Extreme thermal anisotropy in high-aspect-ratio titanium nitride nanostructures for efficient photothermal heating
Our collaborative work with NIMS & DTU was published on Nanophotonics !! / NIMSとデンマーク工科大学との共同研究成果がNanophotonics誌に掲載されました‼
High optical absorptivity or a large absorption cross-section is necessary to fully utilize the irradiation of light for photothermal heating. Recently, titanium nitride (TiN) nanostructures have been demonstrated to be robust optical absorbers in the optical range owing to their nonradiative decay processes enhanced by broad plasmon resonances. Because the photothermally generated heat dissipates to the surroundings, suppressing heat transfer from TiN nanostructures is crucial for maximizing the photothermal temperature increase. In the current work, compared to the planar TiN film, high-aspect-ratio TiN nanostructures with subwavelength periodicities have been demonstrated to enhance the photothermal temperature increase by a 100-fold using nanotube samples. The reason is attributed to the extremely anisotropic effective thermal conductivities. Our work has revealed that high-aspect-ratio TiN nanostructures are effective in improving photothermal heating, and they can be used in various applications, such as solar heating, chemical reactions, and microfluidics. / 光の照射を光熱加熱に十分に活用するには、高い光吸収率または大きな吸収断面積が必要です。最近、窒化チタン（TiN）ナノ構造は、幅広いプラズモン共鳴によって増強された非輻射緩和プロセスにより、光学範囲で光吸収体であることが実証されています。光-熱変換によって生成された熱は周囲に放散されるため、TiNナノ構造からの熱伝達を抑制することは、光熱温度の上昇を最大化するために重要です。この研究で、平面TiN膜と比較して、サブ波長周期性を備えた高アスペクト比のTiNナノ構造が、温度の上昇を100倍に高めることを実証しました。その理由は、非常に異方性ある有効熱伝導率に起因します。私たちの研究により、高アスペクト比のTiNナノ構造は光熱加熱の改善に効果的であり、太陽熱加熱、化学反応、マイクロフルイディクスなどのさまざまなアプリケーションで使用できることが明らかになりました。
Satoshi Ishii*, Makoto Higashino, Shinya Goya, Evgeniy Shkondin, Katsuhisa Tanaka, Tadaaki Nagao, Osamu Takayama and Shunsuke Murai
Extreme thermal anisotropy in high-aspect-ratio titanium nitride nanostructures for efficient photothermal heating https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0569 Received October 12, 2020; accepted December 21, 2020; published online February 26, 2021