(57)【要約】      （修正有）【課題】選択的に調整可能なスペクトル応答を有する狭帯域分光制御素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】スペクトル選択的なメタマテリアル放射器は１００、耐熱性金属からなるベース基板１１１上に配設され且つ円形溝１２２−１〜１２２−３によって分離され、１０ナノメートルから５ミクロンの範囲の固定格子周期に設定された同心円状リッジ構造体１２１−１〜１２１−３を含む。ベース基板１１１が１０００°Ｋ超の高温に加熱されると、同心円状リッジ構造体１２１−１〜１２１−３に生成され、熱的に励起された表面プラズモンは、固定格子周期にほぼ等しいピーク放射波長を有する高指向性で狭帯域のエネルギビームＥＲを生成する。【選択図】図１
2015156790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペクトル選択的なメタマテリアル放射器において、
第１の表面及び対向する第２の表面を有する固体ベース基板と、
第２の表面に配設された少なくとも１つの標的構造体であり、同心円状リッジ構造体の各隣接対が固定格子周期によって分離されるように、前記少なくとも１つの標的構造体のそれぞれが、介在円形溝によって分離された前記同心円状リッジ構造体を含む少なくとも１つの標的構造体とを備え、
少なくとも１つの標的構造体が、熱エネルギが第１の表面に印加される場合、放射エネルギが固定格子周期の２５％以内のピーク放射波長を有する前記第２の表面から放射されるように構成されている、スペクトル選択的なメタマテリアル放射器。
【請求項２】
リッジ構造体の各隣接対が、１ナノメートル未満から１０メートルの範囲の値を有する前記固定格子周期によって分離される、請求項１のスペクトル選択的なメタマテリアル放射器。
【請求項３】
リッジ構造体の各隣接対が、０．５ミクロンから５ミクロンの範囲における前記固定格子周期によって分離される、請求項２のスペクトル選択的なメタマテリアル放射器。
【請求項４】
リッジ構造体の各隣接対が、１．０ミクロンから２．０ミクロンの範囲における前記固定格子周期によって分離される、請求項３のスペクトル選択的なメタマテリアル放射器。
【請求項５】
前記少なくとも１つの標的構造体が、第１の標的構造体及び第２の表面に配設された第２の標的構造体を含み、前記第１の標的構造体が、第１の固定格子周期によって分離された第１の複数の同心円状リッジ構造体を含み、前記第２の標的構造体が、第２の固定格子周期によって分離された第２の複数の同心円状リッジ構造体を含み、
前記第１の標的構造体から放射される第１の放射エネルギが、前記第２の標的構造体から放射される第２の放射エネルギの第２のピーク放射波長よりも低い第１のピーク放射波長を有するように、第２の固定格子周期が第１の固定格子周期よりも大きい、請求項１のスペクトル選択的なメタマテリアル放射器。
【請求項６】
前記少なくとも１つの標的構造体が、第１の標的構造体及び第２の標的構造体を含み、前記第１の標的構造体が、同心円状リッジ構造体の第１のグループを含み、前記第２の標的構造体が、同心円状リッジ構造体の第２のグループを含み、
第１及び第２の標的構造体が、第１のグループの円形リッジ構造体の少なくとも一部が第２のグループの円形リッジ構造体の少なくとも一部と交差するように多重化される、請求項１のスペクトル選択的なメタマテリアル放射器。
【請求項７】
スペクトル選択的なメタマテリアル放射器において、
筐体の内側空洞に面した内向き表面と内側空洞に背を向けた外向き表面とを含む周壁によって少なくとも部分的に形成された箱状筐体と、
周壁の外向き表面に配設された少なくとも１つの標的構造体であり、リッジ構造体の各隣接対が固定格子周期によって分離されるように、前記標的構造体が介在円形溝によって分離された複数の同心円状リッジ構造体を含む標的構造体とを備え、
熱エネルギが内側空洞内に供給され、温度１０００°Ｋ超まで前記周壁を加熱するのに十分である場合、放射エネルギが固定格子周期にほぼ等しいピーク放射波長を有する前記標的構造体から放射されるように、前記標的構造体が構成されている、スペクトル選択的なメタマテリアル放射器。
【請求項８】
前記箱状筐体が、入口端部及び出口端部を含み、
前記周壁が、対向して離隔された関係で配設され、入口開口が、前記第１及び第２の周壁部の各第１の前端部の間に画定され、出口開口が、前記第１及び第２の周壁部の各第２の後端部の間に画定されるように、前記箱状筐体の前記入口及び出口端部の間にそれぞれ延在している第１及び第２の周壁部を含み、
少なくとも１つの標的構造体が、前記第１の周壁部の第１の外向き表面に配設された第１の標的構造体と、前記第２の周壁部の第２の外向き表面に配設された第２の標的構造体とを含む、請求項７のスペクトル選択的なメタマテリアル放射器。
【請求項９】
少なくとも１つの標的構造体を含むスペクトル選択的なメタマテリアル放射器を製造する方法において、
パターン化マスクが１０ナノメートルから５ミクロンの範囲の固定格子周期を有する複数の同心円状レジスト構造体を含むように、第１の耐熱性金属を含む固体基板の平坦表面上にパターン化マスクを生成するためにフォトリソグラフィを利用することであり、前記同心円状レジスト構造体が、隣接する前記同心円状レジスト構造体から介在同心円状スロットによって分離されることと、
各前記円形リッジ構造体が、２つの隣接する同心円状レジスト構造体の間に配設され且つ前記固定格子周期によって隣接する前記同心円状リッジ構造体から離隔された第２の耐熱性金属を含むように、平坦表面上に複数の同心円状リッジ構造体を形成するためにマスクを利用することと、
平坦表面から前記マスクを除去することにより、介在円形溝によって分離された前記複数の同心円状リッジ構造体を含む標的構造体を形成することとを備える方法。
【請求項１０】
複数の同心円状リッジ構造体を形成するためにマスクを利用することが、
前記第２の耐熱性金属を前記マスクの介在同心円状スロットに蒸着することであり、前記第２の耐熱性金属が第１の耐熱性金属と同一であるか又は異なる耐熱性金属であること、
前記マスクの前記介在同心円状スロットを介して前記固体金属基板をエッチングすることにより、前記複数の同心円状リッジ構造体を形成する前記第２の耐熱性金属が第１の耐熱性金属と同一であること
のうちの１つを備える、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射エネルギを放射する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱光起電（ＴＰＶ）エネルギ変換は、熱の電気への変換を含み、１９６０年代以来、有望な技術として識別されている。基本ＴＰＶシステムは、熱放射器及び光起電ダイオード受信器を含む。熱放射器は、典型的には、高温（すなわち、典型的には約１２００°Ｋから約１５００°Ｋの範囲）に加熱されたときに熱放射を生成する固体材料片又は特別設計された構造である。熱放射は、熱放射器材料中の電荷の熱運動に起因した光子の自然放射（発光）である。通常のＴＰＶシステムの動作温度について、放射される光子は、ほとんど近赤外及び赤外線の周波数におけるものである。光起電ダイオード受信器は、これらの放射光子の一部を吸収するように配置された光起電（ＰＶ）セルを含み、典型的には従来の太陽電池に関連した様式で吸収された光子を自由電荷キャリア（すなわち、電気）に変換するように構成されている。実際には、太陽エネルギシステムは、太陽が熱放射器として機能する場合にはＴＰＶエネルギ変換システムの一種である。しかしながら、本発明は、熱放射器が（例えば、集光された太陽光又は他の熱発生装置によって）外部源から加熱される固体構造体である「地球結合」ＴＰＶエネルギ変換システムを対象としている。
【０００３】
ＴＰＶエネルギ変換は、理論的には有望であるが、実用的な従来のＴＰＶシステムは、理論的には予測よりもはるかに低い効率しか達成していない。ＴＰＶシステムは、熱体（すなわち、加熱された熱放射器）が黒体温度ＴＢＢを有する黒体放射源として記載された熱機関としてモデル化されることができ、比較的低温のＰＶ受信器は温度ＴＰＶを有し、それにより、理論的な熱力学的効率の限界は、カルノーサイクルηＣａｒｎｏｔ＝（ＴＢＢ−ＴＰＶ）／ＴＢＢによって与えられる。１５００°Ｋに等しい熱放射器温度ＴＢＢ及び３００°Ｋに等しいＰＶ受信器温度ＴＰＶについて、理論効率ηＣａｒｎｏｔは、ショックレー・クワイサーの限界（すなわち、電力を収集するためにｐ−ｎ接合を使用した太陽電池の理論上の最大効率）を超える０．８（８０％）に等しい。しかしながら、実際には、従来のＴＰＶシステムの効率は、１０％以下であることが報告されている。これは、熱放射器及びＰＶセルのスペクトル間の不整合から生じると考えられている。
【０００４】
従来のＴＰＶシステムの低い実現効率の理由の１つは、放出された光子とＰＶセルとの間の不整合によって生じる高温でのキャリアの熱化に関連している。ＴＰＶシステムの熱放出器（熱体）からの熱放射は、プランクの法則によって与えられるスペクトルパワー密度を有し、ピーク波長λｍａｘは、ウィーンの法則（λｍａｘ〜（２８９８／ＴＢＢ）μｍ）によって与えられる。高温の放射器（１１００°Ｋ≦ＴＢＢ≦１５００°Ｋ）について、ピーク波長λｍａｘは、低バンドギャップ半導体（すなわち、約０．５〜０．８ｅＶ）を有するＰＶセルを利用するためにＴＰＶシステムを必要とする１．９から２．６μｍの範囲である。そのような低バンドギャップのＰＶセルを使用することは、合理的な放射器タ温度（すなわち、１１００〜１５００°Ｋ）において帯域内光子の大きな部分を得るために、０．５ｅＶ（〜２．５μｍ）に近いバンドギャップを有する放射器材料の使用を必要とする。０．５ｅＶ以下のバンドギャップを有する放射器材料が使用された場合には、ＰＶセルの性能は、ＴＰＶシステムにおいて必要とされる高温で高いキャリア熱化をこうむる。
【０００５】
一般に必要とされているものは、所望のピーク発光波長を選択的に「同調可能（ｔｕｎａｂｌｅ）」（調整可能（ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ））である狭帯域で高指向性の放射エネルギビームを生成することが可能なスペクトル選択的な放射器（スペクトル制御素子）である。特に必要とされているものは、関連するＰＶセルに帯域内光子（すなわち、ＰＶセルのＥＱＥ曲線内の波長を有する光子）のみを伝送することが可能であり且つ帯域外光子がＰＶセルに到達するのを防止することが可能であり、それにより、ＴＰＶシステムの効率が従来の手法よりも高められるＴＰＶシステム用のスペクトル選択的な放射器である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、熱エネルギを狭帯域（波長範囲）を有する高指向性放射エネルギビームに変換する新規な標的（円形ターゲット状）構造体を含むスペクトル選択的なメタマテリアル放射器を対象としている。標的構造体は、固体基板（壁）に一体的に形成され、基板の平坦な表面（によってではなく）内に延在する介在溝によって分離された同心円状リッジを備え、同心円状リッジ構造体の各隣接対は、同じ「固定」格子周期によって分離される。メタマテリアル放射器が適切な動作温度（例えば、１０００°Ｋ以上）に加熱されると、同心円状リッジ構造体に生成される表面プラズモンは、放射エネルギビームを生成する。本発明の態様によれば、この放射された放射エネルギビームは、高指向性で（すなわち、放射された放射エネルギの９０％は、平坦基板表面に対して垂直の０．５°以内である）、狭帯域であり（すなわち、放射された放射エネルギの半値における全幅は、ピーク放射波長の１０％以内である）、同心円状リッジ構造体の各隣接対を分離する固定格子周期にほぼ等しいピーク放射波長を有する（すなわち、ピーク放射波長は、格子周期の２５％以内である）。したがって、本発明のメタマテリアル放射器は、放射器の標的構造体を形成する同心円状リッジ構造体を分離する固定格子周期を調整することによって選択的に「同調可能」（調整可能）なスペクトル応答を有する狭帯域フィルタ素子（分光制御素子）を効果的に提供する。
【０００７】
適切な製造技術を利用することにより、本発明は、高指向性で狭帯域な放射エネルギビームから恩恵を受ける広い範囲の目的のために使用可能なメタマテリアル放射器を提供する。利用可能な製造システムの用途及び実用的な制限に応じて、メタマテリアル構造体は、ほとんど全ての実用的な大きさ（例えば、１ナノメートル未満から１０メートルの範囲）の格子周期Λを有する標的構造体を有して製造されることができる。本発明は、メタマテリアル放射器が標準的なフォトリソグラフィを使用して１０ｎｍから５ミクロンの範囲の固定格子周期を有する標的構造体を有して製造され、それにより、メタマテリアル放射器が低バンドギャップの光起電（ＰＶ）セルによって利用される０．５から３ミクロンのピーク放射波長を有する放射エネルギを放射する具体的な実施形態を参照して以下に説明される。現在好ましい実施形態において、メタマテリアル放射器は、１．０から２．０ミクロンの範囲の固定格子周期を有する１つの標的構造体を有して製造され、それにより、メタマテリアル放射器が選択された低バンドギャップ（例えば、ＧａＳｂ）ＰＶセルの吸収曲線と一致するように調節される放射エネルギを放射する。しかしながら、当業者は、メタマテリアル放射器が、例えば、軍事用途のターゲットをタグ付け、追跡及び配置するために遠隔地にマルチスペクトル高出力密度エネルギビームを無線伝送するのに使用されるより高い波長のエネルギビームを生成するためにはるかに大きい格子周期を有する標的構造体を含むように大規模製造技術を使用して（例えば、コンピュータ数値制御のフライス盤を使用して）製造される旨を認識するであろう。そのため、本発明は、以下に記載される具体的な実施例において説明されたより小さい格子周期に限定されるものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の態様によれば、メタマテリアル放射器は、全金属製構造体として構成（製造）される（すなわち、ベース基板及び「標的」構造体は、双方とも、１つ以上の金属を使用して全体が形成される）。この全金属製構造体は、（１つ以上の誘電体が使用されるときに生じ得る）剥離がなく高い動作温度（すなわち、１０００から１５００°Ｋ）に耐えるために、また、金属の使用は、表面プラズモンを利用するために必要とされることから重要である。特定の実施形態において、全金属製構造体（すなわち、ベース基板及び「標的」構造体の双方）は、耐熱性金属が溶融又は変形することなくより高い動作温度（すなわち、１５００°Ｋに接近する）に耐えることができることから、１つ以上の耐熱性金属（例えば、レニウム、タンタル若しくはタングステン又は１つ以上の耐熱性金属を含む耐熱性金属合金）を使用して形成される。現在好ましい実施形態において、ベース基板及び「標的」構造体は、双方とも、高温に耐えるためのこの金属／合金の能力が高性能ジェット及びロケットエンジンにおけるそれらの使用から周知であることから、レニウム又はレニウム合金を使用して全体が形成される。
【０００９】
本発明の具体的な実施形態によれば、メタマテリアル放射器は、２つ以上の標的構造体を含み、各標的構造体は、異なる固定格子周期を有し、それにより、メタマテリアル放射器によって放射される全放射エネルギは、２つの異なるピーク放射波長によって効果的に広くされる。具体的な実施形態において、多数の標的構造体は、各セットが第１の固定格子周期を有する第１の標的構造体と、第２の固定格子周期を有する第２の標的構造体とを含む２つ以上のセットに配設されており、第２の固定格子周期は、前記第１の標的構造体から放射された第１の放射エネルギが第２の標的構造体から放射された第２の放射エネルギの第２のピーク放射波長よりも大きい第１のピーク放射波長を有するように第１の固定格子周期よりも大きい。例示的な実施形態において、各セットは、１から３ミクロンの固定格子周期に対応して形成された同心円状リッジをそれぞれ有する３つの標的構造体を含む。２つ以上の異なる格子周期を有するセットに配設された多数の標的構造体を設けることは、例えば、放射された放射を電気に変換するために使用される対応するＰＶセルに伝送された帯域内光子数を増やすようにメタマテリアル放射器の全放射スペクトルの選択的な広がりを促進する。
【００１０】
他の具体的な実施形態において、メタマテリアル放射器は、多重化（重複）パターンで配置された標的構造体のアレイを含むように構成されている（すなわち、各標的構造体の同心円状リッジ構造体の少なくとも一部が隣接する標的構造体の同心円状リッジ構造体の少なくとも一部に交差することにより、スペクトル帯域幅を増加させるように放射された放射エネルギを集中させるように）。さらに、上述したように、異なる固定格子周期を有するセットにおける標的構造体を配設することにより、メタマテリアル放射器は、使用可能なより広い全体スペクトルを有する高エネルギ放射を生成し、ターゲットＰＶセルによって変換される帯域内光子数を最大化するために、隣接する狭帯域スペクトルを集中して組み合わせることにより、ＰＶセルの出力密度を最大化する。
【００１１】
本発明の例示的な実用的な実施形態によれば、メタマテリアル放射器は、周壁の少なくとも１つの外向きの表面に上述したように配設された１つ以上の標的構造体を有する周壁によって形成された全金属製の箱状筐体を含む（すなわち、少なくとも１つの放射エネルギビームがメタマテリアル放射器から少なくとも１つの方向に放射されるように）。周壁は、実質的に矩形の内部空洞を囲み、熱エネルギ（例えば、集光した太陽光又は燃焼プロセスからの熱）が動作中に空洞内に供給される入口開口と、廃熱が空洞から出るのを可能とする出口開口とを含む。各標的構造体は、十分な熱エネルギが１０００°Ｋ超の温度まで周壁を加熱するために内部空洞内に供給されたとき、放射エネルギが上述したように標的構造体から放射されるように構成されている。箱状筐体は、メタマテリアル放射器の適切な動作寿命にわたって必要な高い動作温度（すなわち、１０００から１５００°Ｋ）を生成するのを容易とするために、全金属製構造として構成されている（すなわち、単独の金属から構成されている）。具体的な実施形態において、全金属製の箱状筐体は、筐体の動作寿命をさらに向上させるために、耐熱性金属（例えば、レニウム、タンタル又はタングステン）又は耐熱性金属合金から全体が形成されている。好ましい実施形態において、少なくとも１つの標的構造体は、２つの対向する平坦（平面）周壁部の外向き表面に配設されており、それにより、メタマテリアル放射器から異なる方向に向いた２つの放射エネルギビームを生成する。この構成は、平坦／平面壁面が標的構造体の費用対効果の高い製造（すなわち、既存のフォトリソグラフィ製造技術の使用）を容易とすることから、最適なエネルギビームの生成を提供し、２つの対向する平坦周壁部の間に画定された矩形状の内部空洞は、（例えば、内部空洞に沿って伝播するときに、集光された太陽光が対向する内面間において反射するのを可能とすることによって）熱エネルギの効率的な輸送を容易とする。
【００１２】
集光された太陽エネルギを赤外線放射に変換するために最適化されたさらに他の具体的な実施形態において、全金属製の箱状筐体は、各外向き表面に形成された標的構造から放射される放射エネルギの量を順次最大化する周壁部への熱エネルギの伝達を最大化するように２つの対向する周壁部の間に画定された内部空洞内に太陽エネルギを送るように構成されている。まず、対向する周壁部の対応する前端部にそれぞれ一体的に接続された対応する金属構造体によって複合放物面トラフが形成され、複合放物面トラフは、２つの対向する周壁部の内面の間において反射するように、入口開口を介して内部空洞内に集光された太陽光を導くように動作可能に成形される。さらに、標的構造体へのエネルギ輸送を拡大するように出口開口を介して内部空洞からの廃熱を放出する周壁部の後端部にそれぞれ一体的に接続された対応する金属構造体によって漏斗状の出口が形成される。さらに、放射された放射エネルギの量を最大化するために、上述したように、周壁部の外向き表面に複数の多重化された標的構造体がアレイ状に形成されている。最後に、熱サイクル応力を最小化し且つメタマテリアル放射器の動作寿命を最大化するために、全金属製の箱状筐体の全体（すなわち、周壁部、複合放物面トラフ構造体並びに漏斗状出口構造体を含む）は、単一の耐熱性金属（例えば、レニウム、タンタル又はタングステン）又は耐熱性金属合金（例えば、レニウム合金）を使用して構成される。
【００１３】
本発明のさらに他の実施形態において、スペクトル選択的なメタマテリアル放射器は、パターン化マスクが０．５ミクロンから５ミクロンの範囲の固定格子周期を有する同心円状レジスト構造体を含むように、フォトリソグラフィによって耐熱性金属基板の平坦表面上にパターン化マスクを生成し、そして、マスクを利用して固定格子周期を有する平坦表面上に同心円状耐熱性金属リッジ構造体を形成することによって製造される。代替の実施形態において、同心円状リッジ構造体は、加法プロセス（例えば、ベース基板と同じか又は異なることができる耐熱性金属がスパッタリング又は他の技術によってマスクに形成されたスロットに配設される場合）又は減法プロセス（例えば、ベース基板がマスクスロットを介してドライエッチングされることにより、同心円状リッジ構造体がベース基板と同じ耐熱性金属を含む場合）のいずれかを使用して形成される。同心円状リッジ構造体を形成した後、マスクは、リッジを分離する介在同心円状溝を露出するように除去される。多重化された標的構造体を生成するために、マスクは、所望の多重化配置で配設された同心円状レジスト構造体によって形成される。
【００１４】
本発明のこれらの及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明、添付された特許請求の範囲及び添付図面に関してより良好に理解されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施形態にかかる部分的なメタマテリアル放射器を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第２の実施形態にかかるメタマテリアル放射器を示す斜視図である。
【図３Ａ】図３（Ａ）は、異なる固定格子周期を有する標的構造体を示す図２の切断線３Ａ−３Ａに沿った側断面図である。
【図３Ｂ】図３（Ｂ）は、異なる固定格子周期を有する標的構造体を示す図２の切断線３Ｂ−３Ｂに沿った側断面図である。
【図３Ｃ】図３（Ｃ）は、異なる固定格子周期を有する標的構造体を示す図２の切断線３Ｃ−３Ｃに沿った側断面図である。
【図４】図４は、本発明の第３の実施形態にかかるメタマテリアル放射器を示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明の第４の実施形態にかかるメタマテリアル放射器を示す斜視図である。
【図６Ａ】図６（Ａ）は、本発明の第５の実施形態にかかるメタマテリアル放射器を示す斜視図である。
【図６Ｂ】図６（Ｂ）は、本発明の第５の実施形態にかかるメタマテリアル放射器を示す側断面図である。
【図７】図７は、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）のメタマテリアル放射器に利用される例示的な標的パターンを示す写真である。
【図８Ａ】図８（Ａ）は、本発明の他の実施形態にかかる標的構造体の製造方法を図示する簡略化された断面図である。
【図８Ｂ】図８（Ｂ）は、本発明の他の実施形態にかかる標的構造体の製造方法を図示する簡略化された断面図である。
【図８Ｃ】図８（Ｃ）は、本発明の他の実施形態にかかる標的構造体の製造方法を図示する簡略化された断面図である。
【図８Ｄ】図８（Ｄ）は、本発明の他の実施形態にかかる標的構造体の製造方法を図示する簡略化された断面図である。
【図８Ｅ】図８（Ｅ）は、本発明の他の実施形態にかかる標的構造体の製造方法を図示する簡略化された断面図である。
【図８Ｆ】図８（Ｆ）は、本発明の他の実施形態にかかる標的構造体の製造方法を図示する簡略化された断面図である。
【図９】図９は、図８（Ａ）から図８（Ｆ）の方法にしたがって製造された標的構造体を示す拡大写真である。
【図１０】図１０は、図９の標的構造体によって生成された放射エネルギのスペクトル特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、放射エネルギを放射するために使用される装置の改良に関する。以下の説明は、当業者が特定の用途及びその要件の文脈において提供されるように本発明を作製して使用するのを可能とするために提示される。本願明細書において使用される場合、「上側（ｕｐｐｅｒ）」、「上方（ｕｐｗａｒｄ）」、「下側（ｌｏｗｅｒ）」、「下方（ｄｏｗｎｗａｒｄ）」、「上（ｏｖｅｒ）」、「前（ｆｒｏｎｔ）」及び「後（ｒｅａｒ）」などの方向を示す用語は、説明の目的のために相対的な位置を提供することを目的としており、基準の絶対的なフレームを指定することを目的とするものではない。さらに、表現「一体的に形成された（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ  ｆｏｒｍｅｄ）」及び「一体的に接続された（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ  ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」は、単一の製造又は機械加工された構造の２つの部分間の接続関係を記載するように本願明細書において使用され、例えば、接着剤、ファスナ、クリップ又は可動関節によって接合される２つの別個の構造を示す（修飾語「一体的に（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ）」を有しない）用語「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」又は「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」とは区別される。好ましい実施形態に対する様々な変更は、当業者にとって明らかであり、本願明細書において定義された一般的原理は、他の実施形態に適用することができる。したがって、本発明は、図示及び説明された特定の実施形態に限定されるものではなく、本願明細書に開示された原理及び新規な特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
【００１７】
図１は、ベース基板１１１上に配設された標的構造体１２０を含むスペクトル選択的なメタマテリアル放射器１００の一部を示す斜視上面図である。標的構造体１２０から放射される放射エネルギビームＥＲの指向性を説明するために、放射器１００は、（メタマテリアル放射器１００上の破線で示される）光起電（ＰＶ）セル「ターゲット」２１０を含む熱光起電（ＴＰＶ）変換器２００の一部として示されるが、放射器１００は、ＴＰＶ変換器に限定されるものではない。
【００１８】
ベース基板１１１は、標的構造体１２０が一体的に形成される平坦下側（第１の）表面１１２及び対向する平坦上側（第２の）表面１１３を有する固体（壁状）プレートである。動作中において、下側表面１１２は、熱エネルギＥＳのソースに面しており、上側表面１１３は、熱エネルギ源に背を向けている。ベース基板１１１は、好ましくは、金属から全体が構成され、より好ましくは、１つ以上の耐熱性金属（例えば、レニウム、タンタル又はタングステン）又は耐熱性金属合金（例えば、レニウム合金）を使用して全体が構成されている。例示的で実用的な例示的実施形態（例えば、ＴＰＶシステム２００の一部として使用される場合）において、ベース基板１１１は、（後述する）放射された放射エネルギＥＲの波長超のオーダの厚さＴを有するが、この制約外の任意の厚さを有してもよい。
【００１９】
標的構造体１２０は、ベース基板１１１の上側表面１１３上に一体的に形成された（すなわち、エッチング又はミリングなどの減法プロセスによってベース基板１１１と同じ材料から形成された又はベース基板材料に追加された材料を効果的に混合（溶解）するスパッタリングなどの加法プロセスによって形成された）同心円状リッジ構造体１２１−１、１２１−２及び１２１−３を含む。リッジ構造体１２１−１、１２１−２及び１２１−３は、それぞれ、リッジ構造体の各隣接対が固定格子周期（ピッチ間隔）Λによって分離されるように、ベース基板１１１（によってではなく）内に延在する介在円形溝１２２−１、１２２−２及び１２２−３によって分離されている。例えば、リッジ構造体１２１−１及び１２１−２は、リッジ構造体１２１−１の外側端縁とリッジ構造体１２１−２の外側端縁との間の距離が格子周期Λに等しいように、円形溝１２２−１によって分離されている。同様に、リッジ構造体１２１−２及び１２１−３は、リッジ構造体１２１−２の外側端縁とリッジ構造体１２１−３の外側端縁との間の距離がリッジ構造体１２１−１及び１２１−２を分離するのと同じ格子周期Λに等しいように、円形溝１２２−２によって分離されている。リッジ構造体１２１−１から１２１−３は、ベース基板１１１を形成する材料とは異なっていてもよい金属を含むが、好ましくは、リッジ構造体及びベース基板は、双方とも、熱的不整合の問題を回避するために同一の金属材料を含む。
【００２０】
本発明の態様によれば、標的構造体１２０は、熱エネルギＥＳが下側表面１１２に印加され、１０００°Ｋ超の温度までベース基板１１１を加熱するのに十分である場合に、放射エネルギＥＲが固定格子周期Λにほぼ等しい（すなわち、２５％以内の）ピーク放射波長λｐｅａｋを有する上側表面１１３から放射されるように構成されている。本発明の他の態様によれば、放射された放射エネルギビームＥＲは、高指向性で（すなわち、放射された放射エネルギの９０％は、平坦な外向き表面１１３に対して垂直の０．５°以内である（角度θ））、狭帯域であり（すなわち、放射された放射エネルギの半値における全幅は、ピーク放射波長λｐｅａｋの１０％以内である）、同心円状リッジ構造体の各隣接対を分離する固定格子周期Λにほぼ等しいピーク放射波長λｐｅａｋを有する（すなわち、ピーク放射波長は、格子周期Λの２５％以内である）。したがって、メタマテリアル放射器１００は、同心円状リッジ構造体１２１−１から１２１−３を分離する固定格子周期Λを調整することによって選択的に「同調可能（ｔｕｎａｂｌｅ）」（調整可能（ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ））である。
【００２１】
標的構造体１２０に関連した特定の幾何学的寸法と放射される放射エネルギビームＥＲの特性との関係は、以下のように数学的に説明される。一般的な回折理論（ブロッホの定理／フロケの条件）から、標的構造体１２０に関連する２次元格子の式は、式（１）を使用して表現可能である。
【数１】
2015156790.tif 000003
ここで、λ、ｍ及びΛは、それぞれ、放射波長、整数回折次数及び格子周期である。層状金属−誘電体構造体上の表面プラズモン波数ベクトルである用語ｋｓｐｐは、以下のように表すことができる。
【数２】
2015156790.tif 000004
ここで、εｄ及びεｍは、それぞれ、誘電体及び金属の誘電率である。ここで、誘電体材料は、εｄ＝１を有する空気である。軸上の放射（θ＝０°偏差）について、格子波数ベクトルｋｇｒａｔｉｎｇは、表面プラズモン波数ベクトルに位相整合しなければならない。すなわち、ｋｇｒａｔｉｎｇ＝２π／Λ＝ｋｓｐｐである。それゆえに、ピーク放射波長λｐｅａｋ又は放射エネルギビームＥＲは、同心円状リッジ構造体１２１−１から１２１−３を分離する格子周期Λにほぼ等しい。
【００２２】
図１を参照すると、標的構造体１２０の他の幾何学的特徴はまた、放射された放射エネルギビームＥＲに寄与する。例えば、リッジ構造体１２１−１から１２１−３の高さＨ（すなわち、溝１２２−１から１２２−３の深さ）は、放射されるビームの品質に寄与し、好ましくは、ピーク放射波長λｐｅａｋに関連して設定される。１つの実施形態において、高さＨは、波長λｐｅａｋよりもはるかに小さい約λ／１０であるが、表面プラズモン内の及び外の入射光の結合を可能とするために、さらに十分に深い。溝１２２−１から１２２−３はまた、約λ／２の上限によって深くすることができる。このシナリオにおいて、空洞モードはまた、ビームをスペクトル的にクリーンアップするのに寄与する溝の内側において励起される。
【００２３】
上述した仕様を使用したメタマテリアル放射器１００を構成することにより、本発明は、固定格子周期Λを変化させることによって選択的に「同調可能」（調整可能）であるスペクトル応答を有する放射エネルギを生成するための機構を効果的に容易とする。すなわち、比較的小さい／短いピーク波長を有する放射ビームが特定の用途のために必要とされる場合、比較的小さな固定格子周期を有する第１のメタマテリアル放射器は、適切な技術（例えば、フォトリソグラフィ）を使用して上述したように製造される。第１の放射器が、ピーク波長が非最適（例えば、低すぎる）放射エネルギを生成することが見出された場合、最適なピーク波長に放射エネルギを効果的に「同調」するために、適切に調整された（例えば、より大きい）固定格子周期を有する第２のメタマテリアル放射器が製造されることができる。逆に、比較的大きい／長いピーク波長を有する放射ビームが必要とされる場合、適切な大規模製造技術（例えば、ＣＮＣ機械加工）を使用して、上述したように、比較的小さな固定格子周期を有する第２のメタマテリアル放射器が製造されることができる。
【００２４】
利用可能な製造システムの意図される用途及び実際的な制限に応じて、本発明の標的構造体は、ほとんど全ての実用的な大きさ（例えば、１ナノメートル未満から１０メートルの範囲）の格子周期Λを有することができる。図１に示される例示的で実用的な実施形態（例えば、低バンドギャップのＰＶセル２１０を含むＴＰＶシステム２００の一部として使用される場合）において、リッジ構造体は、通常、ほとんどの市販のＰＶセルの吸収曲線に対応する０．５ミクロンから２．５ミクロンの範囲の格子周期Λを有する。特に好ましい実施形態（例えば、ＰＶセル２１０がＧａＳｂのＰＶセルの場合）において、放射器１００は、１．０ミクロンから２．０ミクロンの範囲の格子周期Λを有して製造される。
【００２５】
本発明の他の態様によれば、メタマテリアル放射器１００は、関連するターゲットへと帯域内光子（例えば、ターゲットＰＶセルのＥＱＥ曲線内の波長を有する光子）を通過するのみであり且つ帯域外光子がターゲットに到達するのを防止することができる狭帯域フィルタ素子（分光制御素子）として効果的に機能する。このフィルタリング機能は、図１に図示されており、熱エネルギＥＳに関連する光子の広帯域特性は、帯域外光子を示すためにＳパラメータＳ１１を、帯域内光子を示すためにＳパラメータＳ１２を使用して識別される。標的構造体１２０は、ＰＶセル２１０のＥＱＥ曲線に「同調」されることから、メタマテリアル放射器１００は、帯域内光子Ｓ１２をＰＶセル１２０に効果的に「通過」させる。逆に、メタマテリアル放射器１００の全金属製の構造体は、熱エネルギＥＳとＰＶセル２１０との間を効果的に「ブロック」するある種の障壁を形成する（すなわち、帯域外光子Ｓ１２がＰＶセルに到達するのを防止する）。ここで留意すべきは、もしベース基板１１１が固体シートではない場合（すなわち、基板がＳ１１及びＳ１２の双方が通過するのが可能とされる孔を含む場合）には、このフィルタリング機能は可能ではないということである。関連するターゲットＰＶセルへと帯域内光子のみを通過させることにより、本発明は、従来のアプローチに対してＴＰＶ変換器の効率を大幅に増加させる。
【００２６】
図２は、上述したものと同様にしてベース基板１１１Ａの「ターゲットに面した」表面１１３Ａに形成された複数の標的構造体１２０Ａ−１１から１２０Ａ−１３及び１２０Ａ−２１から１２０Ａ−２３を含むメタマテリアル放射器１００Ａを示す簡略化された斜視図である。図３（Ａ）から図３（Ｃ）は、図２の切断線３Ａ−３Ａ、３Ｂ−３Ｂ及び３Ｃ−３Ｃに沿った断面図である。
【００２７】
メタマテリアル放射器１００Ａは、３つのセットに配置された複数の標的構造体を利用し、各セットの各標的構造体は、メタマテリアル放射器１００Ａによって放射される全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬを効果的に広くするために異なる固定格子周期を有することを特徴としている。図２を参照すると、複数の標的構造体は、２つのセット１２０Ａ−１及び１２０Ａ−２に配置されており、各セットは、３つの標的構造体を含む（すなわち、セット１２０Ａ−１は、標的構造体１２０Ａ−１１から１２０Ａ−１３を含み、セット１２０Ａ−２は、標的構造体１２０Ａ−２１から１２０Ａ−２３を含む）。各セット１２０Ａ−１及び１２０Ａ−２は、格子周期Λ１を有する１つの標的構造体と、格子周期Λ２を有する１つの標的構造体と、格子周期Λ３を有する１つの標的構造体とを含む。具体的には、図３（Ａ）に示されているように、セット１２０Ａ−１は、固定格子周期Λ１で離隔された同心円状リッジ構造体を有する構造体１２０Ａ−１１を含む（例えば、隣接する構造体１２１Ａ−１１１と１２１Ａ−１１２との間の距離が格子周期Λ１に等しい）。図３（Ａ）はまた、隣接する構造体１２１Ａ−１１１及び１２１Ａ−１１２によって示されたのと同様の方法で形成された固定格子周期Λ１を有するリッジ構造体を含むセット１２０Ａ−２の標的構造体２１０Ａ−２２を表している。同様に、図３（Ｂ）は、セット１２０Ａ−１の構造体１２０Ａ−１２及びセット１２０Ａ−２の構造体２１０Ａ−２２が、双方とも、格子周期Λ２を有する旨を示しており（例えば、隣接する構造体１２１Ａ−１２１及び１２１Ａ−１２２によって示されるように、格子周期Λ２によって分離される）、図３（Ｃ）は、セット１２０Ａ−１の構造体１２０Ａ−１３及びセット１２０Ａ−２の構造体２１０Ａ−２３が、双方とも、格子周期Λ３を有する旨を示している（例えば、隣接する構造体１２１Ａ−１３１及び１２１Ａ−１３２によって示されるように、格子周期Λ３によって分離される）。
【００２８】
３つの異なる格子周期によってメタマテリアル放射器１００Ａを形成することの利点は、このアプローチがメタマテリアル放射器１００Ａによって放射される全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬの全体スペクトルを選択的に広くするために使用可能であるということである。すなわち、特定の標的構造体によって生成された放射エネルギがその固定格子周期に関連していることから、３つの異なる格子周期Λ１、Λ２及びΛ３を利用することにより、広げられた全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬが（図２に示される）放射器１００Ａによって生成される。例えば、固定格子周期Λ３が固定格子周期Λ２よりも大きく、固定格子周期Λ２が固定格子周期Λ１よりも大きいと仮定する。図３（Ａ）から図３（Ｃ）に示されるように、これらの異なる格子周期は、異なるピーク放射波長を有するように要素放射エネルギビームを生成する。すなわち、固定格子周期Λ３が固定格子周期Λ２よりも大きいことから、標的構造体１２０Ａ−１３及び１２０Ａ−２３から放射される要素放射エネルギビームＥＲ３は、標的構造体１２０Ａ−１２及び１２０Ａ−２２によって生成される放射エネルギビームＥＲ２のピーク放射波長λｐｅａｋ２よりも大きいピーク放射波長λｐｅａｋ３を有する。同様に、放射エネルギビームＥＲ２のピーク放射波長λｐｅａｋ２は、標的構造体１２０Ａ−１１及び１２０Ａ−２１によって生成される放射エネルギビームＥＲ１のピーク放射波長λｐｅａｋ１よりも大きい。再度図２を参照すると、全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬは、要素放射エネルギビームＥＲ１、ＥＲ２及びＥＲ３の組み合わせであり、要素放射エネルギビームＥＲ１、ＥＲ２及びＥＲ３の隣接する狭帯域スペクトルを組み合わせる効果は、全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬの全体スペクトルを広くすることである。このアプローチの実用化は、例えば、放射された放射を電気に変換し、その結果、ＴＰＶシステムの出力密度を増加させるために使用されるターゲットＰＶセルに対するより多くの帯域内光子を提供することである。
【００２９】
図２及び図３（Ａ）から図３（Ｃ）を参照して上述したアプローチは、全放射エネルギビームの全体スペクトルを選択的に広げるために、任意数の固定格子周期に拡張可能である。すなわち、本アプローチが３つの異なる格子周期を利用する３つのうちの２つのセットに配設された６つの標的構造体を参照しながら説明されているものの、本アプローチは、２つ以上の標的構造体の任意数のセットに配設された任意数の標的構造体に拡張可能であることが理解される。例えば、メタマテリアル放射器は、比較的狭い放射スペクトル又は２つの別個の「ピーク」放射波長を有するスペクトルの放射を容易とするために２つの格子周期のみを含むことができる。あるいは、多数の格子周期の使用は、比較的広い放射スペクトルの放射を容易とする。全ての標的構造体が固有の固定格子周期を有するメタマテリアル放射器を製造することも可能である（すなわち、２つの標的構造体は、同じ格子周期を有しない）。特に断りのない限り、添付された特許請求の範囲は、異なる格子周期の上記組み合わせの全てを包含することを意図している。
【００３０】
図４は、上述したものと同様にベース基板１１１Ｂの「ターゲットに面した」表面１１３Ｂに形成された複数の標的構造体を含むメタマテリアル放射器１００Ｂを示す斜視図である。メタマテリアル放射器１００Ｂは、複数の標的構造体が「多重化」（重複）パターンで形成されているという点で（すなわち、標的構造体の円形リッジ構造体の少なくとも一部が少なくとも１つの隣接する標的構造体の円形リッジ構造体の少なくとも一部と交差するように）、前の実施形態とは異なる。例えば、図４の左上隅を参照すると、標的構造体１２０Ｂ−１１は、同心円状リッジ構造体１２１Ｂ−１１の第１のグループを含み、隣接する標的構造体１２０Ｂ−１２は、同心円状リッジ構造体１２１Ｂ−２１の第２のグループを含む。標的構造体１２０Ｂ−１１及び１２０Ｂ−１２は、標的構造１２０Ｂ−１１の円形リッジ構造体１２１Ｂ−１１の少なくとも一部が標的構造体１２０Ｂ−１２の円形リッジ構造体１２１Ｂ−２１の少なくとも一部と交差（重複）する多重化パターンを形成する。この多重化パターンは、例えば、放射された放射を電気に変換し、結果としてＴＰＶシステムの出力密度を増加させるために使用されるターゲットＰＶセルに対してより多くの帯域内光子を提供するのに使用可能なメタマテリアル放射器１００Ｂによって放射される放射エネルギＥＲ−ＴＯＴＡＬを集光するのに役立つ。
【００３１】
本発明の現在好ましい実施形態によれば、多重化パターンに加えて、メタマテリアル放射器１００Ｂはまた、図２を参照して上述した複数の回折格子周期のアプローチを採用するように（すなわち、少なくとも１つの標的構造体が他の標的構造体の固定格子周期とは異なる（例えば、より大きい）固定格子周期を有するように）製造される。一例として、メタマテリアル放射器１００Ｂの様々な多重化された標的構造体は、以下の３つのセットに配置されているように示されている：標的構造体１２０Ｂ−１１、１２０Ｂ−１２及び１２０Ｂ−１３を含む第１のセット１２０Ｂ−１、標的構造体１２０Ｂ−２１、１２０Ｂ−２２及び１２０Ｂ−２３を含む第２のセット１２０Ｂ−２、及び、標的構造体１２０Ｂ−３１、１２０Ｂ−３２及び１２０Ｂ−３３を含む第３のセット１２０Ｂ−３。各セットは、共通の第１の格子周期を有する１つの標的構造体（すなわち、標的構造体１２０Ｂ−１１、１２０Ｂ−２１及び１２０Ｂ−３１は、図３（Ａ）を参照して上述した方法で同じ格子周期を使用して製造される）と、第２の格子周期を有する１つの標的構造体（すなわち、標的構造体１２０Ｂ−１２、１２０Ｂ−２２及び１２０Ｂ−３２は、図３（Ｂ）を参照して上述した方法で製造される）と、第３の格子周期を有する１つの標的構造体（すなわち、標的構造体１２０Ｂ−１３、１２０Ｂ−２３及び１２０Ｂ−３３は、図３（Ｂ）を参照して上述した方法で製造される）とを含む。この構造により、メタマテリアル放射器１００Ｂは、例えば、ターゲットＰＶセルによって変換された帯域内光子数を最大化するために使用可能な広い全体スペクトルを有する高エネルギ放射を生成することにより、ＰＶセルの出力密度を最大化するために、隣接する狭帯域スペクトルを集光して組み合わせた全放射エネルギＥＲ−ＴＯＴＡＬを生成する。
【００３２】
図５は、ベース基板が最適な高い動作温度（すなわち、１０００°Ｋから１５００°Ｋ）を達成するのを容易とする全金属製の箱状筐体１１０Ｃの一部として形成されているメタマテリアル放射器１００Ｃを示す斜視図である。箱状筐体１１０Ｃは、実質的に矩形の内部空洞１１４Ｃが壁部１１１Ｃ−１と１１１Ｃ−２との間に画定されるように、対向して離間された（すなわち、平行な）関係の各側壁部によって接続された上側（第１の）周壁部１１１Ｃ−１及び下側（第２の）周壁部１１１Ｃ−２を有する周壁部１１１Ｃを含む。周壁部１１１Ｃは、内部空洞１１４Ｃに面した内向き表面１１２Ｃと、内部キャビティ１１４Ｃにそれぞれ背を向けた壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２の外向き表面１１３Ｃ−１及び１１３Ｃ−２（すなわち、箱状筐体１１０Ｃからそれぞれ上方及び下方）とを含む。周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２は、入口開口１１５Ｃが周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２の各前端部１１１Ｃ−１Ｆ及び１１１Ｃ−２Ｆの間に画定され、出口開口１１６Ｃが周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２の各後端部１１１Ｃ−１Ｒ及び１１１Ｃ−２Ｒの間に画定されるように、箱状筐体１１０Ｃの入口端部１１０Ｃ−１と出口端部１１０Ｃ−２との間に延在している。動作中において、「ソース」熱エネルギＥＳは、入口開口１１５Ｃを介して内部空洞１１４Ｃ内に供給され、「廃」熱エネルギは、出口開口１１６Ｃを介して排気される。
【００３３】
メタマテリアル放射器１００Ｃはまた、周壁１１１Ｃの１つ以上の外向き表面上に配設された、上述したように形成された１つ以上の標的構造体を含む。図５に示されるように、標的構造体１２０Ｃ−１は、上側部周壁部１１１Ｃ−１の上向き表面１１３Ｃ−１上に配設されており、介在円形溝１２２Ｃ−１によって分離され且つ固定格子周期Λ１によって分離された同心円状リッジ構造体１２１Ｃ−１を含む。箱状筐体の構成は、平坦／平面周壁部１１１Ｃ−１が（例えば、既存のフォトリソグラフィ製造技術を使用して）標的構造体の費用対効果の高い製造を容易とすることから、また、矩形状の内部空洞１１４Ｃが周壁部１１１Ｃ−１によって形成された「ベース基板」上に熱エネルギの効率的な輸送を容易とすることから、最適なエネルギビーム生成を提供する。１つの実施形態において、矩形箱状の構成は、対向する上側及び下側内面１１２Ｃの間において反射する集光された太陽光の形態で熱エネルギの輸送を容易とし、それにより、周壁部１１１Ｃ−１を加熱し、関連する廃熱が出口開口１１６Ｃを介して内部空洞１１４Ｃから除去されるのを可能とする。
【００３４】
本発明の態様によれば、箱状筐体１１０Ｃは、全金属製の構造体として構成されている（例えば、単一の金属ブロックから、又は、溶接することによって若しくは４つの金属板をともに固定することによって構成されている）。全金属製の構造体は、メタマテリアル放射器１００Ｃの適切な動作寿命にわたって必要な高い動作温度（すなわち、１０００から１５００°Ｋ）を達成するのを容易とする。特定の実施形態において、全金属製の箱状筐体１１０Ｃは、筐体の動作寿命をさらに向上させるために、１つ以上の耐熱性金属（例えば、レニウム、タンタル又はタングステン）又は耐熱性金属合金を使用して全体が形成される。
【００３５】
現在好ましい実施形態において、少なくとも１つの標的構造体は、対向する壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２の各外向き表面１１３Ｃ−１及び１１３Ｃ−２上に配設されている。この実施形態は、上向き表面１１３Ｃ−１上に形成される標的構造体１２０Ｃ−１及び下向き表面１１３Ｃ−２上に配設されているように破線で示された任意の標的構造体１２０Ｃ−２によって図示されている。標的構造体１２０Ｃ−１と同様に、標的構造体１２０Ｃ−２は、介在円形溝１２２Ｃ−１によって分離され且つこの実施形態においては固定格子周期Λ１と同じであるか又は異なる固定格子周期Λ２によって分離された同心円状リッジ構造体１２１Ｃ−１を含む。この構成により、熱エネルギＥＳが内部空洞１１４Ｃ内に供給され、１０００°Ｋ超の温度まで周壁１１１Ｃを加熱するのに十分である場合に、放射エネルギＥＲ１は、固定格子周期Λ１にほぼ等しいピーク放射波長を有する箱状筐体１１０Ｃから上方に放出され、これと同時に、熱エネルギＥＳは、標的構造体１２０Ｃ−２に放射エネルギＥＲ２を固定格子周期Λ２にほぼ等しいピーク放射波長を有する箱状筐体１１０Ｃから下方に放射させる。この構成は、例えば、ＴＰＶシステムにおける発電増加を容易とするために、使用可能な追加の放射エネルギの生成を容易とする（すなわち、放射エネルギビームＥＲ２を捕捉するために放射器１００Ｃの下方に第２のＰＶセルを配置することによって）。
【００３６】
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、ソーラータワー電力回収システムにおいて使用するために構成された全金属製の箱状筐体１１０Ｄを含むメタマテリアル放射器１００Ｄを示す斜視図及び側断面図である。
【００３７】
メタマテリアル放射器１００Ｄは、標的構造体のアレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２が壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２の外向き表面１１３Ｄ−１及び１１３Ｄ−２上にそれぞれ形成されるように、箱状筐体１１０Ｄが対向して離間された（例えば、平行な）関係で各側壁部によって接続された対向する上側（第１の）及び下側（第２の）周壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２を含む点で、図５を参照して上述したものと同様である。標的構造体アレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２は、上述した様々な構成のいずれかを使用して実装されるが、好ましくは、放射された放射エネルギビームＥＲ１及びＥＲ２において伝送されるエネルギの量を最大化するために図７に示されるような多重化された構成を含む。
【００３８】
メタマテリアル放射器１００Ｄは、箱状筐体１１０Ｄの入口端部に配設された複合放物面トラフ１１７Ｄを含む点で、先の実施形態とは異なる。図６（Ｂ）に示されるように、複合放物面トラフは、上側周壁部１１１Ｄ−１の前端部１１１Ｄ−１Ｆに一体的に接続された上側（第１の）複合放物面トラフ構造体１１７Ｄ−１と、下側周壁部１１１Ｄ−２の前端部１１１Ｄ−２Ｆに一体的に接続された下側（第２の）複合放物面トラフ構造体１１７Ｄ−２とを含む。図６（Ｂ）における破線矢印によって示されるように、複合放物面トラフ構造体１１７Ｄ−１及び１１７Ｄ−２は、標的構造体アレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２からそれぞれ放射されるビームＥＲ１及びＥＲ２において放射される放射エネルギの量を順次最大化する、標的構造体アレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２への熱エネルギの輸送を最大化する方法で周壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２の内面１１２Ｄ−２１２及び１１２Ｄ−２２２の間の太陽光が反射するように、入口開口１１５Ｄを介して周壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２の間の内部空洞１１４Ｄ内に集光された太陽光ＥＳを導くように動作可能に成形される。
【００３９】
メタマテリアル放射器１００Ｄはまた、内部空洞１１４Ｄからの「廃」熱の放出を制御するのに役立つ箱状筐体１１０Ｄの出口端部に配設された漏斗状の出口１１７Ｄを含む点で、先の実施形態とは異なる。図６（Ｂ）に示されるように、漏斗状の出口は、上側周壁部１１１Ｄ−１の後端部１１１Ｄ−１Ｒに一体的に接続された上側（第１の）漏斗状の出口構造１１８Ｄ−１と、下側周壁部１１１Ｄ−２の後端部１１１Ｄ−２Ｒに一体的に接続された下側（第２の）漏斗状の出口構造１１８Ｄ−２とを含む。図６（Ｂ）における破線矢印によって示されるように、漏斗状の出口構造１１８Ｄ−１及び１１８Ｄ−２は、標的構造体アレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２へのエネルギ輸送を最適化する速度で出口開口１１６Ｄを介した内部空洞１１４Ｄからの「廃」熱エネルギＥＷを導くように動作可能に成形されている。
【００４０】
上記のものと同様の理由で（例えば、熱サイクル応力を最小化するとともに動作寿命を最大化するために）、全金属製の箱状筐体１１０Ｄの全体（すなわち、周壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２、複合放物面トラフ構造体１１７Ｄ−１及び１１７Ｄ−２並びに漏斗状の出口構造１１８Ｄ−１及び１１８Ｄ−２を含む）は、金属を使用して、より好ましくは単一の耐熱性金属（例えば、レニウム、レニウム合金、タンタル又はタングステン）を使用して構成される。
【００４１】
図８（Ａ）から図８（Ｆ）は、本発明の他の実施形態にかかる標的構造体の製造方法を図示する簡略化された断面図である。ほとんどのＰＶセルが赤外線（ＩＲ）における波長を有する光子を電気に効率的に変換することから、そのピーク放射波長がＰＶセルのＩＲ範囲のバンドギャップと一致するメタマテリアル構造体を構成することが望ましい。上述したように、この目的を達成するために、ＩＲ範囲のバンドギャップ（例えば、０．５から５ミクロンの範囲）にほぼ等しい格子周期を有する標的構造体を製造することが必要である。図８（Ａ）から図８（Ｆ）に記載されたプロセスは、既存のフォトリソグラフィシステムを使用して０．５から５ミクロンの範囲の格子周期を有する標的構造体を製造することができ、それにより、製造コストを最小限に抑えることができる製造方法を提供する。
【００４２】
図８（Ａ）から図８（Ｄ）は、図８（Ａ）に示される固体ベース基板１１１の平坦上側表面１１３上にパターン化マスクを生成するためのフォトリソグラフィの使用を図示している。好ましい実施形態によれば、ベース基板１１１は、上述した耐熱性金属（又はその合金）の１つを含む。図８（Ｂ）は、ベース基板１１１の上側表面１１３上にフォトレジスト層４１５を形成するフォトレジスト４１０の蒸着を示している。図８（Ｃ）は、公知の技術を使用してフォトレジスト層４１５を露出するためのレチクル４２０の後の使用を示しているが、レチクルが所望の標的構造体の「負」に対応するパターン形状の「ミラー」を有する開口パターンを含み（すなわち、１０ナノメートルから５ミクロンの範囲の格子周期に設定された同心円状開口４２２を含む）、それにより、開口４２２を通過した光４２５がフォトレジスト層４１５の対応する同心円状部分を現像する点で変更されている。図８（Ｄ）は、（すなわち、適切なエッチング液４２９を使用した）未現像のフォトレジストのその後の除去を示しており、それにより、０．５から５ミクロンの範囲の固定格子周期Λを有する複数の同心円状レジスト構造体４３１を含むフォトレジストマスク４３０を完成し、同心円状レジスト構造体４３１の各隣接対は、介在同心円状スロット４３２を使用して分離される。
【００４３】
図８（Ｅ）は、本発明の特定の「追加」実施形態にかかる上側表面１１３に標的構造体を形成するためのマスク４３０の利用を示している。この場合、（ベース基板１１１を形成するのと同じ耐熱性金属又は異なる耐熱性点金属とすることができる）耐熱性金属４４０は、マスク４３０上に（例えば、スパッタ蒸着によって）蒸着され、同心円状レジスト構造体４３１の間に露出される上側表面１１３の部分を露出させ、それにより、レジスト構造体４３１の隣接対間に固定格子周期Λを有するリッジ構造体１２１を形成する。代替の「減法」実施形態（図示されてない）において、マスク４３０は、マスクスロットを介してベース基板の露出部分をドライエッチングすることによって標的構造体を形成し、それにより、ベース基板のものと同一の組成を有する対応する円形リッジ構造体１２１−２の間に同心溝を形成するために利用される。
【００４４】
図８（Ｆ）は、適切なエッチング液２５０を使用した平坦上側表面１１３からのフォトレジストマスクのその後の除去を示しており、それにより、ベース基板１１１上に配設された標的構造体１２０を含むメタマテリアル放射器１００の製造を完成し、標的構造体１２０は、介在円形溝１２２によって分離され且つ０．５から５ミクロンの範囲の格子周期Λで離隔された同心円状リッジ構造体１２１−２を含む。図９は、上記製造方法にしたがって形成された実際の標的構造体を示す拡大写真である。高温において、この構造体は、図１０に示される分光応答を有する指向性の高いビームを放射する。
【００４５】
単一の標的構造体を有するメタマテリアル放射器の形成に関して上述した製造方法は、図７に示されたような複数の多重化された標的構造体を生成するために公知の技術を使用して拡張可能である。この場合、多重化構成を有する開口を形成するために同心円状パターンが重複して繰り返されてレチクルが生成され、レチクルは、多重化構成で配設された同心円状レジスト構造体を含むパターン化マスクを生成するために使用され、多重化構成における複数の重複する同心円状金属リッジ構造体を形成するために上述したプロセスを使用する。
【００４６】
本発明は、所定の実施形態に関して説明されたが、その全てが本発明の範囲内にあることが意図されている本発明の発明的特徴が他の実施形態に同様に適用可能であることは当業者には明らかであろう。例えば、本発明のメタマテリアル放射器は、好ましくは、動作寿命を最大化するために全金属製の構造体を含むが、ロバスト性がより低いメタマテリアル放射器は、従来の誘電体及び金属アプローチ又は全半導体アプローチを使用して構成されることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９】
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【図１０】
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