熱を近赤外光に変換するカーボンナノチューブ膜 ―中温域熱光発電の高効率化に道筋―

2026-07-29 東京大学

東京大学、京都大学、東京理科大学の研究グループは、カイラリティを揃えた単層カーボンナノチューブ(SWCNT)膜から、励起子に由来する鋭い近赤外熱放射(励起子熱放射)をマクロスケールで初めて観測した。高温でも励起子が安定に存在するSWCNTの特性を利用し、700~1000℃の中温域でも熱エネルギーを発電に適した近赤外光へ効率よく変換できることを実証した。さらに、SWCNTとMgOからなる4層構造を設計することで、励起子熱放射のピーク放射率を熱力学的限界の約80%まで高めることに成功した。この成果は、従来の半導体では困難だった中温域の熱光起電力発電(TPV)の高効率化に向けた重要な技術基盤となるものであり、工場排熱や燃料電池などの未利用熱の有効活用に加え、熱フォトニクスや高効率エネルギー変換材料の発展にも貢献すると期待される。

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図1 カーボンナノチューブと励起子熱放射。クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)

<関連情報>

カイラリティ分離カーボンナノチューブからなるマクロスケール膜からの励起子熱放射とその制御 Exciton thermal radiation from macroscale membranes composed of chirality-sorted carbon nanotubes and its control

Akiteru Takahashi,Mioko Hizukuri,Kaichi Teranishi,Shonosuke Takaichi,Taishi Nishihara & Yuhei Miyauchi
Nature Communications  Published:29 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-75711-4

Abstract

Exciton thermal radiation, which can potentially be exploited for selective thermal emission and energy harvesting, has been observed in individual single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) heated under photoirradiation. However, whether macroscale-SWCNT assemblies can emit exciton thermal radiation under thermal conduction heating remains unclear and constitutes an important challenge for practical applications. Herein, we observe peaked exciton thermal radiation from chirality-sorted SWCNT membranes. Transmission spectroscopy shows robust exciton resonance at high temperatures, resulting in clear exciton resonance in the thermal radiation band. The absolute emissivity spectra of the membranes are determined at 850 K. Exciton dominance suppresses the contribution of thermal free carriers to the infrared absorption/emission spectra, maintaining the transparency below the optical gap even at elevated temperatures. Furthermore, we demonstrate the enhancement of emissivity at the exciton resonance using a simple planar few-layer architecture consisting of alternating SWCNT and transparent dielectric layers, enabled by strong excitonic light-matter interactions in SWCNTs; this offers a pathway toward superior spectral selectivity at even higher temperatures. These results highlight the potential of chirality-sorted SWCNT membranes as a class of semiconductors for controlling thermal radiation at elevated temperatures, leveraging thermo-optical properties that differ from those of conventional bulk semiconductors.

0403電子応用
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