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

1、由于在能量捕獲、納米加工、生物傳感技術(shù)、低于衍射極限的熱成像和局部加熱技術(shù)的高速發(fā)展，使得微納尺度熱輻射研究受到各領(lǐng)域研究關(guān)注。在微納尺度距離下熱輻射能力能夠大大增強(qiáng)，許多設(shè)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(shè)計(jì)了一維周期性多層微納結(jié)構(gòu)，獲得相應(yīng)的光譜輻射特性，并應(yīng)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：
　?。?）數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究了一維微納周期性多層結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)應(yīng)的光譜輻射特性；
　?。?）優(yōu)化設(shè)計(jì)出一種新型的TPV系統(tǒng)，并分析了各種因素對(duì)光譜輻射特性及熱電轉(zhuǎn)化效率的影響規(guī)律。
　　對(duì)于復(fù)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(shí)間提供分析細(xì)節(jié)，而不像實(shí)驗(yàn)手段需要昂貴的費(fèi)用，正因?yàn)槿绱耍瑪?shù)值模擬已被研究學(xué)者和工業(yè)生產(chǎn)廣泛采用。嚴(yán)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(qiáng)的適應(yīng)性和計(jì)算效率。本文采用RCWA分析計(jì)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(yīng)是通過不同的物理機(jī)制進(jìn)行的，這些物理機(jī)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(shè)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(yùn)用熱光電效應(yīng)將熱紅外輻射直接轉(zhuǎn)換電能，但是最明顯的缺點(diǎn)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(shè)置選擇性輻射器和熱光伏電池，近場(chǎng)熱輻射效應(yīng)被激發(fā)進(jìn)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(yīng)用價(jià)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(shí)現(xiàn)的，并且本文通過優(yōu)化設(shè)計(jì)熱光電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)初步達(dá)到了這個(gè)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(shù)來制備的，無線射頻磁控發(fā)射技術(shù)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(jìn)行表征。相應(yīng)的半球反射和半球透射光譜特性通過一個(gè)固體材料透反特性測(cè)試系統(tǒng)來測(cè)量，而三向自動(dòng)散射儀（TAAS）則用來測(cè)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(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果證實(shí)了本文設(shè)計(jì)的多層 W/SiO2結(jié)構(gòu)在選定波段內(nèi)具有很強(qiáng)的輻射能力。所設(shè)計(jì)的8層Si/SiO2結(jié)構(gòu)也被證實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有利