(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１媒質と、第２媒質とを、それらの媒質がそれらの表面に熱励起される表面フォノンポラリトンによるエバネッセント波により結合され、熱伝導が遮断される間隔を設けて配置し、前記第１媒質と前記第２媒質間の熱移動が主として、熱励起されたエバネッセント波により行われる熱整流デバイスにおいて、
前記第１媒質と前記第２媒質とは、同一の材料であり、
前記第１媒質の表面であって、前記第２媒質と対面する側の表面に、第３媒質を設け、
前記第２媒質の温度を第１温度THとし、前記第１媒質の温度を前記第１温度THよりも低い第２温度TLとする第１の場合に前記第２媒質から前記第１媒質へ流れる熱流束と、
前記第１媒質の温度を前記第１温度THとし、前記第２媒質の温度を前記第２温度TLとする第２の場合に前記第１媒質から前記第２媒質へ流れる熱流束と
を異なるようにしたことを特徴とする熱整流デバイス。
【請求項２】
前記第２媒質の表面であって、前記第１媒質と対面する側の表面に、第４媒質を設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱整流デバイス。
【請求項３】
前記第３媒質は、
前記第１の場合には、前記第１媒質と前記第３媒質との界面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数と、前記第２媒質の前記第１媒質側の表面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数とが一致する第１周波数領域が広く、
前記第２の場合には、前記第１媒質と前記第３媒質との界面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数と、前記第２媒質の前記表面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数とが一致する第２周波数領域が存在しないか、又は、第２周波数領域が前記第１周波数領域よりも狭くなる
ような比誘電率と厚さを有していることを特徴とする請求項１に記載の熱整流デバイス。
【請求項４】
前記第３媒質と前記第４媒質は、
前記第１の場合には、前記第１媒質と前記第３媒質との界面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数と、前記第２媒質と前記第４媒質との界面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数とが一致する第１周波数領域が広く、
前記第２の場合には、前記第１媒質と前記第３媒質との界面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数と、前記第２媒質と前記第４媒質との界面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数とが一致する第２周波数領域が存在しないか、又は、第２周波数領域が前記第１周波数領域よりも狭くなる
ような比誘電率と厚さを有していることを特徴とする請求項２に記載の熱整流デバイス。
【請求項５】
前記第１の場合に前記第２媒質から前記第１媒質へ流れる熱流束を、前記第２の場合に前記第１媒質から前記第２媒質へ流れる熱流束よりも大きくしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の熱整流デバイス。
【請求項６】
前記第１媒質と前記第２媒質との間隔は300nm以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の熱整流デバイス。
【請求項７】
前記第１媒質及び前記第２媒質の比誘電率の実部は、エバネセット波により熱移動が行われるときのエバネッセント波の周波数帯域且つ使用温度範囲において、−１以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の熱整流デバイス。
【請求項８】
前記第１媒質と前記第２媒質は、シリコンカーバイト(SiC)、二酸化ケイ素(SiO2)、不純物の添加されたシリコン(Si)のうちの少なくとも１種で構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の熱整流デバイス。
【請求項９】
熱流束が大きい方向を順方向、熱流束が小さい方向を逆方向とする時、前記第３媒質は、順方向の熱流束が最大となる比誘電率と厚さを有することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の熱整流デバイス。
【請求項１０】
熱流束が大きい方向を順方向、熱流束が小さい方向を逆方向とする時、前記第４媒質は、順方向の熱流束が最大となる比誘電率と厚さを有することを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の熱整流デバイス。
【請求項１１】
前記第３媒質の厚さt3、 比誘電率ε3が、次式を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の熱整流デバイス。
【数１】
0005605391.tif 000015
ただし、ε1は第１媒質の比誘電率、kmは40k0以上、50k0以下、k0=2π/λ０、λ０は前記熱流束が大きくなる方向である順方向の熱流束が最大となるエバネッセント波の波長である。
【請求項１２】
前記第３媒質は、アモルファスシリコンであり、前記厚さt3を1nm以上、2nm以下とする請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の熱整流デバイス。
【請求項１３】
前記第３媒質として、比誘電率を1.5以上、2.5以下の材料とし、前記厚さt3を5nm以上、20nm以下とする請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の熱整流デバイス。
【請求項１４】
前記第３媒質は、フッ化バリウム(BaF2)、フッ化ストロンチウム(SrF2)、フッ化鉛(PbF2)、フッ化カルシウム(CaF2)、臭化ルビジウム(RbBr)、臭化セシウム(CsBr)、塩化セシウム(CsCl)、塩化カリウム(KCl)、及び、塩化ナトリウム(NaCl)の群の中から選択された少なくとも一つであることを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れか１項に記載の熱整流デバイス。
【請求項１５】
前記第４媒質は、フッ化バリウム(BaF2)、フッ化ストロンチウム(SrF2)、フッ化鉛(PbF2)、フッ化カルシウム(CaF2)、臭化ルビジウム(RbBr)、臭化セシウム(CsBr)、塩化セシウム(CsCl)、塩化カリウム(KCl)、及び、塩化ナトリウム(NaCl)の群の中から選択された少なくとも一つであることを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の熱整流デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱流束を制御するデバイスに関する。特に、一方の媒質が他方の媒質に対して高温になった場合にのみ大きな熱移動が可能な熱流に関する整流特性を有したデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記非特許文献１には、次のことが開示されている。２つの媒質が、熱放射される電磁波の波長より十分に小さい厚さ、すなわち、厚さ数100nm以下の熱伝導のない媒質、すなわち、真空層又は空気層を介して配置された場合の熱移動が考察されている。この場合には、エバネッセント波による熱流束は、黒体輻射による熱流束よりも、数桁大きくなる。
【０００３】
また、非特許文献２には、SiC板を１nmの真空ギャップを隔てて対向させると、エバネッセント波による熱流束が、黒体輻射による熱流束に比べて５桁程大きくなることが開示されている。この現象は、フォノントンネリングとも言われている。また、1019/cm3以上の高濃度にｎ型不純物を添加したSiは、角周波数が1015から1013に減少するに連れて、比誘電率の実部は0から-230に変化することが開示されている。
【０００４】
また、非特許文献３には、SiC-3Cから成る厚板と、SiC-6Hから成る厚板とを厚さdの真空ギャップを隔てて配置した時に、高温のSiC-3C板から低温のSiC-6H板 へ流れる熱流束の方が、高温のSiC-6H 板から低温のSiC-3C板へ流れる熱流束よりも大きくなることが開示されている。すなわち、熱整流が実現されることが開示されている。熱整流が実現される理由は、次の通りである。誘電率の温度依存性が異なるため、SiC-3Cの温度を500Kとし、SiC-6Hの温度を300Kとしたときには、両者における表面フォノンポラリトンの共鳴周波数帯の一致幅が大きく、SiC-3Cから SiC-6Hへ向けて、大きな熱エネルギーが移動する。この熱流の方向は順方向と言われる。一方、SiC-3Cの温度を300Kとし、SiC-6Hの温度を500Kとしたときには、両者の共鳴周波数帯の一致する幅が狭いため、熱エネルギーの移動は小さくなる。この熱流の方向は逆方向と言われる。
【０００５】
また、非特許文献４に記述された内容を図５に示す。一方の媒質102の厚さは10nm、他方の媒質101の厚さは無限大である。すなわち、媒質101は、半無限長の媒質である。媒質102と媒質101との間のエアギャップ100は10nmである。媒質101は、ｎ型不純物が濃度1021/cm3に添加されたSi、媒質102は、ｎ型不純物が濃度1018/cm3に添加されたSiである。媒質102の温度T2を400K、媒質101の温度T1を300Kとしたときに、媒質102から媒質101に向かう熱流束は大きい。逆に、媒質102の温度T2を300K、媒質101の温度T1を400Kとしたときには、媒質101から媒質102に向かう熱流束は小さい。そして、エアギャップ100の幅dが1nmから50nmの範囲において、300Kと400Kとの温度差に対して、0.5の整流指数が得られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】D. Polder and M. Van Hove, “Theory of radiative heat transfer between closely spaced bodies,” Physical Review B 4, 3303 (1971).
【非特許文献２】S. Basu, Z. M. Zhang, and C. J. Fu, “Review of near-field thermal radiation and its application to energy conversion,” International Journal of Energy Research 33, 1203-1232 (2009).
【非特許文献３】C. R. Otey, W. T. Lau, and S. Fan, “Thermal rectification through vacuum,” Physical Review Letters 104, 154301 (2010).
【非特許文献４】S. Basu and M. Francoeur, “Near-field radiative transfer based thermal rectification using doped silicon,” Applied Physics Letters 98, 113106 (2011).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献４において、厚さt2が10nmであるシリコンフィルム（媒質102)を、媒質101に対して、10nmの間隙dを設けて固定することは容易ではない。２つの媒質を空気層又は真空層を介して配置して、熱整流を実現するには、エバネッセント波で熱移動が行われるエバネッセント波の周波数帯域及び使用する温度範囲において、誘電率の実部が-1以下で、その誘電率が異なる２つの材料を見出すことが必要となる。このことは、熱整流デバイスを実現する上で、障害となる。
したがって、設計の自由度を向上させるためには、２つの媒質を同一材料としても、熱整流が実現されることが望ましい。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、同一の２つの媒質間での熱流に関して整流特性を有したデバイスを実現することである。これにより熱整流デバイスの製造を容易にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
本発明は、第１媒質と、第２媒質とを、それらの媒質がそれらの表面に熱励起される表面フォノンポラリトンによるエバネッセント波により結合され、熱伝導が遮断される間隔を設けて配置し、第１媒質と第２媒質間の熱移動が主として、熱励起されたエバネッセント波により行われる熱整流デバイスにおいて、第１媒質と第２媒質とは、同一の材料であり、第１媒質の表面であって、第２媒質と対面する側の表面に、第３媒質を設け、第２媒質の温度を第１温度THとし、第１媒質の温度を第１温度TH よりも低い第２温度TLとする第１の場合に第２媒質から第１媒質へ流れる熱流束と、第１媒質の温度を第１温度THとし、第２媒質の温度を第２温度TLとする第２の場合に第１媒質から第２媒質へ流れる熱流束とを異なるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
空気中又は真空中に置かれた比誘電率が負の媒質の表面には、表面フォノンポラリトンが励起され、エバネッセント波が生じる。本発明は、第３媒質を第１媒質の表面に設けることにより、第１媒質と第３媒質の界面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数帯と、第２媒質の表面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数帯とが、所定の温度差条件の時に、大きく重なるようにしたことが特徴である。換言すれば、第１媒質と第２媒質とが、同一材料であっても、そのような特性が実現されるように第３媒質の材料や厚さが選択される。
間隙は、第１媒質と第２媒質との間の熱伝導が小さいものとする。例えば、真空、空気、その他の熱絶縁性材料で、間隙を構成することができる。また、間隙を保持するために、熱絶縁性材料によるナノ粒子などによるスペーサが、一部に存在しても良い。
【００１０】
また、上記発明において、第２媒質の表面であって、第１媒質と対面する側の表面に、第４媒質を設けても良い。この場合には、第３媒質と第４媒質の材料を異ならせて、それらの比誘電率の周波数特性や温度特性を異にすることにより、熱流束の順方向を任意の方向に設定することができる。
【００１１】
また、上記発明において、第３媒質は、第１の場合には、第１媒質と第３媒質との界面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数と、第２媒質の第１媒質側の表面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数とが一致する第１周波数領域が広く、第２の場合には、第１媒質と第３媒質との界面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数と、第２媒質の表面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数とが一致する第２周波数領域が存在しないか、又は、第２周波数領域が第１周波数領域よりも狭くなるような比誘電率と厚さを有するようにしても良い。
第２媒質の温度が、第１媒質の温度よりも高い場合には、第１媒質と第３媒質との界面に熱励起される表面フォノンポラリトンと、第２媒質の表面に熱励起される表面フォノンポラリトンとが共鳴できる状態となる。したがって、第２媒質から第１媒質に向う熱流束が大きくなり、この方向を順方向する熱整流デバイスとなる。第２媒質の温度が、第１媒質の温度よりも低い場合には、第１媒質と第２媒質間の共鳴が実現されないので、温度の高い第１媒質から温度の低い第２媒質へ向けて流れる方向を逆方向とする熱流束は小さくなる。また、共鳴周波数が一致する周波数帯域が存在するとは、熱励起されるフォノンの周波数帯域の少なくととも一部において一致していることを意味する。もちろん、全周波数帯域で共鳴周波数が一致していても良い。
【００１２】
また、第４媒質を設けた場合においては、第３媒質と第４媒質は、第１の場合には、第１媒質と第３媒質との界面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数と、第２媒質と第４媒質との界面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数とが一致する第１周波数領域が広く、第２の場合には、第１媒質と第３媒質との界面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数と、第２媒質と第４媒質との界面に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数とが一致する第２周波数領域が存在しないか、又は、第２周波数領域が第１周波数領域よりも狭くなるような比誘電率と厚さを有していることが望ましい。
第１媒質と第３媒質との界面、第２媒質と第４媒質との界面において熱励起された表面フォノンポラリトンの共鳴状態が、一方の温度差条件において、実現されることになる。共鳴状態が実現された場合に、高温の媒質から低温の媒質に向けて流れる方向を順方向とする熱整流デバイスが実現される。
【００１３】
また、第２媒質の温度が第１媒質の温度よりも高いときに第２媒質から第１媒質へ流れる熱流束を、第２媒質の温度が第１媒質の温度よりも低いときに第１媒質から第２媒質へ流れる熱流束よりも大きくすることができる。
また、上記発明において、第１媒質と第２媒質との間隔は300nm以下であることが望ましい。２つの界面において熱励起される表面フォノンポラリトンが共鳴してトンネルできる間隔である。この間隔は、表面フォノンポラリトンによるエバネッセント波の波長10.6μmよりも十分に小さく、エバネセット波が効率的結合できる大きさである。この間隔は200nm以下が、さらに、望ましく、100nm以下は、最も望ましい。また、50nm以下も望ましい範囲である。
また、第１媒質及び第２媒質の比誘電率の実部は、エバネセット波により熱移動が行われるときのエバネッセント波の周波数帯域且つ使用温度範囲において、−１以下となるものである。この場合に、媒質間の界面（間隙も媒質と見做す）に表面フォノンポラリトンを熱励起することができる。
【００１４】
第１媒質と第２媒質は、シリコンカーバイト(SiC)、二酸化ケイ素(SiO2)、不純物の添加されたシリコン(Si)のうちの少なくとも１種で構成されることが望ましい。これらの材料は、使用温度範囲及び熱励起される表面フォノンポラリトンの周波数帯域において、誘電率の実部が-1以下となる。SiCの場合には、1波長帯域（表面フォノンポラリトンの周波数帯域）での熱移動が実現され、SiO2 の場合には、２波長帯域での熱移動が実現れる。
また、熱流束が大きい方向を順方向、熱流束が小さい方向を逆方向とする時、第３媒質は、順方向の熱流束が最大となる比誘電率と厚さを有することが望ましい。この場合に、整流指数を大きくすることができる。
【００１５】
熱流束が大きい方向を順方向、熱流束が小さい方向を逆方向とする時、第４媒質は、順方向の熱流束が最大となる比誘電率と厚さを有することが望ましい。この場合に、整流指数を大きくすることができる。
【００１６】
また、上記発明において、第３媒質の厚さt3、 比誘電率ε3が、次式を満たすことが望ましい。
【数１】
0005605391.tif 000002
ただし、ε1は第１媒質の比誘電率、kmは40k0以上、50k0以下、k0=2π/λ０、λ０は熱流束が大きくなる方向である順方向の熱流束が最大となるエバネッセント波の波長（共鳴波長）である。λ０は第１媒質、第２媒質の温度の関数となる。例えば、λ０=10.6μmである。この場合に、順方向の熱流束を最大にすることができる。
【００１７】
また、上記発明において、第３媒質は、アモルファスシリコンであり、厚さt3を1nm以上、2nm以下とすることが望ましい。また、厚さt3は、温度、比誘電率ε3とも関係するが、厚さt3は0.5nm以上、1.5nm以下とすることも望ましい範囲である。また、第３媒質として、比誘電率を1.5以上、2.5以下の材料とし、厚さt3を5nm以上、20nm以下とすることが望ましい。これらの条件の時に、使用温度範囲において、２つの界面において熱励起される表面フォノンポラリトンを共鳴させることができ、順方向の熱流束を大きくでき、逆方向の熱流束を小さくすることができ、整流指数を大きくすることができる。
また、第３媒質、第４媒質は、フッ化バリウム(BaF2)、フッ化ストロンチウム(SrF2)、フッ化鉛(PbF2)、フッ化カルシウム(CaF2)、臭化ルビジウム(RbBr)、臭化セシウム(CsBr)、塩化セシウム(CsCl)、塩化カリウム(KCl)、及び、塩化ナトリウム(NaCl)の群の中から選択された少なくとも一つで構成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第１媒質と第２媒質とを同一材料としても、熱整流特性を得ることができる。したがって、製造が容易となる。また、第３媒質を各種選択することで、使用できる温度範囲や、整流特性を改善することができる。
上記の(1)式は、本発明者により初めて見出された式であるが、この式を用いて、第３媒質の比誘電率ε3と基板厚さt3を、容易に、決定できる。したがって、熱整流デバイスの特性の決定や、製造が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の具体的な実施例１に係る熱整流デバイスの構成図。
【図２．Ａ】実施例１の熱整流デバイスの順方向熱流束スペクトルと黒体輻射スペクトルを示した特性図。
【図２．Ｂ】実施例１の熱整流デバイスの順方向、および逆方向の熱流束スペクトルを示した特性図。
【図３．Ａ】実施例１の熱整流デバイスを構成する第３媒質の比誘電率と厚さとの関係を示した特性図。
【図３．Ｂ】実施例１の熱整流デバイスを構成する第３媒質の厚さと整流指数の関係を示した特性図。
【図４】実施例２に係る熱整流デバイスの構成図。
【図５】従来技術による熱整流デバイスの構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。以下の実施例は一例であって、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２１】
実施例１に係る熱制御デバイスA10の構成を図１の（ａ）に示す。第１媒質11、第２媒質12は、共に、シリコンカーバイトから成る。第１媒質11、第２媒質12は、共に、xy面を正方形の主面21、22とし、z方向に厚さを有する直方体である。xy面の面積の大きさに比べて、厚さは、十分に厚くしている。第２媒質12と第３媒質13とは、間隙10により、間隔d0だけ隔てて平行に配置されている。間隙10は、主面21の周囲に正方形に形成された熱絶縁性のスペーサ15により、一定間隔d0が保持されている。間隙10は真空層であるが、空気層でもかまわない。また、間隙10の全体又は一部には、熱伝導率が十分に低い熱絶縁性材料が存在しても良い。第１媒質11の主面21と第２媒質12の主面22とは、間隔dで対面している。第１媒質11の主面(表面)21には、第３媒質13がコーティングされている。第３媒質13は、アモルファスシリコンからなる。
【００２２】
第１媒質11と第２媒質12とを同一材料としても、アモルファスシリコンから成る第３媒質13を第１媒質11の表面にコーティングすることにより、第１媒質11の誘電率を等価的に制御できる。したがって、熱流に一方向性を得ることができる。つまり、図１の(b)に示されているように、第２媒質12の温度T2を500K、第１媒質11の温度T1を300Kとすれば、第１媒質11と第２媒質12のそれぞれの主面21、22に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数が一致し、大きな順方向熱流束が得られる。逆に、図１の(c)に示されているように、第２媒質12の温度T2を300K、第１媒質11の温度T1を500Kとした場合には、熱流束は逆方向となる。この場合には、第１媒質11と第２媒質12のそれぞれの表面21、22に熱励起される表面フォノンポラリトンの共鳴周波数が一致しないため、逆方向の熱流束は、順方向の熱流束に比べて十分に小さくなる。
【００２３】
熱伝導成分には、エバネッセント波のP偏光、S偏光、および、伝搬波（放射波）のP偏光、S偏光がある。第１媒質11と第２媒質12とが微小間隔を隔てて、対向している場合には、熱流は、エバネッセント波のP偏光成分が支配的であるので、ここでは、P偏光に着目する。第２媒質12を高温、第１媒質11を低温とした時に、正味の熱流が第２媒質12から第１媒質11へ向かう場合(順方向)のエバネッセント波P偏光のポインティングベクトルは次式で表される。ただし、(ε3)1/2ω/c<βである。
【００２４】
【数２】
0005605391.tif 000003
【数３】
0005605391.tif 000004
【数４】
0005605391.tif 000005
【数５】
0005605391.tif 000006
【数６】
0005605391.tif 000007
である。
【００２５】
SForward(ω,β,T1,T2), SReversed(ω,β, T1,T2)の変数T1は第１媒質11の温度、変数T2は第２媒質12の温度である。下添え字の1,2,3,0は、それぞれ、第１媒質11、第２媒質12、第３媒質13、間隙10を意味する。kは波数、βはxy面内の波数、rij、pは、P偏光の媒質i、媒質jの界面における反射フレネル係数、< >はアンサンブル平均を示す。シリコンカーバイトは、温度、周波数により誘電率が変化する。温度THが500K、温度TLが300Kの場合に、順方向の熱流束が最大となる波長である共鳴波長は10.6μmとなる。共鳴波長10.6μm近傍では、アモルファスシリコンの誘電率は3.742（無損失）となる。
第１媒質11を高温、第２媒質12を低温とした時に、正味の熱流が第１媒質11から第２媒質12へ向かう場合(逆方向)のエバネッセント波P偏光のポインティングベクトルは次式で表される。ただし、(ε3)1/2ω/c<βである。
【数７】
0005605391.tif 000008
【００２６】
したがって、順方向熱流束、および逆方向熱流束はそれぞれ下記で与えられる。
【数８】
0005605391.tif 000009
【数９】
0005605391.tif 000010
【００２７】
図２．Ａに、実施例１の熱整流デバイスの順方向熱流束スペクトルを黒体輻射と比較して示す。第１媒質11と第２媒質12の間隔dを100nm、第３媒質13( アモルファスシリコン)の厚さt3 を1 nmとした。図２．Ａの縦軸は、黒体輻射との比較をわかりやすくするため、対数表示としている。エバネッセント波P偏光が黒体輻射を大幅に超える熱流束をもつことがわかる。
【００２８】
図２．Ｂに、順方向と逆方向の熱流束スペクトルを示す。順方向では熱流束スペクトルは波長10.6μmでピークをもち、逆方向ではそのピークの位置で熱流束が減少していることがわかる。
順方向熱流束でピークが生じる条件を求める。(ε3)1/2ω/c≪βの場合、(4)式の第２項の虚部及び第３項、第４項は、第２項の実部に比べて十分に小さくなる。したがって、(4)式は下記のように近似できる。
【数１０】
0005605391.tif 000011
このとき、(8）式の順方向熱流束が最大となるためには、(8)式の第３媒体の厚さt3に関する微分を零とおいて、下記の条件が求められる。
【数１１】
0005605391.tif 000012
【数１２】
0005605391.tif 000013
(12)式を解いて既に示した（1)式を得る。
ここで、整流指数を下記のように定義する。
【数１３】
0005605391.tif 000014
【００２９】
温度THを500K、温度TLを300Kとし、第３媒質13の比誘電率ε3と厚さt3を変化させたときの整流指数を計算した。整流指数が最大となったときの厚さt3と比誘電率ε3の関係を図３．Ａに示す。整流指数が最大となったときの整流指数と厚さt3との関係を図３．Ｂに示す。第３媒質の比誘電率ε3を2〜14に変化させても、図３．Ａの関係により厚さt3を、比誘電率ε3に応じて適切に選べば、図３．Ｂに示されているように、整流指数は0．7と一定となることがわかる。また、(1)式が整流指数が最大となる関係を精度よく推定していることもわかる。
【実施例２】
【００３０】
実施例２に係る熱整流デバイスA20の構成を図4に示す。実施例１の熱整流デバイスA10は、第１媒質11にのみ、アモルファスシリコンをコーティングして第３媒質13を設けている。実施例２の熱整流デバイスA20は、第３媒質13とは厚さの異なるアモルファスシリコンから成る第４媒質14を第２媒質12の第１媒質11に対向する側の主面(表面)22にコーティングしている。実施例１と同一機能を果たす部分には、同一符号が付されている。第４媒質14は、第３媒質13と、誘電率の温度、周波数特性が異なる材料を用いても良い。実施例２の構成を採用することにより、より設計の自由度が向上し、より製作しやすい熱整流デバイスが得られる。
【００３１】
上記の両実施例において、第１媒質11の主面21と第２媒質12の主面22との間隔dは、100nmとしたが、エバネセット波が効率的結合できる大きさとすれば良い。間隔が、表面フォノンポラリトンによるエバネッセント波の波長10.6μmよりも十分に小さくなると、エバネセット波が効率的結合して、2つの界面に存在する表面フォノンポラリトンが共鳴するからである。例えば、間隔dは300nm以下の範囲、200nm以下の範囲、100nm以下の範囲、50nm以下の範囲も用いることができる。
本発明において、第３媒質13、第４媒質14には、第１媒質及び第２媒質のSiC、SiO２などの誘電率が、熱励起される表面フォノンポラリトンのエバネッセント波の周波数帯域において、-1以下となる材料に対して、上記材料の他、フッ化バリウム(BaF2)、フッ化ストロンチウム(SrF2)、フッ化鉛(PbF2)、フッ化カルシウム(CaF2)、臭化ルビジウム(RbBr)、臭化セシウム(CsBr)、塩化セシウム(CsCl)、塩化カリウム(KCl)、塩化ナトリウム(NaCl)を用いることができる。
特に、第１媒質11と第２媒質12が、SiCの場合に、第３媒質、第４媒質は、フッ化バリウム(BaF2)、フッ化ストロンチウム(SrF2)、フッ化カルシウム(CaF2)を用いることが望ましい。この場合に、順方向の熱流束を大きくできると共に、熱整流指数を大きくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、ヒートシンク、蓄熱装置、保温装置などの熱流を一方向にしたい装置に応用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
A10、 A20、 A100…熱整流デバイス
11…第１媒質
12…第２媒質
13…第３媒質
14…第４媒質
21、 22…主面
10…間隙
15…スペーサ
【図１】
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【図２．Ａ】
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【図２．Ｂ】
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【図３．Ａ】
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【図３．Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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