Silicon pillars/holes controlling both light absorption & heat conduction

NIMSとデンマーク工科大学との共同研究成果がApplied Materials Today誌に掲載されました！石井さん、高山さん、ありがとうございます！/ Our collaborative work with NIMS & DTU was out on Applied Materials Today!

光熱加熱では、照射された材料で観察される温度上昇は、その光吸収と熱伝導率に依存します。 メタマテリアル、プラズモニック構造、フォトニック結晶、表面テクスチャリングなど、さまざまなナノ構造を使用して光吸収を調整できることが、さまざまな研究によって示されています。 同様に、フォノニック結晶や超格子などのナノ構造によって熱伝導率を調整することもできます。 ただし、光熱加熱プロセスを最適化するために、光吸収と熱伝導を同時に制御する可能性を調べた人はほとんどいません。 この研究では、シリコンの穴と柱の配列は、幾何学的パラメーターを変化させることにより、光吸着と熱伝導率に合わせて調整されています。 その後の実験と数値シミュレーションにより、ナノ構造の熱伝導率が、光吸収よりも光熱加熱効果に強い影響を与えることが明らかになりました。 ピラーアレイは、ホールアレイよりも大きな光熱加熱効果を示します。 それにもかかわらず、ホール アレイは、光熱検出器アプリケーションのように、接続が必要な場合に有利です。 ナノ構造の寸法とそれらの光熱特性との関係をこのように理解することで、この分析は、光熱加熱アプリケーション用の周期的ナノ構造の将来の設計を導く可能性があります。/ In photothermal heating, the temperature increase observed in an irradiated material is dependent on its optical absorption and thermal conductivity. A wide variety of studies have shown that optical absorption can be tailored using various nanostructures, including metamaterials, plasmonic structures, photonic crystals, and surface texturing. Similarly, thermal conductivity can be also tuned by nanostructures, including phononic crystals and superlattices. However, few have examined the potential for the simultaneous control of optical absorption and heat conduction to optimize photothermal heating processes. In this study, silicon hole and pillar arrays are tailored for their optical adsorption and thermal conductivity by varying their geometrical parameters. Subsequent experiments and numerical simulations reveal that the thermal conductivity of the nanostructures has a stronger influence on the photothermal heating effect than their optical absorption. Pillar arrays show a larger photothermal heating effect than the hole arrays; nevertheless, hole arrays are advantageous where connectivity is required, as in photothermal detector applications. With this understanding of the relationship between nanostructure dimensions and their photothermal properties, this analysis may guide the future design of periodic nanostructures for photothermal heating applications.

Optical absorption and heat conduction control in high aspect ratio silicon nanostructures for photothermal heating applications, Satoshi Ishii ^abc, Nicholaus K. Tanjaya ^ab, Evgeniy Shkondin ^d, Shunsuke Murai ^e, Osamu Takayama ^f

• ^aInternational Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki 305-0044, Japan
• ^bFaculty of Pure and Applied Physics, University of Tsukuba, Tsukuba, Ibaraki 305-8577, Japan
• ^cPRESTO, Japan Science and Technology Agency, Saitama 332-0012, Japan
• ^dDTU Nanolab—National Center for Micro- and Nanofabrication, Technical University of Denmark, Kgs. Lyngby, 2800, Denmark
• ^eDepartment of Material Chemistry, Graduate School of Engineering, Kyoto University, Katsura, Nishikyo-ku, Kyoto, 615-8510, Japan,
• ^fDTU Electro—Department of Electrical and Photonics Engineering, Technical University of Denmark, Kgs. Lyngby, 2800, Denmark
• Applied Materials Today, Volume 32, June 2023, 101824 https://doi.org/10.1016/j.apmt.2023.101824