気信号の取り出し効率とがそれぞれ向上する。その結果、電磁波検出器としての光電変換部２０の感度が向上し、バイアス電圧が不要となるため、当該近接場熱輻射発電素子１の発電効率が向上する。

　＜作用効果＞
　上記近接場熱輻射発電素子１において、光電変換部材２１はＰＮ接合を有する。このようにすれば、当該光電変換部２０はバイアス電圧が不要となり、近接場熱輻射発電素子１の発電効率が向上する。

　実施の形態６．
　＜近接場熱輻射発電素子の構成＞
　図１５は、実施の形態６に係る近接場熱輻射発電素子１の断面図である。図１５は図１２に対応する。図１５に示された近接場熱輻射発電素子１は、基本的には図１２に示された近接場熱輻射発電素子１と同様の構成を備えるが、電極２２の第１電極面２２ａより光電変換部面２０ｓの方が熱源面１０ａに近いという点で異なる。具体的には、図１５に示されるように、第１距離ｔ１が第２距離ｔ２より小さい。第２距離ｔ２は、熱源面１０ａから第１電極面２２ａまでのＹ方向における距離である。つまり、光電変換部面２０ｓの方が第１電極面２２ａより熱源面１０ａに近い。このようにすれば、電極２２のＹ方向の厚みによって原子層空間４０の形成が妨げられることはない。

　＜作用効果＞
　上記近接場熱輻射発電素子１において、電極２２は第１電極面２２ａを有する。第１電極面２２ａは熱源面１０ａと対向する面である。第１距離ｔ１が第２距離ｔ２より小さい。第１距離ｔ１は熱源面１０ａから光電変換部面２０ｓまでの距離である。第２距離ｔ２は熱源面１０ａから第１電極面２２ａまでの距離である。このようにすれば、第１電極面２２ａより光電変換部面２０ｓの方が、熱源面１０ａに近いため、電極２２のＹ方向の厚みによって原子層空間４０の形成が妨げられることはない。

　実施の形態７．
　＜近接場熱輻射発電素子の構成＞
　図１６は、実施の形態７に係る近接場熱輻射発電素子１の断面図である。図１６は図９に対応する。図１６に示された近接場熱輻射発電素子１は、基本的には図９および図１０に示された近接場熱輻射発電素子１と同様の構成を備えるが、熱源１０が、被覆層としての二次元材料層１１を有する点で異なる。具体的には、図１６に示されるように、熱源１０にはストッパー３０に面する面（下面）に二次元材料層１１が形成されている。二次元材料層１１の表面（ストッパー３０に面する表面）が熱源面１０ａとなっている。熱源面１０ａにストッパー３０が接続される。熱源１０は、当該熱源１０を覆うカバーを含んでいてもよい。カバーにおいてストッパー３０に面する表面に二次元材料層１１が形成されていてもよい。

　ここで、グラフェンとグラフェンとが積層する場合、積層構造が、積層方位角が安定なＡＢスタックとなる積層パターンを有するのであれば、グラフェン間の距離が最も小さい。一方、積層構造がＡＢスタック以外の積層パターンを有する場合、グラフェン間の距離は積層パターンがＡＢスタックであるときのグラフェン間の距離より大きくなる。これは積層されたグラフェン間に反発力が発生しているためである。この特性を利用すれば、二次元材料層１１と光電変換部材２１の材料がグラフェンである場合、二次元材料層１１と光電変換部材２１との間に上記反発力が作用することで、良好な原子層空間４０が形成される。たとえば、原子層レベルで見たときに、熱源１０の下面（二次元材料層１１が形成された面）には凹凸がある。当該下面上に形成された二次元材料層１１の表面である熱源面１０ａも、上記下面の凹凸に起因した凹凸が形成され得る。しかし、二次元材料層１１が当該下面上に形成されることで、光電変換部材２１と二次元材料層１１との間で反発力が作用し、微視的に原子層空間４０が形成される。つまり、熱源１０の下面および熱源面１０ａに凹凸があっても、良好な原子層空間４０が形成される。このようにして、近接場熱輻射発電素子１の発電効率が向上する。また、二次元材料層１１と光電変換部材２１との間は真空に保たれていてもよい。

　＜作用効果＞
　上記近接場熱輻射発電素子１において、熱源１０は二次元材料層１１を含む。二次元材料層１１は、熱源面１０ａを有する。二次元材料層１１は二次元材料からなる。このようにすれば、光電変換部材２１と二次元材料層１１の材料がグラフェンの時、光電変換部材２１と二次元材料層１１との間で反発力が働き、熱源面１０ａ上に凹凸があっても、良好な原子層空間４０が形成される。その結果、近接場熱輻射発電素子１の発電効率が向上する。

　実施の形態８．
　＜近接場熱輻射発電素子の構成＞
　図１７は、実施の形態８に係る近接場熱輻射発電素子１の断面図である。図１７は図９に対応する。図１７に示された近接場熱輻射発電素子１は、基本的には図９および図１０に示された近接場熱輻射発電素子１と同様の構成を備えるが、基板３３の材料が光増感剤である点で異なる。基板３３の材料が光増感剤であるとき、当該光電変換部２０に光ゲート効果が生じる。

　以下、光ゲート効果について説明する。光電変換部材２１の材料がグラフェンであるとする。通常の半導体に比べ、グラフェンは電子移動度が大きく、わずかな電圧変化に対して大きな電流変化が生じる。このグラフェンの特性を利用するため、基板３３の材料を光増感剤にする。光増感剤は、特定の波長で電圧変化を生じる材料である。光増感剤は、基板３３の材料でなくてもよい。光増感剤を、たとえば、グラフェンからなる光電変換部材２１の近傍に配置してもよい。たとえば、光電変換部材２１の上に光増感剤が形成されてもよく、光電変換部材２１に隣接する位置であれば光増感剤の配置箇所に制約はない。

　熱源１０から輻射される電磁波のうち、可視光に関しては、シリコンまたは化合物半導体が光増感剤（光増感層とも呼ぶ）として機能する。赤外線に関しては、強誘電体などが光増感層として機能する。電磁波が光増感層に入射することで、光電変換または焦電効果の発生により、グラフェンに電圧変化が生じる。その結果、光増感層がない場合に比べ、グラフェンに生じる電流変化は１０倍から１００００倍以上まで大きくなる。光増感剤を用いることで、当該光電変換部２０では、このような大きな電流を取り出すことが可能となる。このため、当該光電変換部２０は熱源１０から輻射される電磁波を高感度で検出すことができる。このような効果を光ゲート効果と呼ぶ。

　このような、光ゲート効果を生じる材料（光増感剤）を用いることで、近接場熱輻射発電素子１の発電効率を向上させることができる。特に、基板３３が強誘電体であるとき、バックゲート電圧をグラフェンに印加させることなく、バイアス電圧の変化をグラフェンに与えることができるため、当該近接場熱輻射発電素子１の発電効率を向上させることができる。

　強誘電体としては、検出する波長を有する電磁波が当該強誘電体に入射したときに、分極を生じる材料を用いることができる。強誘電体は、たとえば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム（ＳＢＴ）、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、または有機ポリマーであるポリフッ化ビニリデン系強誘電体（ＰＶＤＦ、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ－ＣＴＦＥ）等）からなる群から選択されるいずれかを含む。また、強誘電体は、上記の異なる材料が複数積層または混合された材料であってもよい。

　強誘電体としては、焦電効果を奏する焦電体であれば、上記の材料とは異なる材料を用いることができる。具体的には、上記強誘電体を構成する焦電体は、当該焦電体の内部の熱エネルギーの変化に対して分極変化が生じる材料であればよい。なお、上述した焦電効果に関して、電磁波は単に熱エネルギーの供給源として作用する。このため、焦電効果の大小は基本的に電磁波が含む波長成分に依存しない。つまり、光増感層を構成する強誘電体として焦電体を用いた場合には、熱源１０から発生する電磁波に関して広帯域の波長成分に対して感度を有する。したがって、広帯域の電磁波により効率的に発電できる。

　＜作用効果＞
　上記近接場熱輻射発電素子１において、光電変換部２０が光増感剤を含む。このようにすれば、光電変換部２０に光ゲート効果が生じ、光電変換部材２１に生じた電圧変化を大きな差分電流として取り出すことが可能となる。その結果、当該光電変換部２０は熱源１０から輻射される電磁波を高感度で検出すことができる。このため、近接場熱輻射発電素子１の発電効率が向上する。

　実施の形態９．
　＜近接場熱輻射発電素子の構成＞
　図１８は、実施の形態９に係る近接場熱輻射発電素子１の光電変換部材２１を示す平面図である。図１９から図２１は、図１８に示された近接場熱輻射発電素子１の光電変換部材２１の変形例を示す平面図である。図１８から図２１に示された近接場熱輻射発電素子１は、基本的には図９および図１０に示された近接場熱輻射発電素子１と同様の構成を備えるが、光電変換部材２１の形状が、プラズモン共鳴が発生する形状である点で異なる。

　図１８から図２１は、Ｙ方向からみた光電変換部材２１の平面図である。光電変換部材２１の形状は、プラズモン共鳴が発生する形状であれば、任意の形状でよい。たとえば、図１８に示されるように、光電変換部材２１は、複数の貫通孔２１ｈを有してもよい。複数の貫通孔２１ｈは、Ｘ方向およびＺ方向のそれぞれにおいて、周期的に配置されてもよい。つまり、複数の貫通孔２１ｈは行列状に配置されていてもよい。Ｚ方向は、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれに対して垂直な方向である。複数の貫通孔２１ｈの平面形状は任意の形状でよく、たとえば、円形状である。複数の貫通孔２１ｈの平面形状は、たとえば、楕円形状でもよい。なお、光電変換部材２１の外周の平面形状はたとえば四角形状であるが、他の任意の形状であってもよい。

　図１９に示されるように、複数の貫通孔２１ｈの平面形状は、四角形状でもよい。複数の貫通孔２１ｈの平面形状は、正方形状または長方形状でもよい。複数の貫通孔２１ｈの平面形状は、三角形または５角形など多角形状であってもよい。複数の貫通孔２１ｈの平面形状は互いに異なった形状でもよい。

　複数の貫通孔２１ｈの寸法はそれぞれ一致していてもよく、異なっていてもよい。隣接する２つの貫通孔２１ｈの間の距離（間隔）は、Ｘ方向及びＺ方向のいずれかにおいて、等間隔でもよい。また、隣接する２つ貫通孔２１ｈの間の間隔は、Ｘ方向及びＺ方向のいずれかにおいて変化していてもよい。Ｘ方向およびＺ方向のいずれかにおける上記間隔の変化は、周期的であってもよいが、非周期的であってもよい。また、隣接する２つの貫通孔２１ｈのＸ方向における間隔は、隣接する２つの貫通孔２１ｈのＺ方向における間隔よりも大きくてもよい。また、隣接する２つの貫通孔２１ｈのＺ方向における間隔は、隣接する２つの貫通孔２１ｈのＸ方向における間隔よりも大きくてもよい。

　図２０に示されるように、光電変換部材２１は、Ｚ方向に互いに間隔を隔てて並んで配置された複数の光電変換部材部分２１ａから構成されてもよい。複数の光電変換部材部分２１ａの形状はそれぞれ、Ｘ方向に沿って延びた線状の形状である。図２０に示されるように、Ｚ方向における複数の光電変換部材部分２１ａの幅は、それぞれ一致してもよく、異なっていてもよい。また、隣接する２つの光電変換部材部分２１ａのＺ方向における間隔は、Ｚ方向での位置に応じて周期的に変化してもよく、非周期的に変化してもよい。

　図２１に示されるように、光電変換部材２１は、Ｚ方向に互いに間隔を隔てて配置された複数の光電変換部材部分２１ａと、Ｘ方向およびＺ方向のそれぞれにおいて行列状に配置された複数の光電変換部材部分２１ｂとから構成されてもよい。光電変換部材部分２１ａは、隣接する２つの光電変換部材部分２１ｂを繋ぐように配置されている。図２１では、光電変換部材部分２１ａは、Ｘ方向に隣接する２つの光電変換部材部分２１ｂを繋ぐように配置されている。上記の複数の光電変換部材部分２１ａ、２１ｂは、同一レイヤとして形成されてもよいが、光電変換部材部分２１ａの一部分の上に光電変換部材部分２１ｂが積層配置されていてもよい。あるいは、光電変換部材部分２１ｂの一部分の上に光電変換部材部分２１ａが積層配置されていてもよい。

　図２１に示される、光電変換部材２１では、行列状（二次元周期的）に配置されている複数の光電変換部材部分２１ｂによって、プラズモン共鳴が発生する。光電変換によって生じた電子正孔対は、この共鳴によって励起され、１次元周期的に配置された複数の光電変換部材部分２１ａを通って、電極２２（図１０参照）に到達する。このようにして、偏光依存性のない光電変換が発生するため、当該光電変換部２０の感度が向上する。

　上記のように、光電変換部材２１の形状が周期的または非周期的なパターンを有していることにより、光電変換部材２１においてはパターンによって決定されるプラズモン共鳴を生じる。光電変換部材２１の形状が周期的なパターンを有している場合には、プラズモン共鳴波長は一定となる。一方、光電変換部材２１の形状が非周期的なパターンを有している場合には、共鳴が複数生じることにより、プラズモン共鳴波長が多波長化する。プラズモン共鳴波長の間隔が狭ければ、光電変換部材２１が吸収し得る電磁波の波長は広くなる。このように、光電変換部材２１の形状が周期的または非周期的なパターンを有していることで、プラズモン共鳴が生じ、光電変換部材２１での電磁波の吸収率が向上する。例えば、光電変換部材２１を構成する材料がグラフェンを含む場合であっても、当該光電変換部材２１が周期的または非周期的なパターンを有していない場合、白色光の吸収率は２％程度であるが、図１８から図２１に示される光電変換部材２１における白色光の吸収率は最大１００％まで向上する。その結果、本実施の形態９に係る近接場熱輻射発電素子１は、図１８から図２１に示される光電変換部材２１を備えるため、高感度である。

　なお、プラズモン共鳴波長は、基板２３および絶縁層２４といった下地の屈折率にも影響される。たとえば、基板２３を構成する材料がシリコンである場合、図２０に示される光電変換部材２１を備える光電変換部２０が、中赤外線波長域を検出できるようにするためには、各光電変換部材部分２１ａのＺ方向の幅が２００ｎｍであり、Ｚ方向において隣接する２つの光電変換部材部分２１ａの間隔が３００ｎｍであればよい。検出する波長によって、複数の光電変換部材部分２１ａのＺ方向での幅および間隔は適宜変更可能である。

　＜作用効果＞
　上記近接場熱輻射発電素子１において、光電変換部材２１は、プラズモン共鳴が発生する形状を有する。たとえば光電変換部材２１の形状が周期的または非周期的なパターンを有していることにより、プラズモン共鳴は発生し、光電変換部材２１における電磁波の吸収率が向上する。

　実施の形態１０．
　＜近接場熱輻射発電素子１の構成＞
　図２２は、実施の形態１０に係る近接場熱輻射発電素子１のＹ方向から見た平面視での断面図である。図２２に示された近接場熱輻射発電素子１は、基本的には図９および図１０に示された近接場熱輻射発電素子１と同様の構成を備えるが、実施の形態１から実施の形態９のいずれかに係る光電変換部２０を複数備えている点で異なる。図２２は、図３と同様に、光電変換部２０とストッパー３０とを示す平面図である。具体的には、光電変換部２０は、第１光電変換部２０ａ、第２光電変換部２０ｂ、第３光電変換部２０ｃおよび第４光電変換部２０ｄから構成される。ストッパー３０は第１ストッパー３０ａ、第２ストッパー３０ｂ、第３ストッパー３０ｃおよび第４ストッパー３０ｄから構成される。

　第１光電変換部２０ａは、熱源面１０ａ（図９参照）と対向する第１光電変換部面２０ｓａを有する。第１ストッパー３０ａは熱源面１０ａと第１光電変換部面２０ｓａとを接続する。第２光電変換部２０ｂは、熱源面１０ａと対向する第２光電変換部面２０ｓｂを有する。第２ストッパー３０ｂは熱源面１０ａと第２光電変換部面２０ｓｂとを接続する。第３光電変換部２０ｃは、熱源面１０ａと対向する第３光電変換部面２０ｓｃを有する。第３ストッパー３０ｃは熱源面１０ａと第３光電変換部面２０ｓｃとを接続する。第４光電変換部２０ｄは、熱源面１０ａと対向する第４光電変換部面２０ｓｄを有する。第４ストッパー３０ｄは熱源面１０ａと第４光電変換部面２０ｓｄとを接続する。光電変換部２０を構成する光電変換部２０の数は２以上であればよく、たとえば、図２２に示されるように４であってもよい。ストッパー３０の数は光電変換部２０の数に応じて適宜変更可能である。たとえば、光電変換部２０の数が４であれば、ストッパー３０の数は４であってもよい。各光電変換部２０のそれぞれに少なくとも１つのストッパー３０が配置されていればよい。

　図２２に示されるように、複数の光電変換部２０としての第１から第４光電変換部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、行列状に、すなわちＸ方向およびＺ方向において周期的に配置されている。複数の光電変換部２０は、２×２のアレイ状に配置される。ただし、複数の光電変換部２０およびストッパー３０の数および配列の構成はこれに制限されない。たとえば、複数の光電変換部２０を３以上×３以上のアレイ状に配置してもよい。複数の光電変換部２０は、Ｘ方向またはＺ方向のいずれかの方向に沿って、間隔を隔てて並ぶように配置されていればよい。また、複数の光電変換部２０の配置は周期的ではなく、異なる間隔で配置してもよい。複数の光電変換部２０のそれぞれが検出する電磁波の波長域は、互いに同等でもよい。複数の光電変換部２０のそれぞれが検出する電磁波の波長域は、互いに異なってもよい。つまり、複数の光電変換部２０は、それぞれ異なる検出波長選択性を有していてもよい。複数の光電変換部２０が互いに異なる波長域の電磁波を検出できる場合、当該近接場熱輻射発電素子１は、熱源１０から輻射される電磁波のうち、少なくとも２つ以上の異なる波長成分を検出することができる。また、複数の光電変換部２０から発電が可能となるため、当該近接場熱輻射発電素子１の発電効率が向上する。複数の光電変換部２０は、互いにハイブリッド接合と呼ばれるような、バンプまたはワイアなどで互いに接合されていてもよい。

　＜作用効果＞
　上記近接場熱輻射発電素子１において、光電変換部２０は、第１光電変換部２０ａと第２光電変換部２０ｂとを含む。ストッパー３０は、第１ストッパー３０ａと第２ストッパー３０ｂとを含む。光電変換部面２０ｓは、第１光電変換部面２０ｓａと第２光電変換部面２０ｓｂとを含む。第１光電変換部２０ａは、熱源面１０ａと対向する第１光電変換部面２０ｓａを有する。第２光電変換部２０ｂは、熱源面１０ａと対向する第２光電変換部面２０ｓｂを有する。第１ストッパー３０ａは、熱源面１０ａと第１光電変換部面２０ｓａとを接続する。第２ストッパー３０ｂは、熱源面１０ａと第２光電変換部面２０ｓｂとを接続する。このようにすれば、当該近接場熱輻射発電素子１は、熱源１０から輻射される電磁波のうち、少なくとも２つ以上の異なる波長成分を検出することができる。つまり、複数の光電変換部２０で光電変換が可能となるため、発電効率がより向上する。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本開示の基本的な範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

　１　近接場熱輻射発電素子、１０　熱源、１０ａ　熱源面、１１　二次元材料層、２０　光電変換部、２０ａ　第１光電変換部、２０ｂ　第２光電変換部、２０ｓ　光電変換部面、２０ｓａ　第１光電変換部面、２０ｓｂ　第２光電変換部面、２１　光電変換部材、２１ａ　光電変換部材部分、２１ｈ　貫通孔、２１ｎ　Ｎ型領域、２１ｐ　Ｐ型領域、２２，２２ｌ，２２ｒ　電極、２２ａ　第１電極面、２２ｂ　第２電極面、２３，３３　基板、２３ａ　第１基板面、２３ｂ　第２基板面、２４　絶縁層、３０　ストッパー、３０ａ　第１ストッパー、３０ｂ　第２ストッパー、４０　原子層空間、ｔ１　第１距離、ｔ２　第２距離。

Claims

　熱源面を有する熱源と、
　前記熱源面と対向する光電変換部面を有する光電変換部と、
　前記熱源面と前記光電変換部面とを接続するストッパーとを備え、
　前記ストッパーの材料は二次元材料である、近接場熱輻射発電素子。
　前記光電変換部は、前記光電変換部面を有する光電変換部材を含み、
　前記光電変換部材の材料が二次元材料である、請求項１に記載の近接場熱輻射発電素子。
　前記光電変換部は、
　基板と、
　前記光電変換部材と接続される一対の電極と、
　前記基板と前記電極との間に形成された絶縁層とを含む、請求項２に記載の近接場熱輻射発電素子。
　前記電極の材料は二次元材料である、請求項３に記載の近接場熱輻射発電素子。
　前記電極は、前記熱源面と対向する第１電極面を有し、
　前記熱源面から前記光電変換部面までの距離である第１距離が、前記熱源面から第１電極面までの距離である第２距離より小さい、請求項３に記載の近接場熱輻射発電素子。
　前記基板は可撓性を有する、請求項３に記載の近接場熱輻射発電素子。
　前記光電変換部材は、プラズモン共鳴が発生する形状を有する、請求項２または請求項３に記載の近接場熱輻射発電素子。
　前記光電変換部材の材料は、単層二次元材料、多層二次元材料、および乱層積層二次元材料からなる群から選択されるいずれかである、請求項２または請求項３に記載の近接場熱輻射発電素子。
　前記ストッパーは前記光電変換部面のみに接続される、請求項２または請求項３に記載の近接場熱輻射発電素子。
　前記光電変換部材はＰＮ接合を有する、請求項２または請求項３に記載の近接場熱輻射発電素子。
　前記光電変換部が光増感剤を含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の近接場熱輻射発電素子。
　前記ストッパーの材料が絶縁材である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の近接場熱輻射発電素子。
　前記光電変換部材の材料はグラフェンであり、
　前記ストッパーの材料は窒化ボロンである、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の近接場熱輻射発電素子。
　前記ストッパーに貫通孔または空孔のいずれかが形成された、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の近接場熱輻射発電素子。
　前記熱源は、前記熱源面を有する二次元材料層を含み、
　前記二次元材料層は二次元材料からなる、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の近接場熱輻射発電素子。
　前記光電変換部は、第１光電変換部と第２光電変換部とを含み、
　前記ストッパーは、第１ストッパーと第２ストッパーとを含み、
　前記光電変換部面は、第１光電変換部面と第２光電変換部面とを含み、
　前記第１光電変換部は、前記熱源面と対向する前記第１光電変換部面を有し、
　前記第２光電変換部は、前記熱源面と対向する前記第２光電変換部面を有し、
　前記第１ストッパーは、前記熱源面と前記第１光電変換部面とを接続し、
　前記第２ストッパーは、前記熱源面と前記第２光電変換部面とを接続する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の近接場熱輻射発電素子。