一維微-納米結(jié)構(gòu)的熱輻射特性調(diào)控及應用.pdf

1、由于在能量捕獲、納米加工、生物傳感技術、低于衍射極限的熱成像和局部加熱技術的高速發(fā)展，使得微納尺度熱輻射研究受到各領域研究關注。在微納尺度距離下熱輻射能力能夠大大增強，許多設備都能借助微納結(jié)構(gòu)去改變反射、透射、吸收和發(fā)射譜特性來提高其性能。本文優(yōu)化設計了一維周期性多層微納結(jié)構(gòu)，獲得相應的光譜輻射特性，并應用于光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率提高。本文的主要內(nèi)容包括：
　　（1）數(shù)值和實驗研究了一維微納周期性多層結(jié)構(gòu)對熱光伏（TPV）和發(fā)光二極管

2、（LED）組件光譜輻射特性的影響；
　?。?）制備了具有光譜選擇性的發(fā)射器和過濾器，獲得了對應的光譜輻射特性；
　?。?）優(yōu)化設計出一種新型的TPV系統(tǒng)，并分析了各種因素對光譜輻射特性及熱電轉(zhuǎn)化效率的影響規(guī)律。
　　對于復雜的納米尺度系統(tǒng)來講，數(shù)值方法成為其不可缺少的工具來分析模擬其物理過程和現(xiàn)象。數(shù)值方法可以在短時間提供分析細節(jié)，而不像實驗手段需要昂貴的費用，正因為如此，數(shù)值模擬已被研究學者和工業(yè)生產(chǎn)廣泛采用。嚴格耦

3、合波分析法（RCWA）在分析微納尺度熱輻射比其它算法具有更強的適應性和計算效率。本文采用RCWA分析計算了具有周期性微納結(jié)構(gòu)的熱光伏系統(tǒng)和發(fā)光二極管系統(tǒng)的熱輻射特性。
　　周期性微納結(jié)構(gòu)改變系統(tǒng)的熱輻射效應是通過不同的物理機制進行的，這些物理機制包括表面等離子體/聲子的極化（SPPs/SPhs）、空腔諧振（CR）、Wood奇異（WA）、光波之間的相互干涉和磁共振。發(fā)光二極管（LED）能將電能直接轉(zhuǎn)化為電磁輻射，由于全內(nèi)反射在發(fā)光材

4、料與外部材料的邊界面處十分微弱，所以發(fā)光二極管的外部量子效率就很低。我們通過在發(fā)光二極管的上部或下部設置微納米結(jié)構(gòu)的集成光柵，能夠有效地增大了發(fā)光二極管的外部量子效率，從而提升了二極管的性能。
　　熱光伏系統(tǒng)（TPV）能夠運用熱光電效應將熱紅外輻射直接轉(zhuǎn)換電能，但是最明顯的缺點就是它們的低功率和低轉(zhuǎn)換效率，這是由于轉(zhuǎn)換過程中，有許多無效的輻射沒有被利用。通過在鄰近區(qū)域設置選擇性輻射器和熱光伏電池，近場熱輻射效應被激發(fā)進而提升轉(zhuǎn)換的

5、功率和效率，而熱輻射的光譜和定向控制也能提高轉(zhuǎn)化效率。多層的微納結(jié)構(gòu)作為熱光電系統(tǒng)中的輻射器和過濾器具有潛在的應用價值。選擇性的發(fā)射器和濾波器能夠?qū)⒃緹o效的熱輻射加以利用，并減小了輻射器與TPV電池的距離，使得本身的轉(zhuǎn)換效率和功率得以改善。選擇性濾波器則能控制從輻射器到TPV電池之間的光譜選擇。借助數(shù)值仿真的參數(shù)研究結(jié)果，高效率的輻射器和濾波器是可以實現(xiàn)的，并且本文通過優(yōu)化設計熱光電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)初步達到了這個目的。
　　本文的一維

6、多層微納結(jié)構(gòu)是通過磁控濺射技術來制備的，無線射頻磁控發(fā)射技術被用來構(gòu)造一維多層微結(jié)構(gòu)，包括5層（鎢（W）/二氧化硅（SiO2））的交叉排列和8層（硅（Si）/二氧化硅（SiO2））的交叉排列，其表面的形貌特征借助掃描電鏡（SEM）進行表征。相應的半球反射和半球透射光譜特性通過一個固體材料透反特性測試系統(tǒng)來測量，而三向自動散射儀（TAAS）則用來測量在室溫下樣品的雙向反射分布函數(shù)和透過率分布函數(shù)。多層 W/SiO2結(jié)構(gòu)的光譜發(fā)射特性可以借

7、助基爾霍夫定理間接獲得，實驗和數(shù)值結(jié)果證實了本文設計的多層 W/SiO2結(jié)構(gòu)在選定波段內(nèi)具有很強的輻射能力。所設計的8層Si/SiO2結(jié)構(gòu)也被證實具有很高的透過性能，可以作為選擇性過濾器。采用上述選擇性輻射器和過濾器，與低禁帶的GaSb電池配合組成的TPV系統(tǒng)表現(xiàn)出高轉(zhuǎn)換效率和電輸出功率的優(yōu)越性能。
　　采用高透過率的過濾器和光譜選擇性輻射器組成的熱光伏系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)換效率和電能輸出。
　　本文的數(shù)值仿真結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)有利