(57)【要約】【課題】より広い波長範囲でより高い吸収特性を示す光吸収構造体を提供する。【解決手段】  光吸収構造体は、基材と、基材に形成された金属膜と、Ｖ及びＷのうち１以上を含み金属膜上に形成された複数の柱状部と、を備えている。この光吸収構造体は、例えば、先端に向かって尖っているコーン形状の柱状部を備えているものとしてもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材に形成された金属膜と、
Ｖ及びＷのうち１以上を含み前記金属膜上に形成された複数の柱状部と、
を備えた光吸収構造体。
【請求項２】
前記柱状部は、先端が平坦なピラー形状及び先端に向かって尖っているコーン形状のうちいずれかである、請求項１に記載の光吸収構造体。
【請求項３】
前記柱状部は、高さが１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲である、請求項１又は２に記載の光吸収構造体。
【請求項４】
前記柱状部は直径が５ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光吸収構造体。
【請求項５】
波長２００ｎｍ以上１５００ｎｍの波長範囲において吸収率８０％以上を示す、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光吸収構造体。
【請求項６】
波長２００ｎｍ以上１５００ｎｍの波長範囲において反射率２０％以下を示す、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光吸収構造体。
【請求項７】
前記金属膜は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｖ及びＷのうち１以上の金属元素を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光吸収構造体。
【請求項８】
前記基材は、ガラス、高分子及び金属のうち１以上からなる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光吸収構造体。
【請求項９】
金属膜が形成されていてもよい基材をホルダに固定し、前記ホルダを傾斜した状態で回転させ、前記基材の表面及び／又は前記金属膜の表面に原料としてのＶ及びＷのうち１以上を付着させ柱状部を形成する形成工程、を含む光吸収構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記形成工程では、Ｖ及びＷのうち１以上を含む原料に対して前記ホルダを移動させ、先端が尖っているコーン形状の柱状部を形成する、請求項９に記載の光吸収構造体の製造方法。
【請求項１１】
前記形成工程では、前記ホルダを前記原料から１０ｃｍ以下１ｃｍ以上の移動範囲で移動させる、請求項１０に記載の光吸収構造体の製造方法。
【請求項１２】
前記形成工程では、前記柱状部が所定高さ形成されるたびに前記ホルダを所定距離ずつ移動させる、請求項１０又は１１に記載の光吸収構造体の製造方法。
【請求項１３】
前記形成工程では、前記原料に対して６０°以上９０°未満の角度で前記基材を傾けて前記ホルダを回転する、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の光吸収構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書では、光吸収構造体及び光吸収構造体の製造方法を開示する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽光を吸収する構造体としては、例えば、０．５〜２μｍの範囲の格子周期を有するワッフル状アレイで配置されたほぼ立方体形状のマイクロキャビティを含むスペクトル選択性メタマテリアル改善表面特徴部を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この構造体では、６００℃を上回る動作温度においてける太陽エネルギーの高い吸収率を有するとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１１０９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１の構造体では、周期０．５〜２μｍの非常に小さな周期で作製する必要があるため、リソグラフィー技術が必要となり、構造の大面積化が難しいという問題があった。また、上記の構造体では、可視光の太陽光スペクトルの強い波長範囲において、吸収スペクトルは８０％程度であり、更なる吸収率の向上が求められていた。
【０００５】
本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、より広い波長範囲でより高い吸収特性を示す光吸収構造体及び光吸収構造体の製造方法を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、特定の元素を蒸着又はスパッタすることによって特定の元素を含む柱状部を密に形成し、且つその形状を好適なものにすると、より広い波長範囲でより高い吸収特性を示すことを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本明細書で開示する光吸収構造体は、
基材と、
前記基材に形成された金属膜と、
Ｖ及びＷのうち１以上を含み前記金属膜上に形成された複数の柱状部と、
を備えたものである。
【０００８】
本明細書で開示する光吸収構造体の製造方法は、
金属膜が形成されていてもよい基材をホルダに固定し、前記ホルダを傾斜した状態で回転させ、前記基材の表面及び／又は前記金属膜の表面に原料としてのＶ及びＷのうち１以上を付着させ柱状部を形成する形成工程、を含むものである。
【発明の効果】
【０００９】
本開示は、より広い波長範囲でより高い吸収特性を示す光吸収構造体及び光吸収構造体の製造方法を提供することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推測される。例えば、ＷやＶは、金属の中でも紫外光から近赤外光の広い波長範囲において、反射率が弱い、即ち、吸収が少しある金属である。このような金属を、密集した柱状部を備える形状にすることによって、反射率を更に低く抑えることができ、その結果、より広い波長範囲でより高い吸収率を示すことができるようになるものと推察される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】光吸収構造体２０の一例を示す説明図。
【図２】別の光吸収構造体２０Ｂの一例を示す説明図。
【図３】光吸収構造体製造装置３０の一例を示す説明図。
【図４】光吸収構造体２０Ｂを作製する光吸収構造体製造装置３０の説明図。
【図５】実験例２の光吸収構造体のＳＥＭ写真。
【図６】実験例１、２の光吸収構造体の反射率、透過率及び吸収率の測定結果。
【図７】実験例３の光吸収構造体のＳＥＭ写真。
【図８】実験例１〜３の光吸収構造体の反射率の測定結果。
【図９】実験例５、６の光吸収構造体のＳＥＭ写真。
【図１０】実験例４〜６の光吸収構造体の反射率の測定結果。
【図１１】実験例４〜６の光吸収構造体の吸収率の測定結果。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（光吸収構造体）
本開示の光吸収構造体は、基材と、基材に形成された金属膜と、Ｖ及びＷのうち１以上を含み金属膜上に形成された複数の柱状部と、を備えたものである。基材は、金属膜を支持する部材であり、化学的安定性と機械的強度とを有するものであれば特に限定されず、例えば、ガラス、高分子及び金属のうち１以上からなるものとしてもよい。ガラスとしては、例えば石英ガラスやホウケイ酸ガラスなどが挙げられる。高分子としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミドなどが挙げられる。金属としては、例えば、鉄、銅、アルミニウムなどが挙げられる。またその厚さは、例えば、表面積の大きさや柱状部の数に合わせて選択されればよいが、１０μｍ以上としてもよいし１ｃｍ以下の範囲としてもよい。
【００１２】
金属膜は、基材に密接して柱状部を支持するものである。この金属膜は、柱状部と同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。同じ材質では、製造時に複数の材質を用いる必要がないため、好ましい。また異なる材質では、例えば安価な材質を用いて安価に製造することができる。あるいは、異なる材料の特長を生かし、複合的な効果を得ることができる。更に、金属膜は、基材と異なる材質であってもよいし、基材と同じ材質であるものとしてもよい。金属膜が基材と同じ材質である場合は、基材が金属膜を兼ねるものとなる。金属膜は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｖ及びＷのうち１以上の金属元素を含むものとしてもよい。この金属膜は、完全な金属膜である必要はなく、一部に酸化金属を含むものとしてもよい。この金属膜の厚さＴは、例えば、５０ｎｍ以上であるものとしてもよいし、１００ｎｍ以上であるものとしてもよいし、２００ｎｍ以上であるものとしてもよい。また、厚さＴは、１００μｍ以下であるものとしてもよい。厚さＴは、厚いほどより強固になる。この金属膜は、用いる用途により適宜選択されればよいが、その表面積が４ｃｍ2以上であるものとしてもよいし、４００ｃｍ2以下の範囲としてもよい。
【００１３】
柱状部は、光吸収特性をより高める部材であり、ＶおよびＷのうち１以上を含むものである。このうち、取り扱いのしやすさの観点からはＶが好ましく、光吸収特性の観点からはＷが好ましい。柱状部は、高さＬが１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲であることが好ましい。高さＬが１００ｎｍ以上では、柱状部の効果を十分発揮することができ、１０００ｎｍ以下では、作製がより容易であり、構造体の強度を確保することができる。また、柱状部は、直径Ｄが５ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であることが好ましい。この直径Ｄは、１０ｎｍ以上であることがより好ましく、４０ｎｍ以上であることが更に好ましい。また、直径Ｄは、１００ｎｍ以下であることがより好ましく、８０ｎｍ以下であることが更に好ましい。また、柱状部は、密度高く形成されているものとしてもよい。例えば、柱状部は、隣との間隔が５０ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以下であることがより好ましい。この柱状部は、隣と一体とならない程度の間隔があることが好ましく、その間隔は、１ｎｍ以上としてもよいし、２ｎｍ以上としてもよい。この柱状部は、先端が平坦なピラー形状及び先端に向かって尖っているコーン形状のうちいずれかであるものとしてもよい。このうち、柱状部は、コーン形状であることが、光吸収特性をより高めることができ、より好ましい。また、この柱状部は、断面が円形状を有しているものとしてもよい。コーン形状の柱状部において、金属膜と結合している根元の直径Ｄｂに対する先端の直径Ｄａの比Ｄａ／Ｄｂは、１／５０以上２０／５０以下の範囲としてもよい。また、コーン形状の柱状部において、側面は、断面視あるいは投影視したときに直線で構成されているものとしてもよいし、所定高さごとに傾きが変化する直線又は曲線で構成されているものとしてもよい。先端の面積が小さい形状であれば、光の反射をより抑制することができ好ましい。
【００１４】
この光吸収構造体は、波長２００ｎｍ以上１５００ｎｍの波長範囲において吸収率８０％以上を示すものとしてもよい。即ち、波長２００ｎｍ以上１５００ｎｍの波長の全範囲において吸収率８０％以上を示すものとしてもよい。吸収率は、より高いことが好ましく、８５％以上がより好ましく、９０％以上が更に好ましい。また、波長２００ｎｍ以上１５００ｎｍの波長範囲における平均吸収率が８０％以上を示すものとしてもよく、８５％以上がより好ましく、９０％以上が更に好ましい。また、この光吸収構造体は、波長２００ｎｍ以上１５００ｎｍの波長範囲において反射率２０％以下を示すものとしてもよい。即ち、波長２００ｎｍ以上１５００ｎｍの波長の全範囲において反射率２０％以下を示すものとしてもよい。反射率は、より低いことが好ましく、１５％以下がより好ましく、１０％以下が更に好ましい。また、波長２００ｎｍ以上１５００ｎｍの波長範囲における平均反射率が２０％以下を示すものとしてもよく、１５％以下がより好ましく、１０％以下が更に好ましい。ＶやＷを含み、上記柱状部の構造を有した光吸収構造体では、このような吸収率や反射率を実現することができる。
【００１５】
図１は、光吸収構造体２０の一例を示す説明図である。また、図２は、別の光吸収構造体２０Ｂの一例を示す説明図である。図１に示すように、光吸収構造体２０は、基材２１と、金属膜２２と、柱状部２３とを備えている。柱状部２３は、先端が平面であり、円柱状の形状を有する。また、図２に示すように、コーン形状の柱状部２４を備えた光吸収構造体２０Ｂとすることがより好ましい。光吸収構造体２０Ｂでは、より高い光吸収特性を有するものとすることができる。
【００１６】
（光吸収構造体の製造方法）
本開示の製造方法は、Ｖ及びＷのうち１以上を含む柱状部を形成する形成工程を含む。この形成工程では、上記光吸収構造体で説明した構造となるように、材質や大きさなどを適宜選択して行うことができる。この工程では、金属膜が形成されていてもよい基材をホルダに固定し、ホルダを傾斜した状態で回転させ、基材の表面及び／又は金属膜の表面に原料としてのＶ及びＷのうち１以上を付着させ柱状部を形成する処理を行う。金属膜が形成されていない基材を用いる場合、柱状部の形成の前に、基材の表面へ金属膜を形成する処理を行うものとしてもよい。また、金属膜が形成された基材を用いる場合、そのまま柱状部を金属膜上に形成すればよい。柱状部の形成は、例えば、電子ビーム（ＥＢ）蒸着や、スパッタ成膜、ＣＶＤ法などの手法により行うことができる。このうち、ＥＢ蒸着がより好ましい。ホルダの傾斜は、例えば、ホルダの中心軸に対する、基材の中心と原料の基材に近い端部とを接続した線がなす角度θとして表すことができる（図３，４参照）。この角度θは、６０°以上９０°未満の範囲のいずれかとすることができ、６８°以上８８°以下の範囲としてもよい。ホルダを水平方向に移動させずに自転させる場合は、角度θは、７８°以上８５°以下の範囲とすることが好ましい。図３は、ピラー形状の柱状部２３を有する光吸収構造体２０を製造する光吸収構造体製造装置３０の一例を示す説明図である。この構造体製造装置３０は、基材２１を固定するホルダ３１と、ＶやＷを含む原料３２を収容する収容部３３と、これらを収容するチャンバ３４と、原料３２を飛翔させる図示しない形成部とを備えている。ＥＢ蒸着を行う場合、形成部は電子銃とすればよい。
【００１７】
この形成工程において、Ｖ及びＷのうち１以上を含む原料に対して、ホルダを移動させ、先端が尖っているコーン形状の柱状部を形成するものとしてもよい。このとき、ホルダを原料から１０ｃｍ以下１ｃｍ以上の移動範囲で移動させるものとしてもよい。更に、ホルダの移動に伴い、ホルダの角度θが６０°以上９０°未満の範囲内で変更されるものとしてもよい。このホルダの移動は、連続的に行うものとしてもよいし、断続的に行うものとしてもよい。ホルダを断続的に移動する際には、柱状部が所定高さ形成されるたびにホルダを所定距離ずつ移動させるものとしてもよい。この所定高さは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲のいずれかとしてもよいし、４０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の範囲のいずれかとしてもよい。また、この所定距離は、例えば、０．１ｃｍ以上２ｃｍ以下の範囲のいずれかとしてもよいし、０．５ｃｍ以上１．５ｃｍ以下の範囲のいずれかとしてもよい。これらの条件は、例えば、柱状部の直径Ｄや高さＬ、コーン形状における側面の角度などに応じて、適宜設定すればよい。図４は、コーン形状の柱状部２４を有する光吸収構造体２０Ｂを作製する光吸収構造体製造装置３０の一例を示す説明図である。図３の構造体製造装置３０との相違点は、ホルダ３１を水平方向に移動する点である。例えば、構造体製造装置３０は、柱状部２４が５０ｎｍ形成されるたびに、ホルダ３１を原料側へ１ｃｍずつ移動するものとしてもよい。このホルダ３１の移動によって、電子ビームで蒸発したＶやＷの成分が近傍にある柱状部２４によって遮られることで、柱状部２４の側面が傾斜するものと推察される。
【００１８】
以上詳述した光吸収構造体及び光吸収構造体の製造方法では、より広い波長範囲でより高い吸収特性を示すことができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推測される。例えば、ＷやＶは、金属の中でも紫外光から近赤外光の広い波長範囲において、反射率が弱い、即ち、吸収が少しある金属である。このような金属を、密集した柱状部を備える形状にすることによって、反射率を更に低く抑えることができ、その結果、より広い波長範囲でより高い吸収率を示すことができるようになるものと推察される。
【００１９】
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【実施例】
【００２０】
以下には、本明細書で開示する光吸収構造体を具体的に作製した例を実験例として説明する。実験例１、４が比較例に相当し、実験例２、３、５、６が実施例に相当する。
【００２１】
（実験例１〜３の光吸収構造体の作製）
石英基材を用い、図３に示す構造体製造装置により、ホルダに基材を固定し、この基材上に電子ビーム（ＥＢ）蒸着によってＶの金属膜を２００ｎｍ成膜した。これを実験例１とした。蒸着装置は、キヤノンアネルバ社製Ｌ−４５Ｅ型を用いた。次に、金属膜を形成した実験例１の基材を固定したホルダをθ＝８１°に傾けた状態で配置し、このホルダを０．４ｒａｄ／ｓｅｃの速度で自転させながらＶの蒸着を行った。成膜速度は、０．２ｎｍ／ｓｅｃであった。５００ｎｍの柱状部が形成された時点で蒸着を終了し、ピラー状の柱状部が密集して形成された光吸収構造体を実験例２とした。また、蒸着材料であるＶ粉末の入った収容部から距離Ｘ＝１０ｃｍ離れた位置に基材が配置されるよう実験例１の基材を固定したホルダを配置した。このときのホルダの角度θは６８°であった。次に、このホルダを０．４ｒａｄ／ｓｅｃの速度で自転させながらＶの蒸着を行った。成膜速度は、０．２ｎｍ／ｓｅｃであった。次に、５０ｎｍ成膜されるたびに１ｃｍずつホルダを収容部に近づけるよう移動させ（図４参照）、距離Ｘが１ｃｍになった時点で蒸着を終了した。最終的なホルダの角度θは８８°であった。このようにして得られた、先端が先細形状であるコーン形状の柱状部が密集して形成された光吸収構造体を実験例３とした。蒸着材料をＷとした以外は、実験例１〜３と同様に作製したものをそれぞれ実験例４〜６とした。
【００２２】
（ＳＥＭ観察）
作製した光吸収構造体に対して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ，ＨＩＴＡＣＨＩ社製ＦＥ５５００）を用いて微細構造の観察を行った。ＳＥＭ観察は、観察条件として加速電圧１０ｋＶで５万倍〜１０万倍の範囲とした。
【００２３】
（光吸収特性評価）
作製した光吸収構造体に対して、光吸収特性を評価した。測定は、島津製作所製、紫外・可視・近赤外分光光度計ＵＶ−３６００・ＩＳＲ−３１００により、２００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長域にて試料を測定することにより、反射率および透過率を測定することで吸収率を求めた。
【００２４】
（結果と考察）
表１に実験例１〜６の構造、材質形状、高さＬおよび波長２００ｎｍ〜１５００ｎｍでの平均吸収率（％）をまとめて示した。図５は、実験例２の光吸収構造体のＳＥＭ写真であり、図５Ａが真上から観察した写真、図５Ｂが４０°傾けた写真、図５Ｃが図５Ｂの拡大写真である。図６は、実験例１、２の光吸収構造体の反射率、透過率及び吸収率の測定結果であり、図６Ａが実験例１の反射率と透過率、図６Ｂが実験例２の反射率と透過率、図６Ｃが実験例１，２の吸収率の測定結果である。図５に示すように、ホルダを傾斜した状態でその場で回転させ、基材にＶをＥＢ蒸着させると直径Ｄが５０ｎｍである円柱体が密度高く形成された構造体が得られることがわかった。図６Ａに示すように、Ｖの金属膜だけでは、２００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長の反射率が平均５０％程度であり、透過率は０％であった。一方、柱状部が形成された実験例２では、透過率は０％であり、反射率が２０％以下に抑えられることがわかった。また、実験例２では、８０％以上の吸収率を示し、特に波長４００〜７００ｎｍの可視光領域において９０％以上の吸収率を示した。また、金属膜のみの実験例１に比して実験例２は、１．５〜１．８倍の吸収率の増加が得られることがわかった。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
図７は、実験例３の光吸収構造体のＳＥＭ写真である。図８は、実験例１〜３の光吸収構造体の反射率の測定結果である。図７に示すように、基材を保持したホルダを回転させ、且つ蒸着材料側に移動して基材にＶをＥＢ蒸着させると、先端側がとがったコーン形状の直径Ｄが５０ｎｍである柱状部が密度高く形成された構造体が得られることがわかった。この柱状部は、先端の直径が１０ｎｍ、根元の直径が５０ｎｍ、高さＬが５００ｎｍであり、先端に向かって尖っている円錐形状であった。図８に示すように、コーン状の実験例３では、ピラー形状の実験例２に比して反射率が大きく低下し、幅広い波長範囲で太陽光などを吸収することができることがわかった。
【００２７】
図９は、実験例５、６の光吸収構造体のＳＥＭ写真であり、図９Ａが実験例５、図９Ｂが実験例６である。図１０は、実験例４〜６の光吸収構造体の反射率の測定結果である。図１１は、実験例４〜６の光吸収構造体の吸収率の測定結果である。図９に示すように、Ｗにおいても、実験例５では、先端がやや平坦なピラー形状の密集体が形成された構造体が得られた。また、実験例６では、先端に向かってとがっているコーン形状の密集体が形成された構造体が得られた。図１０、１１に示すように、反射率および吸収率スペクトルもＶを用いた実験例２，３と同様に、幅広い波長範囲にわたって反射率が１０％以下、吸収率が９０％以上をいう高い特性を示した。Ｗでは、Ｖに比して顕著ではないが、ピラー形状の実験例５の平均反射率が４．６％である一方、コーン形状の実験例６の平均反射率が３．８％であり、コーン形状では反射率をより低減していることがわかった。
【００２８】
このように、ＶおよびＷを用いて柱状部を形成すると、基材を傾けて回転して移動させるという簡単な工程によって、反射率の低減や吸収率の増加など、特性をより高めた光吸収構造体を得ることができることがわかった。
【００２９】
なお、本開示は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本明細書で開示する光吸収構造体及び光吸収構造体の製造方法は、太陽光など光を吸収する技術分野に利用可能である。
【符号の説明】
【００３１】
２０，２０Ｂ  光吸収構造体、２１  基材、２２  金属膜、２３，２４  柱状部、３０  光吸収構造体製造装置、３１  ホルダ、３２  原料、３３  収容部、３４  チャンバ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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